CN109115653A - 一种音叉谐振原油含水率测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种音叉谐振原油含水率测量装置及其测量方法。它包括驱动电路模块、传感器模块、阻抗测量模块、检测电路模块、数据处理模块和上位机，驱动电路模块包括放大电路和频率激振电路，传感器模块包括压电激振电路、音叉谐振式传感装置和压电拾振电路，阻抗测量模块包括阻抗测量电路，检测电路模块包括电荷放大电路、仪表放大电路和滤波整形电路，数据处理模块包括密度理论计算模型、粘度理论计算模型和原油含水率理论计算模型，驱动电路模块、传感器模块、阻抗测量模块和检测电路模块依次相连，形成一个闭环回路，滤波整形电路与数据处理模块相连，数据处理模块与上位机相连。

Description

一种音叉谐振原油含水率测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于原油含水率检测装置领域，涉及一种音叉谐振原油含水率测量装置及其测量方法。
背景技术
在油田开采过程中，地质勘探、钻采输、炼化等生产链都离不开原油含水率的准确测量，原油含水率是油田开采过程中的一项重要指标，通过及时准确的了解原油含水率来估计油井的工作状态，可以预测油井水位、油层位置，估计原油产量和开采价值，科学安排开采方案，对增强油田自动化管理，提高生产效率，准确评价区块可开采价值、指导钻井作业起着非常重要的作用。
目前，原油含水率的检测方法可以归纳为两类：直接测量法和间接测量法。直接测量法主要包括蒸馏法、电脱法、卡尔-费休法，间接测量法主要有密度法、微波法、电导率法、射线法、电容法、射频法、短波法等。
蒸馏法测量原油含水率是通过加热将原油和水分离，进而测量原油的含水率。目前，蒸馏法在原油含水率测量中的标准为GB/T8929-88和GB/T260-88。GB/T8929-88采用的溶剂为二甲苯，GB/T260-88采用的溶剂是工业溶剂油。使用GB/T260-88进行测量时，当原油含水率比较高时，测量结果的精确度比较低。使用GB/T8929-88精确度比较高，可是所采用的二甲苯溶剂使用量大而且具有一定的毒性，对于工作人员会造成一定的伤害。同时蒸馏法测量原油含水率必须是离线测量，难以适应野外作业的要求。而且蒸馏法操作需要取样、稀释、缓慢加热等程序，耗时多，不能够满足油田和原油运输管线实时监管的需求。当原油处于水包油状态，即含水率较高的情况时，原油和水难以均匀混合，对于蒸馏法取样造成影响，将使得测量失去意义。
电脱法的测试原理是通过高压电场，利用电破乳技术使油水分离，来测试原油的含水率。但是电脱法存在着一些缺点，即在脱水过程中，油样需要加温，易使原油剧烈沸腾而外溢，与带电的内、外电极裸露的金属部分触碰，易引起电击危险。
卡尔-费休法的测试原理是利用含碘、二氧化硫、吡啶及无水甲醇溶液(通常称为卡尔-费休溶液)与试样中的水进行定量反应，根据滴定过程中消耗的卡氏试剂的量，计算原油的含水率。但测试中使用的溶剂会污染电极表面，而且卡尔-费休法对于外界环境要求比较高，整个实验过程必须在完全密闭的空间中进行，否则空气中的水分会影响测试结果。
间接测量法是通过测量油水不同比例混合液的物理参数来间接测量原油含水率，在油田生产中得到了快速的发展，测试速度和精度和自动化水平较高。
电导率法是利用油水混合物中油、水电导率差异较大，通过施加恒定电场测量溶液的电导率，通过含水率与电导率之间的关系计算原油含水率。据资料表明，在实际的管道中，对于从0％至100％的原油含水率进行了测量，测量结果显示其有用信号还是较微弱，因此，如何对微弱信号进行处理，以提高测量的精度，仍将是此课题一个需要解决的难点。而且由于受溶液的矿化度的影响，会使得测量电极对之间的电压波动较大，同样导致测量结果受到影响。
电容法是利用油水介电常数的差异特性进行测量的。但电容式传感器的电容量很小，导致电容法的量程范围小，可调性差，仅适合于低含水率的油田，且油水混合液的分层也对系统测量重复性的稳定造成了较大影响。
射频法是一种原油含水率测量的有效方法，测量原理是基于介质的射频阻抗理论，将含水原油作为电介质，通过测定油水混和液对射频信号所呈现的阻抗特性变化来反映原油中的含水率。但利用这种新型技术的测试仪器成本较高，维护也不易，因此还未得到广泛为应用。
短波法，是基于油和水对短波的吸收能力是不同的，从而根据此项参数性质可测得油水混合物中的含水率。但由于受油液处理的影响，对于气液分离不彻底的原油测量难度较大。此外，采用短波技术成本高、使用和维护困难，使其应用受到了一定的影响。
微波含水率测量方法利用其穿透特性，测量微波信号的衰减值和相位移，实现测量。但此方法存在系统复杂、成本高的缺点，应用较少。
射线法是基于油、气、水三种不同介质对两种能量的γ射线的吸收不同，通过检测γ射线穿过油、气、水的混合物后的透射计数，经过理论计算，实现对原油含气、含水率的在线分析。但此方法由于放射源的使用，安全性不高，且仪器造价昂贵，不适用于大批量生产。
密度法测量原油含水率是一种比较有效且常见的方法，其原理是利用油、水密度的差异特性来测试原油含水率，通过传感器测试原油的密度，利用原油含水率与原油密度之间的关系计算原油含水率。数字密度计法是采用U型管振荡原理(也称谐振原理)，测量时选择某些物质作为标准物质，测量频率后通过被测物质与标准物质之间振荡频率的差值，进而计算出被测物质的密度值。但U型管内易形成气泡，不易去除，导致测量结果不准确。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种音叉谐振原油含水率测量装置及其测量方法。
本发明可通过以下技术方案实现：一种音叉谐振原油含水率测量装置，其特征在于，包括驱动电路模块、传感器模块、阻抗测量模块、检测电路模块、数据处理模块和上位机，所述驱动电路模块包括电连接的放大电路和频率激振电路，所述传感器模块包括电连接的压电激振电路、音叉谐振式传感装置和压电拾振电路，所述阻抗测量模块包括电连接的阻抗测量电路，所述检测电路模块包括电连接的电荷放大电路、仪表放大电路和滤波整形电路，所述数据处理模块包括密度理论计算模型、粘度理论计算模型和原油含水率理论计算模型，所述频率激振电路与压电激振电路相连，所述压电拾振电路与阻抗测量电路相连，所述阻抗测量电路与电荷放大电路相连，所述滤波整形电路与放大电路相连，形成一个闭环回路，所述滤波整形电路与数据处理模块相连，所述数据处理模块与上位机相连。
优选地，所述检测电路模块还包括设置在阻抗测量电路与电荷放大电路之间的信号调理电路和自动切换电路。
优选地，所述音叉谐振式传感装置包括探头，探头为晶振。
优选地，所述晶振的音叉表面涂有防水胶。
优选地，所述晶振的频率为32.768kHz。
优选地，所述频率激振电路包括锁相环，锁相环为CMOS锁相环集成电路。
上述的音叉谐振原油含水率测量装置的测量方法，其特征在于：所述密度理论计算模型为：
式中，ρq为音叉的密度；f0为音叉位于空气中的谐振频率；fl音叉位于液体中的谐振频率；ρl为液体密度；ηl为液体粘度；h为音叉叉体的厚度；a为音叉叉体的宽度；
所述粘度理论计算模型为：
式中，l为音叉叉体的水平长度；α为机电耦合系数；R为音叉位于液体所引起的等效电阻；
式中，k为音叉的弹性系数；C为音叉的等效电容；
所述原油含水率理论计算模型为：
式中，ρm为油和水混合物密度；ρw为水的密度；ρo为油的密度；Vm为油和水混合物的体积；Vw为水的体积；Vo为油的体积；μ为原油含水率；
测量时，通过驱动电路模块的频率激振电路激励传感器模块的压电激振电路，使音叉谐振式传感装置做谐振运动，压电拾振电路将检测到的振动信号拾取并通过检测电路模块反馈到驱动电路模块，进而测量出被测对象的谐振频率f，通过阻抗测量模块测量被测对象的阻抗值R，然后将液体分别置换为油和水的混合物、水、油进行测量而得到三组数据，联立公式(1)和(2)，得到油和水混合物密度ρm，水的密度ρw，油的密度ρo，然后将其代入公式(4)，得到原油含水率μ。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明通过使用数据处理模块中的原油含水率计算模型能够测量原油的含水率，进而通过不定期采样测量，得出不同阶段原油含水率，能够预测地层原油含水率的情况，实现实时连续检测地层原油含水率，具有稳定性好、测量精度高、分辨率高、抗电磁干扰能力强、设备成本便宜、对环境没有特殊要求以及易于实现在线连续检测等优点。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明中的驱动电路模块原理图；
图3是本发明中的传感器模块原理图
图4是本发明中的阻抗测量模块原理图
图5是本发明中的检测电路模块原理图
图6是本发明中的数据处理模块原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
在本实施例中，术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”“上端”“下端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图6，音叉谐振原油含水率测量装置的一种实施例，包括驱动电路模块、传感器模块、阻抗测量模块、检测电路模块、数据处理模块和上位机，所述驱动电路模块包括电连接的放大电路和频率激振电路，所述传感器模块包括电连接的压电激振电路、音叉谐振式传感装置和压电拾振电路，所述阻抗测量模块包括电连接的阻抗测量电路，所述检测电路模块包括电连接的电荷放大电路、仪表放大电路和滤波整形电路，所述数据处理模块包括密度理论计算模型、粘度理论计算模型和原油含水率理论计算模型，所述频率激振电路与压电激振电路相连，所述压电拾振电路与阻抗测量电路相连，所述阻抗测量电路与电荷放大电路相连，所述滤波整形电路与放大电路相连，形成一个闭环回路，所述滤波整形电路与数据处理模块相连，所述数据处理模块与上位机相连。
优选地，所述检测电路模块还包括设置在阻抗测量电路与电荷放大电路之间的信号调理电路和自动切换电路。有利于降低失调电压、电流噪声，增加信号带宽、提高电路的稳定性，保证阻抗测量电路测量的被测对象的阻抗值的准确性。
优选地，所述音叉谐振式传感装置包括探头，探头为晶振。通过使用晶振传感器探头测量原油的密度和粘度，进而实现原油含水率的测量，解决了在线检测手段检测精度低、检测范围狭窄等问题。
优选地，所述晶振的音叉表面涂有防水胶。
优选地，所述晶振的频率为32.768kHz。
优选地，所述频率激振电路包括锁相环，锁相环为CMOS锁相环集成电路。能够实现谐振频率跟踪，保证驱动环路的稳定谐振。
上述的音叉谐振原油含水率测量装置的测量方法，其特征在于：所述密度理论计算模型为：
式中，ρq为音叉的密度；f0为音叉位于空气中的谐振频率；fl音叉位于液体中的谐振频率；ρl为液体密度；ηl为液体粘度；h为音叉叉体的厚度；a为音叉叉体的宽度；
所述粘度理论计算模型为：
式中，l为音叉叉体的水平长度；α为机电耦合系数；R为音叉位于液体所引起的等效电阻；
式中，k为音叉的弹性系数；C为音叉的等效电容；
所述原油含水率理论计算模型为：
式中，ρm为油和水混合物密度；ρw为水的密度；ρo为油的密度；Vm为油和水混合物的体积；Vw为水的体积；Vo为油的体积；μ为原油含水率；
测量时，通过驱动电路模块的频率激振电路施加一定范围的频率激励传感器模块的压电激振电路，当施加的激振频率与被测对象的固有频率相同时，音叉谐振式传感装置的音叉元件将做谐振运动，然后压电拾振电路将检测到的振动信号拾取并通过检测电路模块进行信号的放大、滤波、整形后，反馈到驱动电路模块，构成一个闭环回路，进而测量出被测对象的谐振频率f，然后，通过阻抗测量电路测量被测对象的阻抗值R，其中，通过信号调理电路和自动切换电路对阻抗测量电路测量阻抗的过程进行调理和控制，以便于得到准确度较高的阻抗值，然后将液体分别置换为油和水的混合物、水、油进行测量而得到三组数据，联立公式(1)和(2)，得到油和水混合物密度ρm，水的密度ρw，油的密度ρo，然后将其代入公式(4)，得到原油含水率μ。
工作过程如下：
通过频率激振电路激励传感器模块的压电激振电路，使音叉谐振式传感装置做谐振运动，压电拾振电路将检测到的振动信号拾取并通过检测电路模块进行信号的放大、滤波、整形后，反馈到驱动电路模块，实现音叉谐振式传感装置的自激振动；阻抗测量模块测量音叉谐振式传感装置的阻抗值大小，其中，通过信号调理电路和自动切换电路得到精度较高的阻抗值；检测电路模块中将拾取的频率信号经放大、滤波及整形后输入给驱动电路模块；检测电路模块将检测的阻抗和频率输入数据处理模块，经密度理论计算模型、粘度理论计算模型得到密度和粘度值，再经过原油含水率理论计算模型得到原油含水率大小；将含水率测量值上传给上位机，绘制油井原油含水率动态变化曲线，进而实时监测单个油井含水率动态变化，合理安排生产周期、提高采收率、控制采水量、减少不必要的能耗，同时便于油田对多个油井远程监控、实时控制、科学规划，合理安排产能，达到提高自动化水平的目标。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种音叉谐振原油含水率测量装置，其特征在于，包括驱动电路模块、传感器模块、阻抗测量模块、检测电路模块、数据处理模块和上位机，所述驱动电路模块包括电连接的放大电路和频率激振电路，所述传感器模块包括电连接的压电激振电路、音叉谐振式传感装置和压电拾振电路，所述阻抗测量模块包括电连接的阻抗测量电路，所述检测电路模块包括电连接的电荷放大电路、仪表放大电路和滤波整形电路，所述数据处理模块包括密度理论计算模型、粘度理论计算模型和原油含水率理论计算模型，所述频率激振电路与压电激振电路相连，所述压电拾振电路与阻抗测量电路相连，所述阻抗测量电路与电荷放大电路相连，所述滤波整形电路与放大电路相连，形成一个闭环回路，所述滤波整形电路与数据处理模块相连，所述数据处理模块与上位机相连。
2.根据权利要求1所述的音叉谐振原油含水率测量装置，其特征在于：所述检测电路模块还包括设置在阻抗测量电路与电荷放大电路之间的信号调理电路和自动切换电路。
3.根据权利要求1所述的音叉谐振原油含水率测量装置，其特征在于：所述音叉谐振式传感装置包括探头，探头为晶振。
4.根据权利要求3所述的音叉谐振原油含水率测量装置，其特征在于：所述晶振的音叉表面涂有防水胶。
5.根据权利要求3所述的音叉谐振原油含水率测量装置，其特征在于：所述晶振的频率为32.768kHz。
6.根据权利要求1所述的音叉谐振原油含水率测量装置，其特征在于：所述频率激振电路包括锁相环，锁相环为CMOS锁相环集成电路。
7.一种权利要求1至6任一项所述的音叉谐振原油含水率测量装置的测量方法，其特征在于：所述密度理论计算模型为：
式中，ρq为音叉的密度；f0为音叉位于空气中的谐振频率；fl音叉位于液体中的谐振频率；ρl为液体密度；ηl为液体粘度；h为音叉叉体的厚度；a为音叉叉体的宽度；
所述粘度理论计算模型为：
式中，l为音叉叉体的水平长度；α为机电耦合系数；R为音叉位于液体所引起的等效电阻；
式中，k为音叉的弹性系数；C为音叉的等效电容；
所述原油含水率理论计算模型为：
式中，ρm为油和水混合物密度；ρw为水的密度；ρo为油的密度；Vm为油和水混合物的体积；Vw为水的体积；Vo为油的体积；μ为原油含水率；
测量时，通过驱动电路模块的频率激振电路激励传感器模块的压电激振电路，使音叉谐振式传感装置做谐振运动，压电拾振电路将检测到的振动信号拾取并通过检测电路模块反馈到驱动电路模块，进而测量出被测对象的谐振频率f，然后通过阻抗测量模块测量被测对象的阻抗值R，然后将液体分别置换为油和水的混合物、水、油进行测量而得到三组数据，联立公式(1)和(2)，得到油和水混合物密度ρm，水的密度ρw，油的密度ρo，然后将其代入公式(4)，得到原油含水率μ。
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