RU2037151C1

RU2037151C1 - Detector for measuring water and oil content in water-oil mixture

Info

Publication number: RU2037151C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Гершгорен; В.Б. Гохман; А.Г. Грачев
Original assignee: Конструкторское бюро производственного объединения "Саратовнефтегаз"
Priority date: 1992-10-08
Filing date: 1992-10-08
Publication date: 1995-06-09

Abstract

FIELD: analytical instrument engineering. SUBSTANCE: detector has external tubular electrode and internal rod electrode disposed coaxially; the second one is covered with isolation layer. Relations between diameters of electrodes and isolation of internal rod electrode are defined by nonequality given in the description of the invention. EFFECT: improved precision. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в нефтяной промышленности в средствах измерения содержания воды и нефти в продукции нефтяных скважин. The invention relates to measuring equipment and can be used in the oil industry in means of measuring the content of water and oil in the production of oil wells.

На нефтепромыслах в системах сбора, подготовки и учета продукции скважин для определения обводненности добываемой нефти широко применяются диэлькометрические влагомеры, действие которых основано на использовании зависимости диэлектрической проницаемости среды от соотношения содержаний в ней воды и нефти. Они состоят из емкостного преобразователя (датчика), в котором находится испытуемая нефть и изменение влажности последней преобразуется в изменение емкости, и измерительной схемы, воспринимающей изменение емкости и на основании этого выдающей информацию об обводненности нефти. Известно устройство для определения процентного содержания нефти и воды в водонефтяной смеси, в котором реализуется диэлькометрический метод измерения и датчик которого представляет собой систему двух электродов, один из которых выполнен в виде прямого тройника, два выхода которого, расположенные под прямым углом друг к другу, снабжены средствами соединения с трубопроводом, по которому прокачивается контролируемая водо-нефтяная смесь, а второй в виде изолированного стержня, размещенного внутри первого электрода коаксиально с двумя его соосно расположенными патрубками, в который (первый электрод) он входит через третий выход, снабженный соответствующими средствами герметизации [1]
В датчике этого влагомера поток контролируемой жидкости резко меняет направление движения на 90^о, что ведет к увеличению гидравлического сопротивления потоку и образованию застойной зоны в области патрубка, через который стержневой электрод входит в тройник, а это способствует отложению на электродах смол, асфальтенов, парафина и других загрязнений, что вносит большие погрешности в измерения.At oil fields in systems for collecting, preparing and recording well products, dielcometric moisture meters are widely used to determine the water cut of produced oil, the action of which is based on using the dependence of the dielectric constant of the medium on the ratio of the water and oil contents in it. They consist of a capacitive transducer (sensor) in which the test oil is located and the change in moisture of the latter is converted into a change in capacity, and a measuring circuit that senses the change in capacity and, based on this, provides information about the water content of the oil. A device for determining the percentage of oil and water in an oil-water mixture, which implements the dielcometric method of measurement and the sensor of which is a system of two electrodes, one of which is made in the form of a straight tee, two outputs of which are located at right angles to each other, are equipped means of connecting to a pipeline through which a controlled water-oil mixture is pumped, and the second in the form of an insulated rod placed inside the first electrode coaxially with two e of coaxially arranged pipes, in which (a first electrode), he enters via the third outlet provided with appropriate sealing means [1]
In the sensor of this hygrometer, the flow of the controlled liquid sharply changes the direction of motion by 90 ^° , which leads to an increase in hydraulic resistance to the flow and the formation of a stagnant zone in the nozzle area through which the rod electrode enters the tee, and this contributes to the deposition of resins, asphaltenes, paraffin and other contaminants, which introduces large errors in the measurement.

В меньшей степени указанные недостатки присущи являющемуся наиболее близким аналогом прямоточному датчику влагосодержания, содержащему коаксиально расположенные наружный трубчатый электрод, включаемый в трубопровод, по которому протекает контролируемая водонефтяная смесь, и внутренний стержневой электрод, покрытый изоляционной (диэлектрической) оболочкой, толщина которой определяется неравенством
0,1 <

< 0,2 где ε_п и ε диэлектрические проницаемости материала изоляции и измеряемой среды;
D, r, d диаметры соответственно внешнего электрода, изоляционной оболочки и внутреннего электрода [2]
Благодаря прямолинейному течению жидкости и отсутствию застойных зон этот датчик имеет меньшее гидравлическое сопротивление и менее благоприятные условия для образования на электродах отложений смол, асфальтенов, парафина и других загрязнений, отрицательно влияющих на точность измерений. Кроме того, выбором с использованием приведенного неравенства толщины изоляционного покрытия внутреннего электрода в нем снижено влияние на точность измерений содержания солей в пластовой воде и "сорта" нефти.To a lesser extent, these drawbacks are inherent in being the closest analogue to a direct-flow moisture sensor containing a coaxially located external tubular electrode included in a pipeline through which a controlled oil-water mixture flows and an inner rod electrode coated with an insulating (dielectric) shell, the thickness of which is determined by the inequality
0,1 <

<0.2 where ε _p and ε are the dielectric constant of the insulation material and the medium to be measured;
D, r, d diameters of the outer electrode, insulating sheath and inner electrode, respectively [2]
Due to the rectilinear fluid flow and the absence of stagnant zones, this sensor has less hydraulic resistance and less favorable conditions for the formation of tar, asphaltene, paraffin and other contaminants on the electrodes that adversely affect the measurement accuracy. In addition, the choice using the above inequality of the thickness of the insulating coating of the internal electrode in it reduced the effect on the accuracy of measurements of the salt content in formation water and the "grade" of oil.

Однако устранением застойных зон в датчике невозможно полностью исключить образование отложений смол, асфальтенов и парафина на электродах (исследования на скважинах Башкирии, имеющих повышенное содержание в нефти смол и асфальтенов, показали, что при приемлемых для нефтепромысловых систем скоростях потока снизить толщину слоя загрязнений до величин менее 0,1 мм не удается), а так как при измерениях в прямых эмульсиях, когда непрерывной фазой является вода, отложения смол, асфальтенов и парафина на внутреннем электроде оказывают, среди других факторов, наибольшее влияние на точность измерений (в ходе вышеупомянутых исследований установлено, что погрешность за счет отложений смол и асфальтенов может достигать 70% а за счет влияния других факторов не превышает 30%), то снижение влияния на нее содержания солей в пластовой воде и "сорта" нефти в этом случае не ведет к существенному улучшению точности измерения содержания воды в продукции нефтяных скважин. However, eliminating stagnant zones in the sensor, it is impossible to completely eliminate the formation of deposits of resins, asphaltenes and paraffin on the electrodes (studies in the Bashkiria wells, which have a high content of resins and asphaltenes in oil, have shown that, at acceptable flow rates for oilfield systems, reduce the thickness of the pollution layer to less than 0.1 mm fails), and since when measuring in direct emulsions, when water is a continuous phase, deposits of resins, asphaltenes and paraffin on the inner electrode have, among other factors, the greatest influence on the accuracy of measurements (in the course of the above studies it was found that the error due to deposits of resins and asphaltenes can reach 70% and due to the influence of other factors does not exceed 30%), then the decrease in the influence of salt content in the formation water and "grades" of oil in this case does not lead to a significant improvement in the accuracy of measuring the water content in the production of oil wells.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения содержания воды в продукции нефтяных скважин, в особенности при измерениях в прямых эмульсиях. Это достигается тем, что в диэлькометрическом датчике для определения содержания воды и нефти в водонефтяной смеси, содержащем коаксиально расположенные наружный трубчатый электрод и внутренний стержневой электрод, покрытый слоем изоляции, соотношения диаметров электродов и изоляции внутреннего стержневого электрода определяются неравенством

< 0,25 где ε_п, ε_н, ε_з соответственно диэлектрическая проницаемость материала изоляции, средняя величина диэлектрической проницаемости обезвоженной нефти и средняя величина диэлектрической проницаемости загрязнений;
D, r, d соответственно внутренний диаметр трубчатого электрода, диаметр изоляционного покрытия и диаметр стержневого электрода;
n коэффициент размерности длины, при измерениях в м, равный 1, а при измерениях в см 0,1.The technical result of the invention is to increase the accuracy of determining the water content in the production of oil wells, especially when measured in direct emulsions. This is achieved by the fact that in a dielcometric sensor for determining the water and oil content in a water-oil mixture containing a coaxially located outer tubular electrode and an inner rod electrode coated with a layer of insulation, the ratio of electrode diameters and insulation of the inner rod electrode is determined by the inequality

<0.25 where ε _p , ε _n , ε _s respectively the dielectric constant of the insulation material, the average dielectric constant of the dehydrated oil and the average dielectric constant of the pollution;
D, r, d, respectively, the inner diameter of the tubular electrode, the diameter of the insulating coating and the diameter of the rod electrode;
n length dimension coefficient, when measured in m, equal to 1, and when measured in cm, 0.1.

Приведенное неравенство получено путем вывода в общем виде математической зависимости безразмерного параметра диэлькометрического датчика, характеризующего влияние загрязнения центрального электрода на точность измерения влажности нефти, от соотношения конструктивных и эксплуатационных параметров датчика D, d, r, ε_п, ε_н, ε_з и дальнейшего экспериментального исследования этой зависимости в направлении уточнения предельного значения безразмерного параметра.The above inequality is obtained by deriving in general terms the mathematical dependence of the dimensionless parameter of the dielcometric sensor, characterizing the effect of contamination of the central electrode on the accuracy of measuring oil moisture, on the ratio of the design and operational parameters of the sensor D, d, r, ε _p , ε _n , ε _s and further experimental studies of this dependence in the direction of clarifying the limiting value of the dimensionless parameter.

Исследования подтвердили, что при соблюдении соотношений, устанавливаемых этим неравенством, можно при сохранении в приемлемых пределах влияния на точность измерений солей в пластовой воде и "сорта" нефти свести к минимуму влияние загрязнений центрального электрода, вносящих наибольшие погрешности в измерения, и таким образом существенно повысить точность определения содержания воды в продукции нефтяных скважин, особенно при измерениях в прямых эмульсиях. Studies have confirmed that, subject to the ratios established by this inequality, it is possible to maintain, within acceptable limits, the influence on the accuracy of measurements of salts in produced water and the grade of oil to minimize the effect of contaminations of the central electrode, which introduce the greatest measurement errors, and thereby significantly increase the accuracy of determining the water content in oil well products, especially when measured in direct emulsions.

На чертеже схематически изображен предлагаемый диэлькометрический датчик для определения содержания воды и нефти в водо-нефтяной смеси. The drawing schematically shows the proposed dielcometric sensor for determining the content of water and oil in the water-oil mixture.

Датчик содержит коаксиально расположенные наружный трубчатый электрод 1, включаемый в трубопровод, по которому прокачивается контролируемая среда (не показан), и внутренний стержневой электрод 2, покрытый слоем изоляции 3. Соотношения внутреннего диаметра D трубчатого электрода 1, диаметра d стержневого электрода 2 и диаметра r изоляционного покрытия 3 определяются неравенством

< 0,25 где ε_п, ε_н, ε_з соответственно диэлектрическая проницаемость материала изоляции, средняя величина диэлектрической проницаемости обезвоженной нефти и средняя величина диэлектрической проницаемости загрязнений;
n коэффициент размерности длины, при измерениях в мм равный 1, а при измерениях в см 0,1.The sensor contains a coaxially located outer tubular electrode 1 included in the pipeline through which a controlled medium (not shown) is pumped, and an inner rod electrode 2 coated with an insulation layer 3. The ratio of the inner diameter D of the tubular electrode 1, the diameter d of the rod electrode 2 and the diameter r insulation coating 3 is determined by the inequality

<0.25 where ε _p , ε _n , ε _s respectively the dielectric constant of the insulation material, the average dielectric constant of the dehydrated oil and the average dielectric constant of the pollution;
n the coefficient of the dimension of length, when measured in mm is equal to 1, and when measured in cm 0.1.

Предпочтительный вариант исполнения датчика при средней величине диэлектрической проницаемости загрязнений ε_з 2,35 и выполнении изоляции внутреннего стержневого электрода из пентопласта имеет следующие размеры: D 50 мм, d 20 мм и r21 мм.The preferred embodiment of the sensor with an average value of the dielectric constant of contaminants ε _{s of} 2.35 and insulation of the inner rod electrode of pentoplast has the following dimensions: D 50 mm, d 20 mm and r21 mm.

При работе влагомера нефть, содержащая воду, проходит между электродами 1 и 2 датчика, при этом в зависимости от содержания воды в нефти меняется диэлектрическая проницаемость среды, разделяющей электроды, и соответственно пропорционально изменяется электрическая емкость датчика. Изменение электрической емкости датчика воспринимается измерительной схемой (не показана), которая на основании этого в том или ином виде выдает информацию о содержании воды в нефти. During the operation of the hygrometer, oil containing water passes between the electrodes 1 and 2 of the sensor, and the dielectric constant of the medium separating the electrodes changes depending on the water content in the oil, and the electric capacitance of the sensor changes accordingly. The change in the electric capacity of the sensor is perceived by a measuring circuit (not shown), which on the basis of this in one form or another provides information about the water content in oil.

Благодаря соблюдению соотношений, установленных приведенным неравенством, слой загрязнений, образующийся в процессе работы на внутреннем электроде в основном за счет отложений смол, асфальтенов и парафина, оказывает минимальное влияние на точность измерений, что позволяет с большей точностью определять содержание воды в продукции нефтяных скважин как при измерениях в обратных, так и при измерениях в прямых эмульсиях. Due to the observance of the ratios established by the above inequality, the layer of contaminants generated during operation on the internal electrode mainly due to deposits of resins, asphaltenes and paraffin has a minimal effect on the accuracy of measurements, which makes it possible to more accurately determine the water content in oil well production as with measurements in reverse and in measurements in direct emulsions.

П р и м е р. При оптимальных конструктивных параметрах датчика D 50 мм, d 20 мм и при величинах диэлектрической проницаемости ε_н 2,3, ε_п 2,6 (пентопласт) и ε_з 2,35 для различных толщин диэлектрического покрытия (изоляции) стержневого электрода (r Var) рассчитывались значения безразмерного параметра А, определяемого левой частью неравенства, и экспериментальным путем определялась погрешность α измерения влажности нефти. Стендовые испытания проводились в эмульсиях типа "нефть в воде" после формирования на поверхности стержневого электрода слоя загрязнений толщиной до 0,3 мм, выделяющихся из нефти. Погрешность измерения определялась путем сравнения результатов измерения влагосодержания с данными, полученными методом лабораторного анализа. Полученные результаты представлены (фрагментарно) в таблице. Из таблицы видно, что загрязнение стержневого электрода датчика не оказывает существенного влияния на погрешность измерения влажности нефти при значениях параметра А меньше 0,25, что соответствует толщине слоя диэлектрического покрытия (изоляции) около 0,5 мм. Как показали исследования, при значениях параметра А значительно меньших 0,25 и, соответственно, толщине диэлектрического покрытия больше 0,5 мм начинает снижаться чувствительность датчика к содержанию воды в нефти, поэтому на практике целесообразно использовать ближайшие к указанному значению величины параметра А.PRI me R. With optimal design parameters of the sensor D 50 mm, d 20 mm and with permittivities ε _n 2,3, ε _n 2,6 (pentoplast) and ε _z 2,35 for different thicknesses of the dielectric coating (insulation) of the rod electrode (r Var ) the values of dimensionless parameter A, which is determined by the left side of the inequality, were calculated, and the error α of measuring oil moisture was determined experimentally. Bench tests were carried out in oil-in-water emulsions after the formation of a layer of contaminants up to 0.3 mm thick released from oil on the surface of the rod electrode. The measurement error was determined by comparing the results of measuring moisture content with data obtained by laboratory analysis. The results are presented (fragmented) in the table. The table shows that the contamination of the rod electrode of the sensor does not have a significant effect on the error in measuring oil moisture when the values of parameter A are less than 0.25, which corresponds to a thickness of the dielectric coating (insulation) layer of about 0.5 mm. Studies have shown that when the values of parameter A are much smaller than 0.25 and, accordingly, the thickness of the dielectric coating is more than 0.5 mm, the sensitivity of the sensor to the water content in oil starts to decrease, therefore, in practice, it is advisable to use the values of parameter A closest to the indicated value.

Опытные образцы датчика, изготовленные с размерами вышеупомянутого предпочтительного варианта, при измерениях в обратных эмульсиях имеют абсолютную погрешность не более 2,5% а при измерениях в прямых эмульсиях не более 4,0% Sensor prototypes made with the dimensions of the aforementioned preferred embodiment, when measured in reverse emulsions, have an absolute error of not more than 2.5% and when measured in direct emulsions, not more than 4.0%

Claims

DIELMETRIC SENSOR FOR DETERMINING THE WATER AND OIL CONTENT IN A WATER-OIL MIXTURE, comprising a coaxial outer tube electrode and an inner rod electrode coated with an insulation layer, characterized in that the ratio of the electrode diameters and the insulation of the inner rod electrode is determined by the inequality

where ε _p , ε _n , ε _s respectively, the dielectric constant of the insulation material, the average dielectric constant of the dehydrated oil and the average dielectric constant of the pollution;
D, r, d, respectively, the inner diameter of the tubular electrode, the diameter of the insulating coating and the diameter of the rod electrode;
n 1 mm or 0.1 cm length dimension coefficient.