小型化活塞式黏度在线测量方法

宋 乐，郑叶龙，赵美蓉，林玉池

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072)

井下原油黏度特征是油藏开发的重要指标之一，直接反映油品质量，通过对井下输油管道内的原油黏度实施在线测量，对提高采收率、降低采油成本具有重要的指导价值．随着石油开采技术的日益发展，关于黏度测量方法的研究也取得了长足的进步[1-2]，以实验室常规环境测量为例，目前已有毛细管法[3]、旋转法[4]和落球法[5]等多种较为成熟的测量手段，但受其各自测量原理所限，对所测油液的样品纯度、温度等指标要求较高[6]．而井下原油由于地质结构关系，颗粒物较多，油温和油压也较高[7]，测量空间狭小，以致传统的实验室常规测量仪器无法满足在线测量需求．目前，在原油开采现场，基本依靠实际经验或地面现象推测地下原油黏度[8]，其准确性更多依赖于主观因素．因此，寻找能够适应开采现场条件的测量手段是实现原油黏度高精度测量的关键，对石油开采乃至国民经济，都具有非常重要的意义．

针对当前方法中存在的关键问题，笔者提出一种黏度在线测量的新方法．通过对两电磁线圈实施交替激励，产生周期式电磁力，使管形测量腔内的圆柱形永磁活塞进行直线式往复运动，再由电磁感应效应，测得活塞往复运动的时间．依据黏度定义及流体力学原理，腔内被测液体黏度越大，活塞所受流体剪切力越大，相应的运动时间越长，存在正相关，通过建立黏度与活塞运动测量时间的数学模型，即可推算原油黏度．该测量方法结构简单，易于实现小型化、低成本、高精度的现场环境黏度在线测量．

1 系统原理

图 1为活塞式黏度测头示意．永磁活塞由电磁线圈产生的交替电磁力来驱动．2个线圈为紧靠安装，中间加绝缘层，活塞只在2个线圈内腔往复运动.

图1 活塞式黏度测头示意Fig.1 Schematic diagram of the piston-type viscometer probe

密绕的电磁线圈可近似视为柱面电流[9]，在线圈内中间段磁场大致是均匀的，电磁感应强度B近似为

式中：μ为介质磁导率；n为线圈单位长度上的线圈匝数；I为通过线圈的电流．由于线圈内腔内磁力线近似均布，因此活塞在线圈内腔运动时，所受电磁力可近似恒定．由安培定则可知，若活塞长度为 L，永磁活塞所受的驱动力f为

当活塞在被测液体中运动时，如果活塞运动的速度比较缓慢，由流体力学知识可知，被测液体的速度分布是线性的[10]．设 v为活塞运动的速度，在活塞表面处液体的速度也是v，液体的速度随y方向减小，在内壁表面上液体的速度为 0，如图 1右侧所示．h为

活塞到内壁的距离，则速度梯度d/dv y可计算为

由牛顿剪切定律可得活塞表面处流体所受的切应力τ为

为简化数学模型，假定活塞表面各处受到的切应力完全相同，设 η 为流体黏度，则活塞受到的黏滞阻力Fη为

当活塞在内腔做匀速运动时，电磁驱动力 f 与黏滞阻力 Fη相等，由式(1)、式(2)、式(6)、式(7)得

式中：R1为内壁的半径；R2为活塞的半径；t0为活塞在空气中往复运动的测量时间；t为活塞在被测液体中往复运动的测量时间；l为内腔的长度．令

式中 I、L、n、l、μ、R1、R2、t0均为常数，由测量时间 t可以计算出被测液体的黏度．

2 系统实现

图2为活塞式黏度系统结构，其中A为Y型倒流片，见图2右侧，具有引导被测液流入内腔B及防止活塞运动出内壁的功能；C为外壳，其右端完全伸入管道中，左端为法兰结构，用来与管道连接，活塞式黏度计安装在石油管路的外侧可减小由于被测液体流动造成的影响；D为内腔的密封圈，用来电气隔离，同时装有温度传感器，用来感应被测液的温度．

电流通过电磁线圈时，会在周围产生磁场．电磁线圈固定时，处于其磁场区域范围内的永磁活塞会随其所受电磁力的作用而发生运动．为使得活塞在测量腔内往复运行，采用两组线圈交替驱动的方式，驱动电压是周期为Td的方波信号．

图2 活塞式黏度在线测量系统示意Fig.2 Structure of on-line piston-type viscosity measurement system

图3 叠加在驱动电压上的感应电压波形Fig.3 Voltage waveform of induced voltage overlaid on drive signal

根据法拉第电磁感应定律，当穿过导体回路的磁通量发生变化时，回路中产生感应电动势．因此，永磁活塞的运动就会在电磁线圈上产生感应电压，如图3所示．此时，线圈上的电压信号是驱动方波电压信号和感应电压信号的矢量叠加．活塞测量时间 t，即为活塞由内腔的内侧运动到 Y型倒流片的单向行程运动时间．当运动停止后，感应电压消失，通过检测出感应电压消失的时间，可测出磁铁在内腔中的运动时间，从而推算出被测液体的黏度值．在该过程中，系统无需得到感应电压信号的确切值，只需检测感应电压某一临界值，再通过电压比较器来实现对感应电压的检测，即可确定活塞的测量时间．

3 实验分析

3.1 驱动电压周期影响实验

电磁线圈的通断由微处理器控制，从而驱动活塞的运动；若电磁线圈的变化周期较短，经过实验，变化周期小于100,ms时，活塞在内腔连续运行，即活塞运动到Y型倒流片时与 Y型倒流片碰撞后，立即沿反方向运动．活塞在内腔里连续运行虽可减小系统对被测液体的测量时间，但是，由于内腔的底端和 Y型倒流片并非完全均匀，因此会导致测量误差，影响系统的精度．为了克服内腔的底端和 Y型倒流片不均匀导致的测量误差，通过控制电磁线圈的变化周期，使得活塞在内腔的运行不连续，即活塞运动到 Y型倒流片与倒流片碰撞后，活塞停顿一段时间间隔，再由线圈驱动其进行反向运动．表 1给出了线圈驱动电压幅值为 12,V，周期分别为 100,ms和 500,ms时，活塞在空气中往复运行时的测量时间 t0的 10组数据．经计算，当驱动电压周期为 100,ms时，t0的标准差为 0.91,ms；电磁线圈的变化周期为 500,ms时，t0的标准差为0.26,ms．由该组实验可知，采用低频方式对活塞进行驱动，可提高测量系统的稳定性．

表1 电磁线圈变化周期为100,ms、500,ms时活塞在空气中的测量时间Tab.1 Piston measuring time in air under 100,ms or 500,ms voltage variation period

3.2 黏度测量系统标定实验

实验选取空气及黏度值为 2.27,mPa·s、10.41 mPa·s、21.45,mPa·s和 48.83,mPa·s的甲基硅油标准黏度液，进行黏度测量标定，所得数据如图 4所示．通过最小二乘法拟合直线，获得式(10)中的 k1为1.74，k2为39.10．由此，被测液体黏度值计算式为

从图4中可以看出t与η为线性关系，与理论推导一致，说明了活塞式黏度在线测量方法的可行性．

图4 活塞测量时间与黏度的关系Fig.4 Relationship between piston measuring time and viscosity

3.3 黏度测量结果及误差分析

实验使用活塞式黏度计测量活塞在花生油、葵花油、芥花油中的测量时间(环境温度为 15,℃)，并由式(11)计算出黏度值，同时，使用 KU-2型旋转式黏度计(测量范围为 27～5,274,mPa·s，精度为±1%)，测量各液体黏度，实验数据如表2所示．

表2 被测液体黏度与活塞运动周期关系Tab.2 Relationship between measured liquid viscosity and piston movement period

从测量结果可以看出，采用活塞式黏度计测量结果比旋转式黏度计测量的结果略小，这主要是温度和内腔的摩擦力所致．首先，线圈通电发热(电流为170,mA)，将热量传递给内腔，处于内腔中的液体被加热；被测液体温度升高使分子动能增加，促进了分子间的流动，从而液体增加黏度减小[11]．其次，在建立活塞运动周期与黏度关系的数学模型时，为了简化模型忽略了活塞与内腔摩擦力的影响，从而使得计算的黏度值与真实值有差别．温度对活塞式黏度计测量结果的影响可通过温度补偿得到修正，摩擦力对活塞式黏度计测量结果的影响，可通过改进传感器结构来实现．

4 结 语

利用永磁活塞往复运动时间与黏度的关系，设计了活塞式黏度计，并通过实验进行了验证．结果表明：液体黏度与活塞运动测量时间之间，具有良好的相关性，测量结果稳定准确．该方法为解决井下输油管道原油黏度的在线测量问题，开辟了一条新的解决途径．

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