含水率分析仪矿化度自动标定系统设计

孟 敏，李自成，袁 园，王泽来

（1.江苏麦赫物联网科技有限公司，无锡 214063；2.武汉工程大学 电气信息学院，武汉 430205；3.大庆油田设计院，大庆 163114）

原油含水量是石油化工行业一个重要的参数，在原油开采、脱水、处理、集输计量、储运销售及石油炼制等过程中受到普遍关注。其中原油含水率的实时连续测量对油田开发越来越重要，在优化油田生产计划、降低生产成本、提高生产效率及延长油田开发寿命等方面有着重要意义。实时准确测量各个层段油井的含水率，对不同矿化度自动标定、减少人力成本、精确测量结果、提高油田开采效率，且对油田开发有着重要的意义。目前国内原油含水率检测的常用方法包括电容法[1]、介电常数法[2]、电导法[3-5]、同轴相位法[6]、射频法[7]、取样式电容液位法[8]以及BP神经网络在含水测量中的应用[9]等。不管采用什么办法，由于原油中矿物的存在，会对含水率测量结果有很大的影响[10]。当温度条件发生变化，部分矿物电导率也会发生大幅度变化，导致测量结果不准确。对于油水混合物来说，矿物质一般溶解于水中，因此高含水的原油更容易受矿化度的影响。在含水率分析仪的研制过程中，通过对各种矿化度、各种温度条件下的水介质的标定，是一种常用的补偿矿化度影响的手段。本文提出一种含水率分析仪矿化度自动标定系统，对原油中矿物的影响进行抑制，适用于全范围尤其是高含水率的原油含水率测量，降低原油中矿物对含水率检测结果的影响，对于提高检测精度，校正检测误差具有重要的意义以及较好的发展前景。

1 总体设计方案

1.1 含水率检测系统设计

在电场研究中，遵循Maxwell 理论可知，油水混合物在交变电场作用下，其内部形成的电流与原油介质的介电常数、电导率有着单调变化关系，因此可以将介电常数和电导率称之为混合液的电学特性。对于目前常见的电导率法或者电容法来说，都是通过这样或者类似的原理来实现含水率检测的。

如图1所示，电容法测量含水率，一般采用同轴环形电容，使被测介质从环形空间流过。

图1 电容法测量含水率Fig.1 Measurement of water content by capacitance method

内外电极之间，等效电路如图2所示。

图2 电容法等效电路Fig.2 Equivalent circuit of capacitance method

其中Cx是内外电极之间的电容值，跟内外电极之间的距离、面积以及介质介电常数有关。Rx跟介质的电导率有关。输入输出的等效阻抗公式为

当被测介质含水率低时，Rx值很大，系统等效阻抗主要取决于Cx。如果含水率高，Rx值很小，电导率1/Rx值很大，等效阻抗主要取决于电导率。如图3所示，一般来说，原油的矿化度高，电导率也高，因此用电容法测含水率，受介质矿化度高低的影响，尤其是高含水范围内，受矿化度影响非常大。

图3 矿化度和电导率的对应关系Fig.3 Relationship between salinity and electrical conductivity

含水率分析仪在研发和生产过程中，为了减少矿化度对含水率检测的影响，需要在不同矿化度和温度的条件下进行矿化度的标定。由于矿化度变化范围大，如果采用人工配置矿化度的方法标定，工作量非常大。因此有必要建立一个矿化度自动标定系统，对被标定仪器进行不同矿化度和温度环境下的自动标定。系统整体框图如图4所示。

图4 含水率检测控制系统Fig.4 Moisture content detection and control system

上位机处理系统利用标定软件，通过RS485 通讯口接收含水率仪实时检测的数据，控制温控器以及泵控制器切换不同的标定环境。

1.2 矿化度自动标定系统设计

矿化度是指水中含钠、钙、镁、铝和锰等金属的碳酸盐、氯化物以及各种钠盐等的总和。研究表明原油中矿物质会使原油具有较高的电导率，为了消除矿化度的影响，传统方法是在仪器生产过程中进行不同温度条件下，不同矿化度的标定，一方面检测仪器性能，一方面补偿矿化度的影响，提高含水率分析仪的精度。

一般来说，原油的矿化度从5000 mg/L 到250000 mg/L 不等，而且温度越高对含水率检测的影响也越大，如果对每种不同的温度和矿化度条件都进行标定，工作量巨大，而且会造成标定液浪费。

针对以上情况，本文设计含水率分析仪矿化度自动标定系统，如图5所示。

图5 含水率分析仪矿化度自动标定系统结构框图Fig.5 Structure block diagram of automatic salinity calibration system for moisture content analyzer

步骤1启动温控器，将水浴恒温槽内水温加热到第一个设定温度，并恒温；

步骤2启动第一个标定液储存罐的泵控制器，控制其对应的双向蠕动泵正转，将标定液抽取到标定筒；

步骤3计算机与含水率分析仪通讯，读取该温度以及该矿化度条件下的各项数据，并记录显示；

步骤4该项标定结束后，计算机启动泵控制器，控制双向蠕动泵反转，将标定筒内的标定液抽取到标定液储存罐；

步骤5计算机启动下一个标定液的标定，重复步骤2至步骤4；

步骤6完成全部标定液储存罐标定液的标定后，设置温控器进入下一个恒温点，并重复进行步骤2至步骤5的过程；

步骤7完成全部温度点的标定后，形成标定数据报表，取下所标定的含水率分析仪，待降温后进行下一台仪器的标定。

2 实验结果

自动标定过程完成后，需要进行数据分析工作和标定图版生成输入工作，最终达到尽量消除矿化度温度对含水率检测影响的目的。

2.1 标定数据分析

一般来说，自动标定系统需要完成在不同矿化度和温度条件下的标定，得到在这些条件下的实测含水率，根据实际值和实测值之间的误差，通过数据分析来解决以下几个问题：

2.1.1 判断被标定仪器是否工作正常

矿化度对含水率仪有一定的影响，但是也应该是在一定范围内。如果在标定过程中，仪器数据超出了正常范围，可以分析判断仪器是否出现了故障导致工作不正常。

2.1.2 判断仪器是否达到最优状态

通过标定数据的分析，不仅可以判断仪器是否满足一般测量要求，还可以进一步的分析判断是否还有提升空间，是否能进一步提高测量精度和稳定性。通过调整后，使仪器达到更理想的状态。

2.1.3 通过大量实验数据建立数学模型

矿化度和温度对含水率测量的影响，涉及的因素很多，通过一个简单的计算公式来实现不太现实。如果获取了大量的实验数据，通过机器学习的方式，能够建立起比较合适的数据模型。

2.2 生成标定图版

通过自动标定装置得到的实测数据，肯定是与实际值有一定误差的数据。譬如矿化度为0的纯水，测量值应该是100%，但是含有一定矿化度的水，测量值根据不同仪器有不同的测量值。如图6所示，是一台含水率分析仪在20～50℃不同的温度条件下，矿化度从10000 mg/L 到110000 mg/L 标定点的实测数据。可以看出，温度越高，实测含水率越低，同时矿化度越高，实测含水率也偏低。

图6 矿化度温度标定图版Fig.6 Salinity and temperature calibration diagram

得到这个标定图版后，把对应的设置值下载到含水率分析仪内，可以实现含水率分析仪的自动补偿修正，达到不同矿化度和温度条件下的自动检测。

3 结语

本文依据矿化度在含水率检测方法中的影响，设计了上述含水率分析矿化度自动标定系统。解决了矿化度对于原油电导率的影响，能够自动进行不同温度不同矿化度条件下的自动标定，大大降低成本，节约标定时间，降低劳动强度。实验结果表明，本系统能够较好的抑制矿化度的影响，适应我国大部分油田的生产状况，有较好的发展前景。