专利名称：地面电导含水分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及油田计量领域中所用到的一种一次仪表，尤其是涉及一种用于测量采油厂各中转站原油外输液中含水率的电导式含水量分析仪。
背景技术：
含水率测量是油田地面计量的一个关键环节。在油田开发处于高含水阶段，迫切需要能准确可靠测量含水率的计量装置。目前使用的油水两相流含水率计量仪器有电容含水分析仪，振管密度计和放射性密度计等。电容含水分析仪适应于油为连续相的情况下，在高含水时精度较低，目前已经很少使用；放射性密度计性能可靠，但价格昂贵，且存在安全隐患；振管密度计测量精度较高，但易受结垢等因素的影响，而且流体中含气也对测量造成较大误差，所以，至目前为止，还没有一种能够能安全环保且准确可靠测量含水率的计量仪器。
发明内容
为了克服现有油田地面含水率计量领域中存在的尚无一种能够安全环保且准确可靠测量油井采出液中含水率的计量仪器的不足，本发明提供一种地面电导含水分析仪，该种地面电导含水分析仪具有受油水分布状态、沾污、结垢、流体含气等因素的影响较小的特点，因此其具有测量精度较高、重复性和一致性好、可靠性高、结构简单、成本低廉、响应速度快、安全环保等显著优点，应用于地面水为连续相时的含水率测量具有优势，在技术上具有显著的进步。
本发明的技术方案是该种地面电导含水分析仪，包括法兰、密封筒、防爆盒，以及一个电导传感器、激励源生成电路、电压差动信号检测及压频信号转换电路，所述电导传感器位于密封筒内，由绝缘管、安装在绝缘管内壁上的环形激励电极、环形测量电极构成。激励源生成电路与电压差动信号检测及压频信号转换电路均位于防爆盒内，所述激励源生成电路由一个正弦波发生器、一个交变恒流源构成，该电路的两个信号输出端经过接线短接密封后被连接至环形激励电极上，由此使得激励电极在激励源生成电路的作用下，提供幅值恒定的交变电流。所述电压差动信号检测及压频信号转换电路由差动放大器、交直流转换器、压频转换器以及功率放大器组成，测量电极经过接线短接与该电路的两个差动信号输入端相连接，由此电极向电压差动信号检测及压频信号转换电路提供差动电压信号，该信号经过差动放大器放大后获得一个调幅波，该调幅波经过交直流转换器的作用转变为直流信号，该直流信号在压频转换器的作用下进行压频转换，由压频转换器输出的频率信号经功率放大器输出。此外，为了得到准确的测量结果，还可以在该分析仪上的密封筒下端安装一个电磁阀，用来对全水值进行校正。该电磁阀与密封筒之间通过法兰连接，其打开与关闭受二次仪表的控制，打开电磁阀，待测液体从传感器内部流过，传感器测得混相值；电磁阀在关闭状态时，传感器内部的混合液体进行静态分离，由于油的比重比水小，静态分离后，油在上面，水在下面，这样传感器测得全水值。
在本技术方案中，环形激励电极、环形测量电极均为不锈钢电极，其数量均为2个，四个电极环位于在绝缘管内壁上形成的四个有间距的凹形环槽内，其中环形测量电极位于环形激励电极所形成的空间内，即两个激励电极在上下两端，两个测量电极在内部。
本发明具有如下有益效果由于采取上述方案的地面电导含水分析仪通过由激励电极提供一幅值恒定的交变电流，然后测量流过两个测量电极间的流体阻抗变化即可以将石油采出液中含水率的情况表征出来，使得本种作为一次仪表使用的地面电导含水分析仪与地面二次仪表配合使用后精度较高，测量的含水率的绝对误差小于1％。如果工作条件理想即在管线中具有较高的流速时，含水率的测量精度可达到0.7％。此外，它的重复性和一致性好，重复性误差小于0.4％，并且工作稳定可靠，振动对地面电导含水分析仪基本上无影响，少量的结蜡、结垢对测量亦无影响，由于气相不导电，气对仪器响应的贡献等效于增加了同样体积的油，如果流体中含有1％的气，则指示的含水率会相应降低1％，因此含气对测量的影响很小。由于在仪器中增加了电磁阀可以能够实现全水值校正功能，因此整个测量过程中，不受温度和矿化度的影响。此外，本种仪器维护简单，预计所需的维护是一年内仅仅需要数次清洗，甚至不用清洗。地面电导含水分析仪无阻流部件，对流动无干扰，仪表的通径可灵活改变，可以放置在主管道中，也可以安置在旁路上，成本低、寿命长，安全环保，密封筒和密封短接的设计可实现与现场管线的快速连接，便于对内部电导传感器的安装及维护。
附图1是本发明的结构示意图；附图2是本发明中电导传感器的结构示意图；附图3是本发明中密封筒的结构示意图；附图4是本发明中电路部分的原理框图；附图5是本发明中激励源生成电路、电压差动信号检测及压频信号转换电路中提供工作电源部分的电气原理图；附图6是本发明中激励源生成电路的电气原理图；附图7是本发明中电压差动信号检测及压频信号转换电路电气原理图；附图8是应用本发明进行动态实验装置图；附图9是不同流量下配比含水率与仪器响应的关系图版；附图10是5m3/h重复测量的仪器响应与配比含水率的关系图版；附图11是7m3/h重复测量的仪器响应与配比含水率的关系图版；附图12是现场试验装置示意图。
图中1-法兰，2-密封筒，3-内置电路，4-防爆盒，5-电导传感器，6-电磁阀，7-流体流通通道，8-传感器外壳，9-环形激励电极，10-环形测量电极，11-绝缘管，12-密封圈，13-管线密封短接，14-接线筒帽，15-密封塞，16-接线短接，17-接线筒。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明首先产生本发明的技术启发如下如果有一种传感器由嵌在绝缘管道内壁的不锈钢电极构成，当待测液体从传感器内部流过时，虽然电极与待测液体相接触，但对流动无干扰。当流体从传感器内流过时，对传感器供电，由于电极间流体阻抗的存在，根据电学原理可知，电极间产生电压幅度与流过传感器的流体的电导率成反比。设流过传感器的流体混相电导率为σm，水相电导率为σw，混相时测量电极间电压为Vm，全水(水浸没所有电极)时测量电极间电压为Vw，则有VmVm=σmσw--(1)]]>该电压经差动放大、AC/DC转换、V/F转换等线性电路转换，转换成频率输出，于是有(2)式成立，其中fw、fm分别为全水时的输出频率即全水值和混相时的输出频率即混相值。
VwVm=fwfm--(2)]]>则由式(1)和式(2)有下式成立VwVm=fwfm=σmσw--(3)]]>σm与σw之比由Maxwell公式给出σmσw=2β3-β--(4)]]>式中β为两相流中连续导电相的体积分数，在油水两相流中为持水率，即水的体积占总体积之比。可通过fw/fm大小求含水率Yw，称fw/fm为仪器的相对响应。以上，就为本发明设计上的出发点，本发明目的在于构造一种能够满足需要的可作为一次仪表使用的仪器。
如图1至图7所示，该种地面电导含水分析仪，包括法兰1、密封筒2、防爆盒4，以及一个电导传感器5和位于防爆盒4中的内置电路3，该内置电路3主要由激励电源生成电路、电压差动信号检测及压频信号转换电路电路组成。在这里，法兰材料为304钢，尺寸为DN40；密封筒的材料是1Cr13，外径80mm，内径62mm。
所述电导传感器由绝缘管11、安装在绝缘管内壁上的环形激励电极9、环形测量电极10构成，环形激励电极9、环形测量电极10均为不锈钢电极，其数量均为2个，四个电极环位于在绝缘管11内壁上形成的四个有间距的凹形环槽内，其中环形测量电极10位于环形激励电极9所形成的空间内，在这里，绝缘管材料尼龙，外径58mm，内径40mm；电极环材料钛钢，外径46mm，内径40mm。
激励源生成电路与电压差动信号检测及压频信号转换电路均位于防爆盒4内，防爆盒4由钢板及密封垫构成，将外界易燃气体与电路隔开，防止爆炸。所述激励电源生成电路由一个正弦波发生器、一个交变恒流源构成，其电气原理图如图5、图6所示，其中图5是本发明中激励源生成电路、电压差动信号检测及压频信号转换电路中提供工作电源部分的电气原理图，电源部分由+12伏稳压块LM7812和+6伏稳压块LM7806及电容C1、C2、C3构成，C1、C2、C3的取值可均为0.47F，由地面提供+15V电压，将点B作为虚地点，则点A电压为+6V，点C电压为-6V，至此，电源可以提供±6V电压。正弦波发生器是由波形发生器ICL8038和外围元件构成，交变恒流源由两个双运算放大器LF353组成，该电路的两个信号输出端D和输出端E则连接至环形激励电极9上，由此使得激励电极9在激励源生成电路的作用下，能够提供幅值恒定的交变电流。当选择电阻R1为5.7k欧姆，电阻R2为75k欧姆，电阻R3为10k欧姆，电阻R4为10k欧姆，电阻R5为10k欧姆，电阻R6为10k欧姆，电阻R7为10k欧姆，电容C4为5000pF时，该电路则通过两个信号输出端D和输出端E向电导传感器5上的一对激励电极提供频率为20KHz、电流恒定的正弦波信号，激励电极之间的流体则作为恒流源的负载。
如图7所示，所述电压差动信号检测及压频信号转换电路由差动仪表放大器AD620、交直流转换器AD637、压频转换器AD537以及功率放大器LM386组成，测量电极10与该电路的两个差动信号输入端F和输入端G相连接，其中，电容C5选择0.47F、电容C6选择0.33F、电容C7选择0.33F、电容C8选择10F，电阻R8至电阻R12均选择10k欧。由于两测量电极之间的电势差为一差动信号，则由此测量电极向电压差动信号检测及压频信号转换电路提供差动电压信号，该差动信号经仪表放大器AD620进行差动放大，获得一个以20KHz为载波，以原油和水流动所产生的低频信号为调制信号的调幅波，将调幅波经交直流转换器AD637进行交直流变换，将调幅波转变为直流信号。该直流信号经压频转换器AD537进行压频转换，将电压信号转变为频率信号。将该频率信号经功率放大器LM386进行功率驱动，经由电缆传至二次仪表进行处理。
由于水的电导率受温度和矿化度的影响，因此为了使得测量结果更准确，必须对全水值进行校正，所采用的方法是采用电磁阀进行全水值校正，即在分析仪上安装一个电磁阀6，该电磁阀6与密封筒2之间通过法兰连接。电磁阀的工作状态受二次仪表控制，它的工作状态为两种方式开和关。通常电磁阀处于打开状态，待测液体从电导传感器内部流过时，传感器则测得混相值；可以设定每隔一小时电磁阀关闭一次，一次时间为5分钟，此时电导传感器内部的混合液体进行静态分离，由于油的比重比水小，静态分离后，油在上面，水在下面，这样传感器测得全水值。
在本技术方案中，对密封筒2的设计参照常规也进行了改进，如图3所示，密封筒2有两部分需要密封，为实现与现场管线的快速连接，密封筒两端两侧采用DN40法兰。为便于电导传感器5的维修及与管线的连接，将放置传感器的密封筒分为上、下两部分，下部分由传感器外壳8、传感器5和DN40法兰1构成；上部分由管线密封短接13和DN40法兰构成。上部分插入下部分中，其间用“O”圈φ60×412加以密封；另一需要密封的部分是传感器的引线与内置电路3的连接部分，其间需要密封，其方式如下电导传感器5安装在下部密封筒中，其连线通过接线筒17与安装在接线短接16上的φ4.5密封塞相连接。接线短接16插入接线筒17中，其间用φ25×3的“O”圈加以密封。接线筒帽14将接线短接16固定在接线筒17中。通过上述措施，可保证地面电导含水分析仪有较高的测量精度，解决油田地面含水率计量问题。
实际使用时，将本发明中所述的地面电导含水分析仪与二次仪表准确连接后，即可进行测量。下面，对二次仪表的情况加以说明。
二次仪表以工控机为核心，配以数据采集卡完成中转站所需的外输液流量和含水率两个参数的采集、处理、显示、存储、控制和打印等功能。具体步骤如下1、二次仪表向含水分析仪的电磁阀发出指令控制电磁阀的开关，来获取电导传感器所测得的全水值及混相值，二次仪表将全水值及混相值进行采集。
2、正常工作情况下，电磁阀处于开启状态，来获取电导传感器所测得的混相值，每隔半小时控制电磁阀关闭3分钟，使传感器内部的油水进行静态分离测得全水值。
3、标定图版设两测量电极之间的电导在混相时为Gm，全水时为Gw，混相时输出电压为Vm，输出频率为fm，全水时输出电压为Vw，输出频率为fw，σm为混相电导率，σw为水相电导率，仪器输出频率与混相流体的电导率成反比fwfm=VwVm=GmGw=σmσw--(1)]]>利用公式(1)可计算出持水率。实验流量点为4m3/h、5m3/h、7m3/h、10m3/h3、15m3/h、20m3/h和30m3/h，对于每一流量点含水范围为40％--100％，每次递增10％。在给定的流量和含水率下，记录仪器混相时输出频率，取其平均值；然后测量全水值，根据实测数据及计算结果，得出下列图版。图9为不同流量下，配比含水率与仪器响应的关系图版。图中，横坐标为配比含水率，纵坐标为仪器响应，即fw/fm。由图可见，仪器响应与配比含水率的关系具有明显的规律性，在4m3/h和5m3/h仪器响应不但取决于含水率，也与流量相关。在7m3/h以上仪器响应与配比含水率的关系不依赖于油水总流量。因此，在不同流量下，做多项式拟合得到含水率Kw与仪器响应Y的关系式流量为4m3/h的拟合公式Kw＝0.2041+0.96Y-0.1586Y2(4)拟合的相关系数R2＝0.997Kw＝0.1318+1.1452Y-0.2889Y2(5)流量为5m3/h的拟合公式拟合的相关系数R2＝0.9941Kw＝0.1649+0.9745Y-0.1451Y2(6)流量为7m3/h以上的拟合公式拟合的相关系数R2＝0.996当总流量超过7m3/h时，仪器响应与配比含水率的关系不依赖于油水总流量，因此采用一个图版。采用上述拟合公式，或采用实验图版并插值，就可以根据仪器响应和总流量计算出含水率4、一般来讲，确定油水分相产量要通过测量总流量和含水率来确定。而通常的组分测量仪表只能直接测量两相流的持水率，即水体积含量，而无法直接给出含水率。含水率只有利用测得的持水率和流量，结合实验图版或理论模型来获取，本发明也遵循这一思路。由于多相流动的复杂性，水连续时油水两相流的相对电导率不但决定于持水率，也相关于流速。因此根据相对电导率确定的含水率Kw是仪器响应和流速的二元函数，即Kw＝Kw(R，V) (5)式中，R为仪器响应，V为流体流速。由于很难获得适用于所有仪器而又具有较高精度的Kw(R，V)的显函数形式，一般都通过在室内多相流实验装置上以原油和地层水为流动介质，在不同的流速和配比含水率下进行实验，获取标定图版。现场测量时，依据测得的仪器响应和流速，再根据图版推算出含水率Kw。计算过程如下首先将在实验装置上获得的实验数据进行拟合，得到图版，并将拟合结果录入计算机；然后进行现场测量时，对应不同的流量，在图版上插值，得到在这一流量下，对应于含水率为0％、10％、…100％时的仪器响应；再次将得到的插值数据在直角坐标中绘出曲线，横轴为仪器响应，纵轴为含水率，该曲线表征了在这一流量下含水率与仪器响应的关系；通过插值，获得在这一流量下与仪器响应对应的含水值。
应用本发明进行测量，具有如下有益效果本种作为一次仪表使用的地面电导含水分析仪与地面二次仪表配合使用后精度较高，测量的含水率的绝对误差小于1％。如果工作条件理想即在管线中具有较高的流速时，含水率的测量精度可达到0.7％。此外，它的重复性和一致性好，重复性误差小于0.4％，并且工作稳定可靠，振动对地面电导含水分析仪基本上无影响，少量的结蜡、结垢对测量亦无影响，由于气相不导电，气对仪器响应的贡献等效于增加了同样体积的油，如果流体中含有1％的气，则指示的含水率会相应降低1％，因此含气对测量的影响很小。由于在仪器中增加了电磁阀可以能够实现全水值校正功能，因此整个测量过程中，不受温度和矿化度的影响。此外，本种仪器维护简单，预计所需的维护是一年内仅仅需要数次清洗，甚至不用清洗。地面电导含水分析仪无阻流部件，对流动无干扰，仪表的通径可灵活改变，可以放置在主管道中，也可以安置在旁路上，成本低、寿命长，安全环保，密封筒和密封短接的设计可实现与现场管线的快速连接，便于对内部电导传感器的安装及维护。下面是一些实验说明及数据，以此来证明本发明的有益之处。
图8为动态实验装置图，动态实验及标定在大庆油田的设计院实验基地进行。以原油和地层水为实验介质。将电导含水仪安装在DN100的管线上，如图8所示。在测量过程中，将阀门2打开，阀门1关闭，使原油和水混合液从地面电导含水分析仪内部流过，地面电导含水分析仪测得混相值fm；将阀门2关闭，阀门1打开，使地面电导含水分析仪内部的原油和水进行静态分离，地面电导含水分析仪测得全水值为fw。利用公式(1)可计算出持水率。实验流量点为4m3/h、5m3/h、7m3/h、10m3/h3、15m3/h、20m3/h和30m3/h，对于每一流量点含水范围为40％--100％，每次递增10％。在给定的流量和含水率下，记录仪器混相时输出频率，取其平均值；然后测量全水值，根据实测数据及计算结果，得出下列图版。图9为不同流量下，配比含水率与仪器响应的关系图版。图中，横坐标为配比含水率，纵坐标为仪器响应，即fw/fm。由图可见，仪器响应与配比含水率的关系具有明显的规律性，在4m3/h和5m3/h仪器响应不但取决于含水率，也与流量相关。在7m3/h以上仪器响应与配比含水率的关系不依赖于油水总流量。因此，在不同流量下，做多项式拟合得到含水率Kw与仪器响应R的关系式Kw＝0.2041+0.96R-0.1586R2(4)流量为4m3/h的拟合公式拟合的相关系数R2＝0.997Kw＝0.1318+1.1452R-0.2889R2(5)流量为5m3/h的拟合公式
拟合的相关系数R2＝0.9941流量为7m3/h以上的拟合公式Kw＝0.1649+0.9745R-0.1451R2(6)拟合的相关系数R2＝0.996当总流量超过7m3/h时，仪器响应与配比含水率的关系不依赖于油水总流量，因此采用一个图版。采用上述拟合公式，或采用实验图版并插值，就可以根据仪器响应和总流量计算出含水率。
图10、图11分别为5m3/h和7m3/h重复测量的仪器响应与配比含水率的关系图版，从图版上看出，含水仪有很好的重复性，重复性误差为±0.4％。上述实验表明，仪器具有较高的精度，具有较好的重复性和稳定性，是较为理想的测量水连续时油水两相流含水率的方法。
现场试验是在在大庆油田采油二厂的南2-6中转站上进行，装置示意图如图12所示，测量时阀门1打开，使混相液体从传感器流过，测量混相值；阀门1关闭，使油水混合液进行静态分离，测量全水值，由公式(1)计算出仪器响应，再根据不同流量利用公式进行拟合，求得测量含水率。阀门2为取样阀门，用量筒取样，进行手工化验。试验过程中，测量混相值和对油水混合液人工取样同时进行，将测量结果与手工化验结果进行对比。
表一为南2-6中转站试验结果，表中列出了计算含水率与取样含水率之间的差值的算术平均值(反映系统误差)、差值绝对值的平均值(反映了偶然误差和系统误差)和标准偏差。标准偏差定义为 式中Kwm′为第1次采用电导传感器测量含水率值；Kws′为第i次取样测量的含水率值；N为测量的总次数。
在该站的试验中，每次测量都取了两个流体样，两个样的含水率化验结果都非常接近，含水率的相差小于0.5％。将两次取样进行平均，列入表中。该中转站当时的日产量在6000m3/d～7500m3/d之间变化，该站主管线通径也为250mm，折合流量为6.4m3/h～8m3/h(与通径为40mm的含水率计的流速相同)。表中列出了采用5m3/h和7m3/h的拟合线计算的含水率。由表中可见，无论是采用5m3/h还是7m3/h的拟合线，计算的含水率都与取样含水率非常接近。所有计算含水率与取样含水率差值的算术平均值、绝对值平均、均方根值均很理想。均方差均小于1％。说明含水率计的工作非常稳定，流速对测量的影响也很小，可以忽略。
表一 南2-6中转站试验结果
权利要求
1.一种地面电导含水分析仪，包括法兰(1)、密封筒(2)、防爆盒(4)，其特征在于所述分析仪还包括一个电导传感器(5)、激励源生成电路、电压差动信号检测及压频信号转换电路，所述电导传感器由绝缘管(11)、安装在绝缘管内壁上的环形激励电极(9)、环形测量电极(10)构成；激励源生成电路与电压差动信号检测及压频信号转换电路均位于防爆盒(4)内，所述激励源生成电路由一个正弦波发生器、一个交变恒流源构成，该电路的两个信号输出端(D，E)连接至环形激励电极(9)上，由此使得激励电极(9)在激励源生成电路的作用下，提供幅值恒定的交变电流；所述电压差动信号检测及压频信号转换电路由差动放大器、交直流转换器、压频转换器以及功率放大器组成，测量电极(10)与该电路的两个差动信号输入端(F，G)相连接，由此电极向电压差动信号检测及压频信号转换电路提供差动电压信号，该信号经过差动放大器放大后获得一个调幅波，该调幅波经过交直流转换器的作用转变为直流信号，该直流信号在压频转换器的作用下进行压频转换，由压频转换器输出的频率信号经功率放大器输出。
2.根据权利要求1所述的地面电导含水分析仪，其特征在于所述分析仪还包括一个电磁阀(6)，该电磁阀(6)与密封筒(2)之间通过法兰连接。
3.根据权利要求1或2所述的地面电导含水分析仪，其特征在于环形激励电极(9)、环形测量电极(10)均为不锈钢电极，其数量均为2个，四个电极环位于在绝缘管(11)内壁上形成的四个有间距的凹形环槽内，其中环形测量电极(10)位于环形激励电极(9)所形成的空间内。
全文摘要
一种用于测量油田外输液中含水率的地面电导式含水分析仪。主要解决现有油田含水率计量领域中尚无能够准确测量含水率的计量仪器的不足。其特征在于所述分析仪还包括一个电导传感器(5)、激励源生成电路、电压差动信号检测及压频信号转换电路，所述电导传感器由绝缘管(11)、安装在绝缘管内壁上的环形激励电极(9)、环形测量电极(10)构成，激励电极(9)在激励电源生成电路的作用下，提供幅值恒定的交变电流，由测量电极(10)输入的压差信号在压频转换器的作用下变为频率信号输出，经功率放大器传送给二次仪表。具有受油水分布状态、结垢、含气等因素影响小的特点，测量精度高、重复性和一致性好、响应速度快、安全环保等显著优点。
文档编号G01N27/12GK1601265SQ20041004399
公开日2005年3月30日 申请日期2004年10月26日 优先权日2004年10月26日
发明者刘兴斌, 袁智蕙, 庄海军, 刘纯, 张新红, 鞠明渊 申请人:大庆油田有限责任公司