青美伊　梁华庆　袁月

摘要：针对传统油水乳状液含水率测量装置的准确性低、成本高、无法实现动态测量的问题，设计一种剪切条件下乳状液含水率的测量装置。系统利用油水两相的介电及电导特性的差异性，采用交流阻抗法测量待测乳状液的复阻抗参数，从而获得乳状液的含水率特征。结合搅拌装置模拟油水乳状液在运输环境下的剪切环境，间接实现油水乳狀液的动态测量。实验测试表明：装置具有良好的重复性和稳定性，可实现剪切条件下对乳状液复阻抗参数的测量，证明乳状液的阻抗参数与含水率存在明显的线性关系，对进一步研究管道中油水两相的流动性质具有一定的参考价值。

关键词：含水率;油水乳状液;复阻抗;剪切条件

中图分类号：TH89 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）01-0099-08

0 引言

在油田开采工程中，油水混合物在集输过程中会形成具有一定稳定性的乳状液，很大程度上改变了油水两相混合物的黏度以及乳化含水率，极大地影响了油水两相流动特性[1-5]。因此，乳状液含水率的测量对石油工业的开采、集输和炼制过程具有重要的意义。

传统的含水率测量方法如蒸馏法和卡尔·费休法属于人工化验的检测方法，其准确性较高，但只能在实验室内进行，无法进行野外实时测量;射线法、微波法和短波吸收法利用油水两相的吸收系数不同，实现了精度较高的在线测量，但技术成本较高，难以维护;电容法基于油水两相介电常数不同的原理对含水率进行测量，该方法易于实现、成本低廉，但是其测量范围较小，难以推广。在实际生产中，原油乳状液在静止一段时间后会出现分层、絮凝、聚并等现象[6]，传统测量方法只能基于静止条件下对混合液的油水两相含水率进行判定，与实际工况不符，不具有适用性[7-11]。目前，并没有较为成熟的理论和技术可对动态条件下油水混合液的乳化含水率进行合理的测试和表征。

乳状液的阻抗信息中，包含了其介电以及电导率等相关电学特征，在一定程度上反映了体系的含水率信息，因此乳状液阻抗信息的获取对探究油水两相混合流动形态的探究具有重要的意义。为实现油水乳状液含水率的动态测量，本文设计并开发了一种能够对油水混合液实际运输过程进行模拟的动态阻抗测量装置，结合搅拌装置模拟了运输条件下的动态剪切环境，同时利用交流阻抗技术获取油水乳状液的复阻抗信息，分析其乳状液的含水率特征。系统成本低，易于维护，且避免了静态测量中由于油水乳状液分层现象所导致的测量误差。

1 总体设计原理和结构

常温下，原油的相对介电常数为2.0～2.7，但纯水的相对介电常数为80，油水两相的介电常数具有明显差异，因此相含率的变化会直接导致乳状液体系的容性发生变化。类似地，原油的电导率近似为零，而水的导电性质较强，其体系的阻性会因为相含率的变化产生明显的差异。对于介质而言，其容性和阻性特征往往会反映在其复阻抗参数中;因此，不同含水率的乳状液体系也会具有明显不同的复阻抗特性。所以对乳状液中复阻抗值及相关电参数进行测量有助于进一步探究两相流的含水率特征。

为了实现对乳状液样品进行剪切条件下复阻抗值的测量，本文设计的测量装置主要由样品池、PSM1700频率响应分析仪、搅拌系统、恒温水浴系统构成，其装置结构如图1所示。

其中，样品槽为双半圆柱面电极的非金属搅拌槽，通过导线将电极与PSM1700幅频特性仪测量电路相连接，实现样品的复阻抗值测量。搅拌器与搅拌桨、数字转速器、数字扭矩仪共同构成搅拌系统，为装置构建不同转速条件的剪切场。由HAAKEAC200水浴控制系统为实验装置提供恒温的水浴环境，避免在测量过程中，出现由温度造成的测量误差。

2 样品槽的设计与制作

在实际测量中，样品槽及测量极板的形状和尺寸都在很大程度上对测量值的大小及测量装置的准确性造成影响，所以对样品槽的设计是整体设计中至关重要的环节。

2.1 样品槽形状设计

对样品进行复阻抗值的测量，实际上是对电导和电容值进行测量，所以本文采用双电极板作为测量电极。较为常见的测量极板为平行极板和双圆柱电极板[12-14]。但实际上这两种样品槽电容很难达到理想化的条件，平行极板长度不会无限长，同时两极板之间距离也不会无限小，因此会造成较大的边缘效应。双圆柱形样品槽的长度也不会达到无限长，但其径向上电力线完全封闭，其边缘效应与平行极板相比较小一些。

本实验中具有漩涡剪切场，若采用矩形样品槽，搅拌过程中会导致流体在边角处形成滞留，从而无法使样品得到充分搅拌，影响结论的准确性;同时，在实际应用中也较难实现双圆柱面样品槽的搅拌条件。综合考虑，本文采用双半圆柱面电极板作为样品槽的测量极板，其极板俯视图和样品槽如图2所示。

这种结构简单易实现，能满足本实验中的搅拌条件，同时也能最大程度减小边缘效应。

2.2 样品槽尺寸设计

样品槽的尺寸对搅拌时液体形变具有重要影响，当样品槽内径过小，搅拌所形成的漩涡较大，实验造成的误差也较大;若内径过大，则无法达到充分搅拌的目的。所以在对样品槽的尺寸进行设计时，既要保证使乳状液得到充分搅拌，也要在一定程度上保证测量结果的准确性和稳定性。

为了满足实验的搅拌条件，采用如表1所示的两种样品槽进行尺寸的筛选和设计。

两样品搅拌槽均由非金属材料制作，内侧均置有尺寸为163mm×130mm×0.5mm的双半圆柱面紫铜电极，其实物如图3所示。

经理论分析，实验中由搅拌形成漩涡所引起的流体形变是主要的误差来源。所以主要对纯物质（纯水、纯油）在不同转速下所引起的测量变化作为依据对样品槽进行筛选。实验中，分别将纯水、纯油样品装入1^#槽（150mL）和2呀曹（750mL）中，对样品进行不同强度的搅拌（200，300，400r/min）并对其电阻和电容值进行测量，实验结果如图4所示。

由图可知，当实验样品为纯油时，其搅拌转速不会对实验结果造成明显影响，而纯水样品则在不同转速下表现出了一定的差异性。可以推知，当实验样品为乳状液时，搅拌所引起的流体形变会在一定程度上对其电学参数造成一定的误差。

本文采用标准差系数对数据差异性进行判定，通过计算可得，1^#槽的数据标准差系数约为0.037，2^#槽的标准差系数为0.013，可知2^#槽所受到搅拌的影响较小，其测量结果更具有准确性和稳定性。

3 乳状液复阻抗测量仪的研制

3.1 搅拌系统的设计与改进

搅拌系统主要由搅拌桨、IKA MR-D搅拌器、RE162C数字转速器、D1-S1数字扭矩仪构成，其中搅拌器和搅拌桨构成系统的动力部分，通过数字转速器对转速进行控制和调节，最高可达1600r/min，数字扭矩仪可对乳状液的黏度等相关特性进行探究。

1）搅拌桨材料设计

由于实验中需要对样品的电学特性进行测量，搅拌桨的材质会在较大程度上对电参数值造成影响，因此需要对搅拌桨的材料进行筛选和分析，开展非金属桨和金属桨的区别实验。

实验采用纯水和塔里木原油作为实验样品，分别使用非金属桨1^#和金属桨2^#对样品进行不同转速的搅拌，通过电参数的变化分析两种材料对实验结果的影响。一般情况下，实验中的纯水为阻性物质，纯油为容性物质，因此使用电阻值表征纯水样品的电学性质，使用电容表征纯油样品的电学性质，实验结果如图5所示。

图中A，B点是分别放入1^#、2^#桨的时刻，由圖可知，当实验样品为原油物质时，其加入金属桨、非金属桨对所测量电参数值均无较大影响。而将纯水作为实验样品时，金属材料的搅拌桨对测量结果的影响要远大于非金属塑料桨，说明金属材质的搅拌桨对在一定程度上造成实验误差，因此采用非金属树脂材料来制作搅拌桨。

考虑搅拌作用会对搅拌桨杆产生一定扭矩，当转速过大时，非金属桨杆会发生一定程度的变形，所以实验采用金属材料作为搅拌杆，并定制相匹配的树脂封套，避免金属材质对样品电参数测量产生影响。

2）搅拌桨形状设计

涡轮式、框式和锚式搅拌桨适用于粘度较高的液体，但是框式和锚式制作工艺简单，更易实现，所以本实验中暂时将搅拌桨的形状设计为类似于框式和锚式的平叶式。同时，在本实验中为了能够对样品进行充分搅拌，设计搅拌桨尺寸为70mm×70mm×5mm。

在实验过程中，发现当搅拌转速过大时，平叶式搅拌桨会使样品形成较大的漩涡流场，极大影响了测量结果的准确性。为了减小由于搅拌所导致的漩涡流场，考虑在搅拌桨上均匀分布6个直径均为15mm的过流孔，从而减小搅拌阻力。最终搅拌桨的形状设计如图6所示。

经实验验证，改良后的桨杆在搅拌时产生的阻力更小，能够尽量减小搅拌所引起的流体形变。

3.2 测量电路的构建

本文中所使用的测量设备为PSM 1700频率响应分析仪，这种仪器具有两个测量通道，能够对各通道电压以及两通道之间的相角差进行高精度的测量。利用所测量的电压和相位差等基本的数据，搭建电路对样品复阻抗数据进行计算。

具体电路如图7所示。

信号端输出电压幅度为2V，信号频率范围为50Hz～1MHz的扫频电压信号V_out，通道1测量整体电路的电压V₁及相关参数，通道2测量样品槽两端的电压V₂及相关参数，并得出两通道相位差φ，根据公式计算出各频率下样品的阻抗：

通过样品的阻抗值以及相位差，可以获取乳状液复阻抗的实部、虚部等信息：

Z'（f）=Z（f）×cosφ

Z''（f）=Z（f）×sinφ（2）其中Z'（f）为样品复阻抗的实部值，Z"（f）为样品复阻抗的虚部值，两者都是关于频率的函数。

3.3 恒温水浴系统

温度的变化会极大的影响样品溶液物性和电性参数。经测量，本实验中环境温度变化±10℃会导致样品溶液的阻抗值发生±1kΩ的变化。因此，为了避免温度的不稳定对实验数据造成影响，设计了恒温水浴系统对样品槽进行温度控制，保持实验进程中温度条件的稳定。

如图8所示，该循环水浴槽的中间部分为样品槽，以便用于样品的放置和搅拌，样品槽周围为45mm厚度的循环水浴槽，利用对水温的控制保证实验温度的稳定和控制。

通过HAAKE AC200水浴控制系统对循环水浴槽的水温进行控制，从而保证在整个实验过程中，样品阻抗不会受到外界温度变化的影响。

4 实验验证

为了验证所设计的测量装置具有一定的适用性，本文开展一系列实验对装置的重复性和稳定性进行检验。

4.1 重复性检验

在相同的实验条件下对阻抗进行重复测量，若实验数据具有一致性，则可验证该装置的测量具有良好的重复性。

本文采用蒸馏水、塔里木原油以及0.6含水率的油水乳状液作为实验样品，分两次对不同样品在静止（转速0r/min）和搅拌（转速500r/min）的条件下进行阻抗值的测量，将数据进行对比和分析。具体实验结果如图9所示。

从图中可以看出，在静止（转速0r/min）和搅拌（转速500r/min）两种状态下，纯水、纯油以及含水率为0.6的油水乳状液在两次测量中阻抗数据极为相近，利用origin软件分别同物质同转速下两次所测量的阻抗数据做相关性分析，得到各条件下两组数据之间的皮尔逊相关系数均大于0.999，证明数据具有较高的重复性，满足实验要求。

4.2 稳定性验证

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