李航

大慶油田設計院有限公司

電導率是表征物質傳送電流能力的物理量[1]，原油電導率是表征原油導電性的重要參數(shù)，它的大小直接影響原油電脫水過程中脫水電流的大小。由于脫水供電設備的輸出能力一定，脫水電流的大小會影響施加到介質上的有效脫水電壓的大小。原油電脫水過程中進入脫水電場的是低含水率原油乳狀液，準確測量其電導率數(shù)值并根據(jù)測量結果對電脫水器運行參數(shù)進行動態(tài)調整，可減少電脫水器垮電場次數(shù)，降低電脫水系統(tǒng)耗電量，增加系統(tǒng)運行平穩(wěn)性。由于不同含水率和化學成分的原油其電導率差別較大（10 pS/m～100 mS/m，約10 個數(shù)量級），給原油電導率的測量帶來較大難度。目前在用的工業(yè)電導率儀按其結構分為有電極式和電磁感應式兩大類[2]，只能對工業(yè)水、化學試劑、飲料等低黏度、高電導率樣品進行測量，無法實現(xiàn)對低含水率原油等低電導率液體試樣進行測量。

為此，設計了一種采用高壓電極對原油樣品施加高電壓，通過測量流過原油的微小電流對低含水率原油電導率測量的方法。

1 高壓電極法測試原理

電導率的測量方式通常有三種：超聲波電導率測量法、電極電導率測量法和電磁電導率測量法，后兩種測量方法應用更為普遍[3]。電極法實現(xiàn)方便，其原理是利用電阻測量值推算電導率[4]。本文采用電極法測量原油樣品的電阻，通過測量施加在原油試樣上的電壓和流過試樣的電流，計算出試樣的電阻，進而得到原油的電導率，是一種接觸式直接測量法。其測試原理如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of the test system

圖1 中，U0為高壓直流源，R0為限流電阻，Rx為待測原油試樣電阻，Ki為開關；Ui為輸入電壓；Uv為施加在電阻分壓器上的電壓；電阻分壓器用于測量試樣兩端的高壓，限流電阻主要防止高壓下試樣擊穿對測試系統(tǒng)造成損傷。通過測量施加在試樣上的電壓U0以及試樣流過的電流值Iv，按式（1）即可得出試樣的電導率：

式中：Rv為體積電阻，Ω·m；Iv為通過原油試樣的體積電流，A；ρv為原油試樣的體積電阻率，Ω·m；d為測試電極間的距離，m；S為電極的面積，m2；γ為原油試樣的電導率，S/m。

2 測試設備

2.1 測試儀

測試儀主要由主機箱和恒溫測試箱組成，整體結構如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)整體結構圖Fig.2 Overall structure diagram of the test system

主機箱主要由單片機控制系統(tǒng)（MCU）、高壓供電裝置、量程轉換單元、信號放大及采集單元、信號顯示單元、限流單元和數(shù)據(jù)通信單元等構成。其中高壓直流電源輸出電壓為0～5 kV，輸出穩(wěn)定度小于0.1%，時漂/溫漂小于0.05%；電流測試范圍為10 pA～100 mA，測試精度為10 pA；電導率測試范圍為10 pS/m～100 mS/m。主機箱內硬件系統(tǒng)總體框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)總體框圖Fig.3 Overall block diagram of the system

2.2 控制模塊

單片機系統(tǒng)為儀器控制系統(tǒng)的核心部件，主要用于自動升壓模塊、信號檢測模塊、數(shù)據(jù)輸入、輸出的控制，以及測試數(shù)據(jù)的運算處理工作。

（1）自動升壓模塊。自動升壓模塊由工頻220 V電源供電，通過整流、濾波后變成直流電，再經(jīng)逆變電路為交流電輸入（圖4）。

圖4 升壓模塊結構框圖Fig.4 Structure block diagram of the booster module

（2）信號檢測模塊。信號檢測模塊由直流電壓、電流測量及分壓器三部分組成（圖5）。

圖5 信號檢測模塊結構框圖Fig.5 Structure block diagram of the signal detection module

由于最大直流高壓值可達5 kV，因此采用了變比為1 000∶1的電阻分壓器對試樣兩端電壓進行測量，將分壓后的電壓信號進行A/D轉換后，數(shù)字信號進入單片機進行后續(xù)處理。

在與試樣上串聯(lián)的采樣電阻上提取電流信號后，進行信號放大及A/D 轉換，轉換后輸入單片機。

2.3 恒溫測試箱

恒溫測試箱由恒溫箱和測試電極組成。在實際測量過程中，溫度對測量結果有很大影響，被測樣品的電導率值隨溫度變化而變化[5]。當溫度升高時，兩極板間離子定向運動速度加快，電導率增大；反之，電導率減小[6]。生產(chǎn)現(xiàn)場的原油電脫水溫度一般為55 ℃，為準確測量出原油在實際電脫水過程中的電導率，需要對被測樣品進行溫度補償，為此，將電導率測試儀的測試電極杯放在恒溫箱中，模擬電脫水器運行溫度，以最大程度接近生產(chǎn)現(xiàn)場電脫水器運行溫度。

測量電導率的傳感器分為電感型傳感器[7]和電極型傳感器[8]，電極型傳感器體積小、測量準確、集成方便[9]。使用兩個平行電極板測量液體電導率具有測量便捷、原理簡單易懂，容易實現(xiàn)等優(yōu)點[10]。

測試電極主要由電極板、可視杯體、電極底座和快插引線構成（圖6）。測試電極為不銹鋼材質，分為上、下電極平行布置，極板間距10～20 mm 可調；可視杯體為高硼硅玻璃材質，盛裝試樣時可直接觀察試樣液面高度；電極底座為聚四氟乙烯材質；高壓引線從主機箱引至上極板，信號引線從下極板引出。

圖6 測試電極結構圖Fig.6 Structure diagram of the test electrode

3 測試過程

恒溫箱接通電源后打開開關，按照所需要的測試溫度設置恒溫箱溫度值（圖7）。生產(chǎn)現(xiàn)場原油脫水溫度為55 ℃。將待測樣品倒入電極杯中（圖8），擰緊杯蓋后放入恒溫箱中，將高壓電極插入信號引線孔，關閉恒溫箱門。

圖7 恒溫箱溫度設定Fig.7 Thermostat temperature setting

圖8 高壓電極杯Fig.8 High voltage electrode cup

單片機接通電源后進行初始化設置，完成初始化后可通過觸屏對極板間距、每檔電壓值以及每檔測試時間進行設置（圖9）。設置完成并保存后，按下啟動鍵接通高壓電源，完成升壓后，高壓直流電源在單片機控制下通過引線對試樣施加高壓電，根據(jù)設置的電壓值和測試時間對試樣的電壓、電流采樣測量，根據(jù)測試值進行曲線繪制，包括電流、電壓、伏安特性以及電阻率-電場強度曲線（圖10）。

圖9 主機箱設置界面Fig.9 Main box setting interface

圖10 主機箱顯示的電壓、電流伏安特性及電阻率-電場強度曲線Fig.10 Voltage，current volt-ampere characteristic and ρ-E curve displayed on the main box

系統(tǒng)自動檢測測量值是否在儀器量程范圍內，若測量值在量程范圍內，則斷開高壓完成測量，測量結果顯示在儀器觸屏顯示區(qū)；顯示結果清零后，可在操作面板上插入U 盤讀取測試數(shù)據(jù)（圖11）。若測試結果不在量程范圍內，儀器自動停止測量，顯示“不合格”（圖12）。

圖11 數(shù)據(jù)讀取界面Fig.11 Data reading interface

圖12 測試結果超量程顯示界面Fig.12 Test result overrange display interface

原油電導率測試儀能夠根據(jù)測試需要的溫度對樣品進行加熱，最大程度模擬原油處理過程中的真實環(huán)境，直觀顯示測量過程和結果。儀器測試流程見圖13。

圖13 測試流程Fig.13 Test process

4 測試儀器應用及結果分析

采用該儀器對大慶油田三元復合驅脫水站原油樣品電導率進行了跟蹤測試。在跟蹤測試中，部分站場達到了化學劑上返高峰期。由于化學劑濃度的變化，原油的電導率數(shù)值也有較大波動（圖14）。

圖14 三元復合驅脫水站原油電導率變化情況Fig.14 Electrical conductivity changes of crude oil in ASP flooding dehydrating station

跟蹤測試結果表明：1#站電脫水器進口樣品電導率在化學劑上返高峰期明顯高于其他站場，最高時達到了2.68 nS/cm，另外3 座站場電脫水器進口樣品的電導率在0.35 nS/cm 左右，1#站的原油電導率約為其他站場的8倍。在實際生產(chǎn)中，高電導率的原油進入電脫水器后，由于脫水電流過大，無法建立脫水電場。

根據(jù)測量的電導率數(shù)值，按照電脫水器極板面積計算所產(chǎn)生的電流情況見表1。

表1 計算結果Tab.1 Calculation results

從計算結果可得出，按脫水供電設備輸出能力及原油電導率計算，在電導率最高的時期1#站脫水電壓只能維持在2.2 kV 左右，遠低于15～20 kV 有效脫水電壓值，若施加20 kV脫水電壓所產(chǎn)生的脫水電流高達446 A，目前脫水供電設備無法承受。需從工藝角度，分析高電導率產(chǎn)生原因，通過改進處理工藝和優(yōu)化采出液藥劑實現(xiàn)原油的有效脫水。其余3 座站場原油電導率均在0.35 ns/cm，在設備容量范圍內能夠施加有效脫水電壓，均能建立有效脫水電場，3座站場的電脫水器運行情況均與計算結果相符合。

在1#站原油電導率升高階段，通過對原油樣品電導率的準確測量，為生產(chǎn)保障措施的制定提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

5 結論

（1）采用在原油中施加高電壓，測量流過原油的微小電流的方法，能夠準確測量低含水率原油電導率。

（2）通過對原油樣品電導率進行準確測量，能夠為分析介質物性對電脫水器運行情況的影響提供重要的參考依據(jù)，可以用于指導生產(chǎn)現(xiàn)場電脫水器運行管理，避免設備損壞。