論文題目：The mechanism of detecting water content in oil-water emulsions using impedance spectroscopy

發(fā)表期刊：Journal of Petroleum Science and Engineering, 2020 (JCR Q1,TOP期刊)

原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.petrol.2019.106863

作者列表：

1) 青美伊 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子信息工程系 博17

2) 梁華慶 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子信息工程系

文章簡(jiǎn)介

油水兩相流的含水率對(duì)管道流體的流型和壓降規(guī)律具有重要的影響。本文提出了一種基于阻抗譜測(cè)量技術(shù)的油水乳狀液含水率測(cè)量方法，對(duì)不同含水率的油水乳狀液進(jìn)行了測(cè)量，所提取的特征頻率與含水率呈現(xiàn)明顯的線(xiàn)性關(guān)系。同時(shí)，借助顯微觀(guān)測(cè)手段對(duì)乳狀液內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探析，得到的液滴對(duì)數(shù)平均粒徑隨含水率呈線(xiàn)性變化的規(guī)律，從微觀(guān)角度為阻抗測(cè)量方法的建立提供了理論基礎(chǔ)。本文從新的角度探究了阻抗譜測(cè)量方法在油水兩相流含水率測(cè)量中的應(yīng)用潛力，對(duì)石油儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)業(yè)中多相流的流體特性探析具有重要的意義。

背景與動(dòng)機(jī)

含水原油極易在管輸條件下受到來(lái)自湍流、閥門(mén)以及泵的剪切作用而形成具有一定穩(wěn)定性的油水乳狀液，這極大程度的改變了油水兩相流的有效黏度等物理性質(zhì)。其中，所形成乳狀液的含水率直接影響了油水兩相流的流體形態(tài)和壓降規(guī)律。

阻抗譜技術(shù)通過(guò)檢測(cè)介質(zhì)在交流電場(chǎng)下的阻抗響應(yīng)對(duì)物質(zhì)成分進(jìn)行檢測(cè)分析，近年來(lái)被廣泛的應(yīng)用于電化學(xué)腐蝕，材料成分分析等相關(guān)應(yīng)用中。由于原油和地層水的電性差異較大，導(dǎo)致不同含水率的乳狀液在交流電場(chǎng)下具有完全不同的阻抗響應(yīng)特性。因此阻抗譜測(cè)量技術(shù)在原油乳狀液含水率測(cè)量中具有非常大的應(yīng)用潛力和研究?jī)r(jià)值。

近年來(lái)，已經(jīng)有相關(guān)研究表明，原油乳狀液的阻抗譜參數(shù)，如弛豫頻率、電容、電阻等效電路元件參數(shù)能夠應(yīng)用于表征乳狀液的相含率信息。但尚未能建立明確的理論模型進(jìn)行機(jī)理上的解釋?zhuān)虼诵枰M(jìn)一步探究含水率對(duì)乳狀液阻抗響應(yīng)特征的影響規(guī)律及作用機(jī)理。

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文旨在從宏觀(guān)層面探究含水率對(duì)油包水型（W/O型）乳狀液阻抗性質(zhì)的影響規(guī)律，并從微觀(guān)角度查明含水率對(duì)其阻抗參數(shù)的影響機(jī)理。首先設(shè)計(jì)并搭建了一套較為完整的靜態(tài)原油乳狀液阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)25℃溫度環(huán)境下含水率為2.90-44.4%的油包水型穩(wěn)定乳狀液進(jìn)行一定頻率范圍內(nèi)的掃頻測(cè)量。

同時(shí)借助顯微觀(guān)測(cè)手段對(duì)W/O型乳狀液內(nèi)部的液滴分布特征進(jìn)行探析，查明含水率對(duì)其液滴分布函數(shù)的影響，基于物理角度解釋含水率對(duì)其阻抗性質(zhì)的影響規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 (a)不同含水率乳狀液的Nyquist圖; (b)37.5%含水率乳狀液在低頻段的Nyquist細(xì)節(jié)圖; (c) W/O型乳狀液的等效電路模型

如圖2(a)所示，原油乳狀液的實(shí)部’ - 虛部’’頻率響應(yīng)圖（即Nyquist圖）的阻抗曲線(xiàn)由一個(gè)高頻段“半圓”和低頻段斜角為π/4的“直線(xiàn)”相連而成。說(shuō)明乳狀液體系中只存在一個(gè)弛豫過(guò)程，基于此建立了以雙電子擴(kuò)散層容抗響應(yīng)（Cd - Rct - Zw）為主的等效電路模型對(duì)體系阻抗響應(yīng)特征進(jìn)行描述。值得注意的是，Nyquist圖中“連接點(diǎn)”所在頻率，即擴(kuò)散頻率fd隨含水率的增加而呈現(xiàn)明顯的線(xiàn)性增加，如圖3所示。

借助顯微觀(guān)測(cè)手段，從微觀(guān)角度為含水率對(duì)阻抗參數(shù)的線(xiàn)性關(guān)系進(jìn)行了理論驗(yàn)證。

從圖4的液滴分布形態(tài)圖可以看出，含水率的增加直接導(dǎo)致了液滴粒徑尺寸和密度的增加，且粒徑分布也隨之呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。如圖5所示，液滴粒徑分布的概率密度Log-normal函數(shù)中，用于表征對(duì)數(shù)平均值的參數(shù)μ與含水率存在線(xiàn)性相關(guān)性。這說(shuō)明液滴粒徑線(xiàn)性主要依賴(lài)于乳狀液中的含水率，這也是阻抗響應(yīng)特征與含水率具有相關(guān)性的直接原因。

本文的工作不僅明確了原油乳狀液阻抗參數(shù)與含水率之間存在的線(xiàn)性關(guān)系，并對(duì)此在微觀(guān)層面提供了機(jī)理上的解釋?zhuān)瑢?duì)進(jìn)一步探析管輸條件下原油多相流的流動(dòng)特性具有一定的意義。

作者簡(jiǎn)介

青美伊，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京），信息科學(xué)與工程學(xué)院 控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)。研究方向：管輸原油電學(xué)性質(zhì)分析，阻抗譜技術(shù)在原油儲(chǔ)運(yùn)中的應(yīng)用。聯(lián)系方式：Email: Maggie[email protected]

梁華慶，教授，中國(guó)石油大學(xué)（北京），信息科學(xué)與工程學(xué)院電子信息工程系，博士生導(dǎo)師，校級(jí)品牌課教師，中國(guó)電子教育學(xué)會(huì)信息與電子學(xué)科研究生教育委員會(huì)理事。主要研究方向：微弱信號(hào)檢測(cè)與處理、測(cè)控技術(shù)與石油儀器、油田自動(dòng)化。主持國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)子課題、北京市自然基金以及油田企業(yè)的橫向項(xiàng)目30多項(xiàng)，獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)6件，計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)10余項(xiàng)，獲省部級(jí)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，部級(jí)優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。發(fā)表論文50余篇，其中被SCI、EI檢索30余篇。聯(lián)系方式：Email：[email protected]