CN110672676A - 一种野外油池原油含水率测定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种野外油池原油含水率测定方法及装置，包括缠绕式电容传感器及AD转换单元、温度传感器、同步齿形带及其支撑架、步进电机及驱动器、传输线缆和总控单元，主控单元控制缠绕式电容传感器从油池底部自动升至油池液面高度，每次上升高度为缠绕式电容传感器的高度，在每一个高度位置上读取该位置的温度与电容传感器的电容值，对温度与电容进行三维数据查表得到每个高度点的含水率，得到油池中含水率分布曲线，将含水率分布曲线进行积分，得到油池总含水率，其中，表格标定数据为实验室在精确控制温度与含水率的情况下测得的电容值，三维数据查表时选用二次多项式线性插值的方法，得到精确的该温度下含水率分布曲线。

Description

一种野外油池原油含水率测定方法及装置

技术领域：

本发明属于石油化工仪表领域，特别涉及一种野外油池原油含水率测定方法及装置。

背景技术：

油井产液含水率对油田的开发具有重要的指导意义，直接影响原油的生产、计量、集输、净化等各环节的管理，因此，准确及时的测得原油在油池或油罐中的含水率，能够反映出油井的工作状态，对管理部门减少能耗，降低成本，实现油田自动化管理，起着重要作用。

目前，油田针对油井产液油含水率的分析和检测除手工化验法以外，在线检测方法主要有密度计法、γ射线法、电容法、短波法、射频法等，这些不同形式的原油含水率测试仪器，虽然取得了一定的效果，但由于油井产液的成份异常复杂，机械杂质、胶质、结蜡、结垢及腐蚀等因素不同程度的存在，导致其稳定性、准确性、可靠性及成本情况，不能满足中国油田生产要求，且野外环境较实验室环境更为复杂，稳定性要求更高，因此，针对我国原油生产的特点，研究原油含水率的检测的技术和方法，开发适用于我国原油含水率检测技术，具有重要的社会意义和经济价值，因此本发明新型提出一种野外油池原油含水率测定方法及装置。

发明内容：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种野外油池原油含水率测定方法及装置，解决了现有技术的缺点。

为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：

一种野外油池原油含水率测定装置，包括缠绕式电容传感器及AD转换单元、温度传感器、同步齿形带及其支撑架、步进电机及驱动器、传输线缆、总控单元，所述总控单元通过传输线缆电性连接有步进电机及驱动器，所述步进电机及驱动器通过同步齿形带及其支撑架传动连接有缠绕式电容传感器及AD转换单元和温度传感器，所述缠绕式电容传感器及AD转换单元和温度传感器之间电性连接。

一种野外油池原油含水率测定方法，包括野外油池原油含水率测定方法硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括主控单元、运动单元、传感器单元、数据采集单元，所述野外油池原油含水率测定方法及装置软件系统包括三维数据分步查表算法和总含水率算法，所述主控单元为工业计算机与显示器以及人机交互单元等，所述人机交互单元采用15英寸非触摸工业显示屏。

作为优选，所述运动单元为工业控制机、运动控制卡、电机驱动器、电机以及传感器单元，所述运动控制卡选用固高GTS-400，所述工业控制机的型号为研华IPC-610L-6011。

作为优选，所述传感器单元为缠绕式电容传感器和温度传感器，所述缠绕式电容传感器由细长导线与空心绝缘圆柱组成，所述缠绕式电容传感器由直径为1.5mm的细长导线围绕直径为15mm长度为100mm的空心绝缘圆柱缠绕形成双螺旋结构，空心绝缘圆柱直径为15mm长度为100mm所述温度传感器为具有-40℃～100℃工作温度区间的传感器，所述温度传感器安装于缠绕式电容传感器的空心绝缘圆柱内，所述温度传感器测头与圆柱端面位于同一平面。

作为优选，所述硬件系统包括电容电压转换电路以及AD转换单元，所述电容电压转换电路为电容式信号线性转换电压输出接口集成电路且带有一个内置的温度传感器，所述AD转换单元为电压采集模块，所述电容式信号线性转换电压输出接口集成电路采用CAV444集成电路。

作为优选，所述三维数据分步查表算法的具体操作步骤为：

第一步，得到当前温度下含水率与电容值的对应曲线：

设当前状态下测得温度x与电容值b，首先求得当前温度下含水率与电容值关系的分布曲线，继而由当前电容值得到含水率。设Xi<x<Xi+1<Xi+2，则温度x下不同含水率对应的电容值B{b0，b1，b2，…，bm}中：

1、温度Xi下不同含水率时测得的缠绕式电容传感器的电容值Bi{Bi0，Bi1，Bi2，…，Bim}，温度Xi+1下不同含水率时测得的缠绕式电容传感器的电容值Bi+1{B(i+1)0，B(i+1)1，B(i+1)2，…，B(i+1)m}，温度Xi+2下不同含水率时测得的缠绕式电容传感器的电容值Bi+2{B(i+2)0，B(i+2)1，B(i+2)2，…，B(i+2)m}；

2、以第0点含水率对应的电容值为例，温度Xi时电容值为Bi0，温度Xi+1时电容值为B(i+1)0，温度Xi+2时电容值为B(i+2)0，由数据点(Xi，Bi0)，(Xi+1，B(i+1)0)，(Xi+2，B(i+2)0)三点拟合二次多项式得到B＝c1X2+d1X+e1，其中c1、d1、e1为常量，将当前状态下测得温度x代入，得到温度x下不同含水率对应的电容值B中b0，同理可得，当前温度x下不同含水率对应的电容值B中其他点含水率对应的电容值。

第二步，得到当前电容值对应的含水率

由第一步得到当前温度x下不同含水率对应的电容值B{b0，b1，b2，…，bm}后，将实际测定得到的b进行查表，由于实验室标定区间无法控制较高精度的连续，因此会存在的情况，因此需要对含水率与电容值的对应点集合进行拟合曲线，由行业既定经验已知，随着含水率的增大，对应的电容值单调递增，因此，取当前电容值相近的三点拟合二次多项式曲线，保证数据的有效性与准确度，具体计算如下：

1、将电容值b进行查表得到：bj<b<bj+1<j+2，其中j为实验室标定时含水率的某个已知值；

2、由数据点(j，bj)、(j+1，bj+1)、(j+2，j+2)三点拟合二次多项式得到b’＝c2J2+d2J+e2，其中c2、d2、e2为常量，J为当前区间自变量含水率，b’为当前区间因变量电容值，将当前状态下测定得到的b进行代入，得到当前状态对应的含水率。

作为优选，所述总含水率算法的具体操作步骤为：

1、传感器长度为100mm，在该点取得的电容值为100mm厚度范围内含水率对应的电容值，在深度为L的油池中，测得的数据为间隔100mm的共计L/100个离散数据点，每个离散点对应油池中100mm厚度的含水率，鉴于油池中原油与水的分布为均匀分布，且上下具备连续性；

2、对于离散点集合进行曲线拟合以更接近油池中油水分布的实际情况，具体算法如下：第一步：曲线拟合，对于各离散点含水率MC{MC1，MC2，MC3，…，MCN}，(其中N等于L/100，向下取整)拟合曲线，取相邻点分布规律一致的原理，对MC每三点进行二次多项式拟合(保证拟合算法与查表算法保持一致)，得到H＝F(h)，其中h为油池中深度，H为深度为h时对应的含水率；第二步：曲线积分，对得到的H＝F(h)进行积分，得到整个油池的总含水率分布曲线，最后求均值得到该油池中平均含水率。

作为优选，所述野外油池原油含水率测定方法的操作步骤为：

步骤1：在实验室中进行不同温度下含水率与电容值关系的标定。由于本算法中三维数据分步查表算法、总含水率算法，经试验验证在实际测定时可以实现结果精度较实验室标定精度提高两倍以上，因此实验室标定取点时可依据实际情况进行选择。

步骤2：对测定装置进行启动，各单元初始化，传感器运动至油池底部；

步骤3：传感器单元对当前状态采集数据，并进行判断数据是否正常，是否上升继续采集；

步骤4：继续上升则上升100mm后重复步骤三，停止上升则进行下一步；

步骤5：数据采集完毕后对每一个状态点进行三维数据分步查表算法，得到油池中各个高度点上的含水率。

步骤6：对油池中各个高度点的含水率完成总含水率算法，得到本油池的平均含水率。

本发明的有益效果：

本发明主控单元控制缠绕式电容传感器从油池底部自动升至油池液面高度，每次上升高度为缠绕式电容传感器的高度，在每一个高度位置上读取该位置的温度与电容传感器的电容值，对温度与电容进行三维数据查表得到每个高度点的含水率，对每相邻的三个点的含水率进行二次多项式拟合，得到油池中含水率分布曲线，将含水率分布曲线进行积分，得到油池总含水率，其中，表格标定数据为实验室在精确控制温度与含水率的情况下测得的电容值，三维数据查表时选用二次多项式线性插值的方法，得到精确的该温度下含水率分布曲线。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明一种实施方式的野外油池原油含水率测定装置结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的电容式信号线性转换电压输出接口集成电路示意图；

图3为本发明一种实施方式的AD转换单元工作示意图；

图4为本发明一种实施方式的野外油池原油含水率测定方法流程图。

图中：1、缠绕式电容传感器及AD转换单元；2、温度传感器；3、同步齿形带及其支撑架；4、步进电机及驱动器；5、传输线缆；6、总控单元。

具体实施方式：

如图1-4所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种野外油池原油含水率测定装置，包括缠绕式电容传感器及AD转换单元1、温度传感器2、同步齿形带及其支撑架3、步进电机及驱动器4、传输线缆5、总控单元6，所述总控单元6通过传输线缆5电性连接有步进电机及驱动器4，所述步进电机及驱动器4通过同步齿形带及其支撑架3传动连接有缠绕式电容传感器及AD转换单元1和温度传感器2，所述缠绕式电容传感器及AD转换单元1和温度传感器2之间电性连接，所述温度传感器2采用PT100热电阻温度传感器，所述缠绕式电容传感器及AD转换单元1中的AD转换单元采用WP3066ADAM采集模块，所述步进电机及驱动器4选用2S420240步进电机及其驱动器。

一种野外油池原油含水率测定方法，包括野外油池原油含水率测定方法硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括主控单元、运动单元、传感器单元、数据采集单元，所述野外油池原油含水率测定方法及装置软件系统包括三维数据分步查表算法和总含水率算法，所述主控单元为工业计算机与显示器以及人机交互单元等，所述人机交互单元采用15英寸非触摸工业显示屏，工业计算机与显示器以及人机交互单元等，负责起始、结束与终止的管控以及数据处理与显示。

其中，所述运动单元为工业控制机、运动控制卡、电机驱动器、电机以及传感器单元，所述运动控制卡选用固高GTS-400，所述工业控制机的型号为IPC-610L-6011，工业控制机将运动命令发送至运动控制卡，运动控制卡解析运动命令后输出脉冲至电机驱动器，电机驱动器驱动电机旋转，通过同步带带动传感器单元进行上下运动。

其中，所述传感器单元为缠绕式电容传感器和温度传感器2，所述缠绕式电容传感器由细长导线与空心绝缘圆柱组成，所述缠绕式电容传感器由直径为1.5mm的细长导线围绕直径为15mm长度为100mm的空心绝缘圆柱缠绕形成双螺旋结构，所述温度传感器2为具有-40℃～100℃工作温度区间的传感器，所述温度传感器2安装于缠绕式电容传感器的空心绝缘圆柱内，所述温度传感器2测头与圆柱端面位于同一平面，保证测量的准确性。

其中，所述硬件系统包括电容电压转换电路以及AD转换单元，所述电容电压转换电路为电容式信号线性转换电压输出接口集成电路且带有一个内置的温度传感器，所述AD转换单元为电压采集模块，所述电容式信号线性转换电压输出接口集成电路采用CAV444集成电路，电容式信号线性转换电压输出接口集成电路，同时具有信号采集、处理和差分电压输出的功能，还带有一个内置的温度传感器，电容信号ΔCM(＝CM,max-CM,min)和输出电压是线性关系，这里CM,min是电容传感器CM的本底电容，CM,max是电容传感器的最大电容值，测量电容(传感器)作为内置的测量振荡器的电容器，通过对它充放电产生振荡周期，该振荡周期与测量电容大小成线性关系，通过频率/电压转换电路和低通滤波器最后输出一个直流电压信号，经过一个零点和满度可调的输出级得到所希望的电压信号输出值，输出电压与参考电压VREF(2.5V)之间成为差分电压输出。

其中，所述三维数据分步查表算法的具体操作步骤为：

第一步，得到当前温度下含水率与电容值的对应曲线：

设当前状态下测得温度x与电容值b，首先求得当前温度下含水率与电容值关系的分布曲线，继而由当前电容值得到含水率。设Xi<x<Xi+1<Xi+2，则温度x下不同含水率对应的电容值B{b0，b1，b2，…，bm}中：

1、温度Xi下不同含水率时测得的缠绕式电容传感器的电容值Bi{Bi0，Bi1，Bi2，…，Bim}，温度Xi+1下不同含水率时测得的缠绕式电容传感器的电容值Bi+1{B(i+1)0，B(i+1)1，B(i+1)2，…，B(i+1)m}，温度Xi+2下不同含水率时测得的缠绕式电容传感器的电容值Bi+2{B(i+2)0，B(i+2)1，B(i+2)2，…，B(i+2)m}；

2、以第0点含水率对应的电容值为例，温度Xi时电容值为Bi0，温度Xi+1时电容值为B(i+1)0，温度Xi+2时电容值为B(i+2)0，由数据点Xi，Bi0，Xi+1，B(i+1)0，Xi+2，B(i+2)0三点拟合二次多项式得到B＝c1X2+d1X+e1，其中c1、d1、e1为常量，将当前状态下测得温度x代入，得到温度x下不同含水率对应的电容值B中b0，同理可得，当前温度x下不同含水率对应的电容值B中其他点含水率对应的电容值。

第二步，得到当前电容值对应的含水率

由第一步得到当前温度x下不同含水率对应的电容值B{b0，b1，b2，…，bm}后，将实际测定得到的b进行查表，由于实验室标定区间无法控制较高精度的连续，因此会存在

的情况，因此需要对含水率与电容值的对应点集合进行拟合曲线，由行业既定经验已知，随着含水率的增大，对应的电容值单调递增，因此，取当前电容值相近的三点拟合二次多项式曲线，保证数据的有效性与准确度，具体计算如下：

1、将电容值b进行查表得到：bj<b<bj+1<j+2，其中j为实验室标定时含水率的某个已知值；

2、由数据点j，bj、j+1，bj+1、j+2，j+2三点拟合二次多项式得到b’＝c2J2+d2J+e2，其中c2、d2、e2为常量，J为当前区间自变量含水率，b’为当前区间因变量电容值，将当前状态下测定得到的b进行代入，得到当前状态对应的含水率。

其中，所述总含水率算法的具体操作步骤为：

1、传感器长度为100mm，在该点取得的电容值为100mm厚度范围内含水率对应的电容值，在深度为L的油池中，测得的数据为间隔100mm的共计L/100个离散数据点，每个离散点对应油池中100mm厚度的含水率，鉴于油池中原油与水的分布为均匀分布，且上下具备连续性；

2、对于离散点集合进行曲线拟合以更接近油池中油水分布的实际情况，具体算法如下：第一步：曲线拟合，对于各离散点含水率MC{MC1，MC2，MC3，…，MCN}，其中N等于L/100，向下取整拟合曲线，取相邻点分布规律一致的原理，对MC每三点进行二次多项式拟合保证拟合算法与查表算法保持一致，得到H＝Fh，其中h为油池中深度，H为深度为h时对应的含水率；第二步：曲线积分，对得到的H＝Fh进行积分，得到整个油池的总含水率分布曲线，最后求均值得到该油池中平均含水率。

其中，所述野外油池原油含水率测定方法的操作步骤为：

步骤1：在实验室中进行不同温度下含水率与电容值关系的标定。由于本算法中三维数据分步查表算法、总含水率算法，在实际测定时可以实现结果精度较实验室标定精度提高两倍以上，因此实验室标定取点时可依据实际情况进行选择。

步骤2：对测定装置进行启动，各单元初始化，传感器运动至油池底部；

步骤3：传感器单元对当前状态采集数据，并进行判断数据是否正常，是否上升继续采集；

步骤4：继续上升则上升100mm后重复步骤三，停止上升则进行下一步；

步骤5：数据采集完毕后对每一个状态点进行三维数据分步查表算法，得到油池中各个高度点上的含水率。

步骤6：对油池中各个高度点的含水率完成总含水率算法，得到本油池的平均含水率。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种野外油池原油含水率测定装置，其特征在于，包括缠绕式电容传感器及AD转换单元(1)、温度传感器(2)、同步齿形带及其支撑架(3)、步进电机及驱动器(4)、传输线缆(5)、总控单元(6)，所述总控单元(6)通过传输线缆(5)电性连接有步进电机及驱动器(4)，所述步进电机及驱动器(4)通过同步齿形带及其支撑架(3)传动连接有缠绕式电容传感器及AD转换单元(1)和温度传感器(2)，所述缠绕式电容传感器及AD转换单元(1)和温度传感器(2)之间电性连接。

2.一种野外油池原油含水率测定方法，其特征在于，包括野外油池原油含水率测定方法硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括主控单元、运动单元、传感器单元、数据采集单元，所述野外油池原油含水率测定方法及装置软件系统包括三维数据分步查表算法和总含水率算法，所述主控单元为工业计算机与显示器以及人机交互单元等，所述人机交互单元采用15英寸非触摸工业显示屏。

3.根据权利要求2所述的一种野外油池原油含水率测定方法，其特征在于：所述运动单元为工业控制机、运动控制卡、电机驱动器、电机以及传感器单元，所述运动控制卡选用固高GTS-400，所述工业控制机的型号为IPC-610L-6011。

4.根据权利要求2所述的一种野外油池原油含水率测定方法，其特征在于：所述传感器单元为缠绕式电容传感器和温度传感器(2)，所述缠绕式电容传感器由细长导线与空心绝缘圆柱组成，所述缠绕式电容传感器由直径为1.5mm的细长导线围绕直径为15mm长度为100mm的空心绝缘圆柱缠绕形成双螺旋结构，所述温度传感器(2)为具有-40℃～100℃工作温度区间的传感器，所述温度传感器(2)安装于缠绕式电容传感器的空心绝缘圆柱内，所述温度传感器(2)测头与圆柱端面位于同一平面。

5.根据权利要求2所述的一种野外油池原油含水率测定方法，其特征在于：所述硬件系统包括电容电压转换电路以及AD转换单元，所述电容电压转换电路为电容式信号线性转换电压输出接口集成电路且带有一个内置的温度传感器，所述AD转换单元为电压采集模块，所述电容式信号线性转换电压输出接口集成电路采用CAV444集成电路。

6.根据权利要求2所述的一种野外油池原油含水率测定方法，其特征在于：所述三维数据分步查表算法的具体操作步骤为：

第一步，得到当前温度下含水率与电容值的对应曲线：

设当前状态下测得温度x与电容值b，首先求得当前温度下含水率与电容值关系的分布曲线，继而由当前电容值得到含水率。设Xi<x<Xi+1<Xi+2，则温度x下不同含水率对应的电容值B{b0，b1，b2，…，bm}中：

1、温度Xi下不同含水率时测得的缠绕式电容传感器的电容值Bi{Bi0，Bi1，Bi2，…，Bim}，温度Xi+1下不同含水率时测得的缠绕式电容传感器的电容值Bi+1{B(i+1)0，B(i+1)1，B(i+1)2，…，B(i+1)m}，温度Xi+2下不同含水率时测得的缠绕式电容传感器的电容值Bi+2{B(i+2)0，B(i+2)1，B(i+2)2，…，B(i+2)m}；

2、以第0点含水率对应的电容值为例，温度Xi时电容值为Bi0，温度Xi+1时电容值为B(i+1)0，温度Xi+2时电容值为B(i+2)0，由数据点(Xi，Bi0)，(Xi+1，B(i+1)0)，(Xi+2，B(i+2)0)三点拟合二次多项式得到B＝c1X2+d1X+e1，其中c1、d1、e1为常量，将当前状态下测得温度x代入，得到温度x下不同含水率对应的电容值B中b0，同理可得，当前温度x下不同含水率对应的电容值B中其他点含水率对应的电容值；

第二步，得到当前电容值对应的含水率：

由第一步得到当前温度x下不同含水率对应的电容值B{b0，b1，b2，…，bm}后，将实际测定得到的b进行查表，由于实验室标定区间无法控制较高精度的连续，因此会存在

的情况，因此需要对含水率与电容值的对应点集合进行拟合曲线，由行业既定经验已知，随着含水率的增大，对应的电容值单调递增，因此，取当前电容值相近的三点拟合二次多项式曲线，保证数据的有效性与准确度，具体计算如下：

1、将电容值b进行查表得到：bj<b<bj+1<j+2，其中j为实验室标定时含水率的某个已知值；

2、由数据点(j，bj)、(j+1，bj+1)、(j+2，j+2)三点拟合二次多项式得到b’＝c2J2+d2J+e2，其中c2、d2、e2为常量，J为当前区间自变量含水率，b’为当前区间因变量电容值，将当前状态下测定得到的b进行代入，得到当前状态对应的含水率。

7.根据权利要求2所述的一种野外油池原油含水率测定方法，其特征在于：所述总含水率算法的具体操作步骤为：

1、传感器长度为100mm，在该点取得的电容值为100mm厚度范围内含水率对应的电容值，在深度为L的油池中，测得的数据为间隔100mm的共计L/100个离散数据点，每个离散点对应油池中100mm厚度的含水率，鉴于油池中原油与水的分布为均匀分布，且上下具备连续性；

2、对于离散点集合进行曲线拟合以更接近油池中油水分布的实际情况，具体算法如下：第一步：曲线拟合，对于各离散点含水率MC{MC1，MC2，MC3，…，MCN}，(其中N等于L/100，向下取整)拟合曲线，取相邻点分布规律一致的原理，对MC每三点进行二次多项式拟合(保证拟合算法与查表算法保持一致)，得到H＝F(h)，其中h为油池中深度，H为深度为h时对应的含水率；第二步：曲线积分，对得到的H＝F(h)进行积分，得到整个油池的总含水率分布曲线，最后求均值得到该油池中平均含水率。

8.根据权利要求2所述的一种野外油池原油含水率测定方法，其特征在于：所述野外油池原油含水率测定方法的操作步骤为：

步骤1：在实验室中进行不同温度下含水率与电容值关系的标定。由于本算法中三维数据分步查表算法、总含水率算法，在实际测定时可以实现结果精度较实验室标定精度提高两倍以上，因此实验室标定取点时可依据实际情况进行选择；

步骤2：对测定装置进行启动，各单元初始化，传感器运动至油池底部；

步骤3：传感器单元对当前状态采集数据，并进行判断数据是否正常，是否上升继续采集；

步骤4：继续上升则上升100mm后重复步骤三，停止上升则进行下一步；

步骤5：数据采集完毕后对每一个状态点进行三维数据分步查表算法，得到油池中各个高度点上的含水率；

步骤6：对油池中各个高度点的含水率完成总含水率算法，得到本油池的平均含水率。

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