CN113984793B - 防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置及防覆油积蜡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置及防覆油积蜡方法，在线检测装置包括探头、表头和表头连接件，表头连接件连接表头和探头并密封，探头安装在管道上，管道内的探头主体设有上下两层微波检测线，且分别连接高频电路板的两套微波检测单元，微波检测单元包括微波信号发生器和相位比较器；探头主体上在上下两层微波检测线之间设有加热装置，在上层微波检测线上方设有上层温度传感器，在下层微波检测线下方设有下层温度传感器；探头主体上还设有油温传感器，油温传感器、加热装置、上层温度传感器和下层温度传感器均连接在主电路板上；防覆油积蜡方法通过检测、预防、检测、去除的循环进行，达到既能防覆油积蜡也能尽量降低功耗的目的。

Description

防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置及防覆油积蜡方法

技术领域

本发明属于在线检测领域，具体涉及一种防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置及防覆油积蜡方法。

背景技术

原油含水率的在线检测是一个世界性的难题，尤其针对稠油或者含蜡量高的原油，在线检测更是非常困难。目前油田采用的很多方法，譬如电阻率法，电容法，射频衰减法以及微波法，这些传感器的探头都很容易被稠油覆盖住或者被积蜡覆盖住，造成测量误差增大甚至失效。

稠油和积蜡不仅是对在线式仪器有影响，对管道输送的影响也是长期存在的，尤其是在冬天，造成油田不得不采取降粘和除蜡的操作。一般油田采用的措施有：热洗、掺热水以及管道加热等。采取这些措施后，原油管道内的覆油和积蜡能清除，但是措施结束后时间一长又会造成覆油和积蜡。

此外，针对容易覆油积蜡的传感器，有的厂家采取机械装置对探头定时擦除的方式，但是机械结构复杂，容易出现机械故障，效果不明显，还有防爆的隐患。

因此对于原油含水率在线检测存在以下问题：(1)如何有效检测并判断出探头已经覆油或者积蜡；目前一般只能通过压力等其它参数来人为分析判断，把仪器或者其它设备拆下来验证；(2)如何预防探头覆油和积蜡，延长覆油和积蜡的周期；目前采取的一般都是从管道外面加热，功率大，热传导效率低，会出现管道外面很热，而管道内部温度没有太多变化的情况；(3)不依靠机械擦除，如何有效去除探头的覆油和积蜡；目前只能用定期热洗的办法，效率低，费用高，一个月或者更长时间才能热洗一次，而覆油积蜡可能只要几个小时或者几天就满了。

发明内容

本发明的目的是提供一种防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置及防覆油积蜡方法，通过多点温度检测和温差PWM控制，预防覆油积蜡，延长覆油积蜡周期；通过相位变化的分析，判断是否出现了严重的覆油积蜡，采取满功率加热，是探头尤其是微波检测线附近出现局部高温，使覆油积蜡融化并被冲刷走；从而起到良好的防覆油积蜡效果。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置，包括探头、表头和表头连接件，表头连接件连接表头和探头并密封，探头包括探头主体和探头连接法兰，通过探头连接法兰将探头主体安装在管道内，探头主体上设有上下两层微波检测线，微波检测线与管道内的原油和伴生气接触，且微波检测线顺着原油的流动方向布置，上下两层微波检测线均与高频电路板连接，高频电路板包括两套独立的微波检测单元，并分别与上下两层微波检测线信号连接，微波检测单元包括微波信号发生器和相位比较器；探头主体上还设有位于上下两层微波检测线之间的加热装置，在上层微波检测线的上方设有上层温度传感器，在下层微波检测线的下方设有下层温度传感器；探头主体上还设有油温传感器，油温传感器、加热装置、上层温度传感器和下层温度传感器均连接在主电路板上，主电路板根据温度信号输出PWM信号并经场效应管驱动加热装置，以及对高频电路板发送的两路相移信号进行解调处理，得到对应相移值，主电路板与表头电路板实时通讯。

所述的上下两层微波检测线分别安装在相应的陶瓷密封件内。

所述上下两层微波检测线分别设置有疏油疏水涂层。

所述加热装置为陶瓷加热片，其功率为20-25W。

所述上层温度传感器和下层温度传感器分别安装在对应的温度传感器固定槽内，并灌注导热硅胶进行固定。

所述油温传感器通过油温传感器密封套固定在油温传感器固定孔内，油温传感器密封套采用隔热材料制成。

所述的主电路板和高频电路板均安装在探头主体的探头内腔中。

原油含水率在线检测装置的防覆油积蜡方法，该方法用于所述的在线检测装置，包括预防措施和去除措施：

(1)预防措施：管道内油温低于原油的凝固点时，由主电路板进行PWM恒温差控制，输出PWM信号并经场效应管驱动陶瓷加热片，实现加热功率调节，使得上层温度传感器和下层温度传感器的平均值高于油温，以保持管道内原油的流动；

(2)去除措施：在预防措施效果不明显，导致管道内油温仍处于原油的凝固点以下时，通过微波检测线的相位变化判断探头上是否出现覆油积蜡现象，当探头未出现覆油积蜡时，抽油机上下行程中，微波检测线出现的相移变化范围由主电路板记录为Δ1，探头在实际工作时，抽油机上下行程中，微波检测线出现的相移变化范围由主电路板记录为Δ2，如果Δ2小于Δ1，就说明探头上出现覆油积蜡，此时由主电路板输出PWM信号并经场效应管驱动陶瓷加热片持续加热，直到Δ2等于Δ1，覆油积蜡现象消失，结束加热。

上述方法中，如果上层温度传感器和/或下层温度传感器的温度超过设定的保护温度，结束陶瓷加热片的加热，以确保***安全。

本发明的有益效果是：本发明通过多点温度检测，判断是否有探头覆油积蜡的可能性，在有覆油积蜡可能性的前提下，通过PWM温差控制，使微波传输线上温度及附近温度略高于原油温度和管道温度，使稠油不易在传输线上聚集或者积蜡，尽量延长覆油和积蜡的时间；通过微波检测线上的相位变化的检测，判断探头是否出现了覆油积蜡，是否达到了需要采取去除覆油积蜡的措施；满足需要采取去除覆油积蜡的措施后，通过满功率局部加热，使微波传输线附近温度超过稠油和积蜡的凝固点，直到融化后的覆油积蜡被冲刷走；通过检测→预防→检测→去除循环进行，达到既能防覆油积蜡也能尽量降低功耗的目的。

附图说明

图1为本发明所述防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置的结构侧视图。

图2为本发明所述防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置的结构正视图。

图3为本发明所述防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置与管道的安装示意图。

图4为本发明中高频电路板的原理框图。

图5为本发明中主电路板的原理框图。

图6为本发明探头主体上没有覆油积蜡情况下的微波检测线相移曲线。

图7为本发明探头主体上存在需要去除的覆油积蜡时的微波检测线相移曲线。

图8为本发明的恒温差控制***框图。

图中标记：1、探头主体；2、探头内腔；3、O型圈密封槽；4、探头安装法兰；5、表头连接件；6、安装螺纹；7、探头表头连接线；8、油温传感器连接线；9、油温传感器密封套；10、油温传感器；11、上层温度传感器固定槽；12、上层温度传感器；13、上层微波检测线；14、上层陶瓷密封件；15、陶瓷加热片固定槽；16、陶瓷加热片；17、下层微波检测线；18、下层陶瓷密封件；19、下层温度传感器固定槽；20、下层温度传感器；21、高频电路板；22、信号连接线；23、主电路板；24、表头；25、管道安装法兰；26、输油管道；27、管道内通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

实施例1：参照附图1、2所示，一种防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置主要包括三个部分，分别是探头、表头24和表头连接件5。表头连接件5用于连接表头24和探头，并密封，表头连接件5上部设有安装螺纹6，以便与表头螺纹连接，探头表头连接线7从表头连接件5中间穿过，并与主电路板23连接。探头包括探头主体1和探头安装法兰4，探头安装法兰4与输油管道26的管道安装法兰25连接，并通过O型密封圈加以密封，如图3所示；O型密封圈嵌设在探头主体1上靠近探头安装法兰4的O型密封圈槽3。探头主体1上设置两套微波检测***，每套微波检测***具有微波检测线，两套微波检测***中的两根微波检测线上下设置，分为上层微波检测线13和下层微波检测线17。微波检测线采用黄铜材质，表面喷砂后喷涂聚四氟乙烯疏油疏水材料。微波检测线嵌入陶瓷密封件，陶瓷密封件是非常良好的导热体，并起到密封微波检测线和探头主体1的作用，陶瓷密封件嵌设在探头主体1的侧面。微波检测线穿过陶瓷密封件和探头主体1后，焊接到高频电路板21上。探头安装在输油管道26内，管道内流经的原油和伴生气与微波检测线接触。探头主体1的侧面上，在上层陶瓷密封件14和下层陶瓷密封件18之间设有陶瓷加热片固定槽15，以安装陶瓷加热片16，陶瓷加热片16的功率为20-25W，陶瓷加热片16连接到主电路板23。上层陶瓷密封件14的上方开有上层温度传感器固定槽11，槽内固定上层温度传感器12，并灌有导热硅胶。下层陶瓷密封件18的下方开有下层温度传感器固定槽19，槽内固定下层温度传感器20，并灌有导热硅胶。上下层温度传感器都通过信号连接线连接到主电路板23。探头主体1上还设有油温传感器固定孔，通过油温传感器密封套9在油温传感器固定孔内固定并密封油温传感器10，油温传感器10通过油温传感器连接线8与主电路板23连接。油温传感器密封套9采用隔热性好的PEEK材料，避免陶瓷加热片16的温度传导到油温传感器10上，进而使得油温的测量更为准确。

探头主体1的探头内腔2安装所述的主电路板23和高频电路板21。为了实现与两个微波检测线连接，在高频电路板21上设置两套独立的微波检测单元，微波检测单元和相连接的微波检测线构成所述的微波检测***。微波检测单元包括微波信号发生器和相位比较器，微波信号发生器产生的微波信号输出到所连接的微波检测线的输入端，再从微波检测线的返回端返回高频电路板21。相位比较器通过对输出到微波检测线的信号和从微波检测线返回的信号进行相位比较，从而得到微波检测线上产生的位移信号。由于微波检测线分为上层微波检测线和下层微波检测线，因此得到的位移信号为相应的上层位移信号和下层位移信号。高频电路板21通过信号连接线22与主电路板23连接，所得的上层位移信号和下层位移信号传送到主电路板23的微控制器进行解调处理。附图4是高频电路板的电路原理框图。

微波检测线外侧接触到不同物质时，会产生不同程度的相移。相移的大小与接触物质的介电常数相关，由于伴生气的介电常数为1，纯油的介电常数为2.2，水的介电常数为80，所以通过相移检测，可以区分出接触到微波检测线的物质。因此，主电路板23的微控制器同时对高频电路板21送过来两路相移信号进行解调处理，得到对应相移值。主电路板23的微控制器通过探头表头连接线7跟表头电路板进行实时通讯，把数据上传表头电路板进行显示和输出。主电路板23的微控制器还可以根据三个温度传感器的温度信号，输出PWM信号并经场效应管驱动陶瓷加热片，实现0～100％的加热功率调节。附图5是主电路板的原理框图。

凝固点是原油的一个物理特性，当温度低于这个凝固点时，原油容易凝固。另外有些含蜡量高的原油同样也存在这样的凝固点，可以把覆油和积蜡都看成是同样一种现象。这个凝固点跟油品和含蜡量有关，凝固点低的原油叫稀油，粘度低，一般不容易粘附在探头上。凝固点高的原油叫稠油，粘度高，很容易粘附在探头上。这个凝固点温度一般为30～40℃。因此，很多油田的原油在夏天呈现稀油状态，而在冬天呈现稠油状态。

除了温度影响覆油积蜡以外，流速也是影响因素之一，流速慢则容易覆油积蜡。因此，我们将检测装置的探头安装在输油管道内可以对管道进行一定的阻挡，从而提高探头位置处的原油流速，而微波检测线安装时是顺着流速方向布置，可以利用原油流动的剪切力对微波检测线冲刷，并加上微波检测线上的疏油疏水涂层，可以减少覆油积蜡的可能性。

上述在线检测装置的结构中，主电路板23实时接收来自三个温度传感器的温度信号，分别是管道内原油温度、探头上层温度和探头下层温度。其中油温传感器10与探头的金属外壳之间有不导热的隔热材料密封，这样油温传感器的温度不会受到陶瓷加热片16加温的影响，更接近实际管内的温度。上层温度传感器12固定在上层微波检测线13的上方，下层温度传感器20固定在下层微波检测线17的下方，而陶瓷加热片16在上下层微波检测线中间。当陶瓷加热片16加热时，温度向周围散播。由于陶瓷密封件也是良导热体，因此陶瓷加热片16产生的温度能散播到上下层的微波检测线上，上层温度传感器12检测到的温度与上层微波检测线13上的温度比较接近。下层温度传感器20检测到的温度也与下层微波检测线17的温度接近。

实施例2：利用上述在线检测装置在检测管道内原油含水率时，探头上防覆油积蜡方法包括预防措施和去除措施，并按照检测、预防、检测、去除的循环进行，从而达到既能防覆油积蜡也能尽量降低功耗的目的。

(1)预防措施，当主电路板23检测到管内油温超过原油凝固点时，可以不采取去除措施。当油温低于凝固点时，则按照附图7的***框图进行PWM恒温差控制，驱动陶瓷加热片16加热，使得探头上下层温度的平均值Ta保持高于油温To，且高出的温度差可以设定，一般为5℃。因此，微波检测线上的温度始终高于油温，管内始终保持原油的流动，就使得原油不容易在探头上聚集，延长了覆油积蜡的时间周期，从而起到预防作用。从附图8中可以看出，原油的流速和含水率，也是影响油温To和上下层平均温度Ta的影响因素。通过主电路板23上微控制器的控制，实现温差的自动调节，如果流速含水率大，带走的热量就多，温差就变小，微控制器则提高PWM输出的占空比，陶瓷加热片的加热功率提高，继续保持温差在一定控制范围。

(2)去除措施，在预防措施效果不明显，导致管道内油温仍处于原油的凝固点以下时，通过微波检测线的相位变化判断探头上是否出现覆油积蜡现象。

正常情况下，原油的含水率是周期变化的，变化的周期跟抽油机的冲程冲次有关。由于原油一般都含有伴生气，因此气体也会对含水率产生周期性的影响。譬如抽油机处于上行程往地面上抽油时，液体流量大，流经探头的含水率较高。而抽油机处于下行程时，液体流量变小，气体容易通过探头，使得流经探头的含水率变低。当探头附近的含水率越高，微波检测线上出现的相移越大。这个变化可以通过附图6体现出来。

探头上粘附原油，肯定含水率不高，积蜡更是一种低含水率的物质。如果探头出现了一定程度的覆油积蜡，就是微波检测线上固定残留了一定的低含水原油，使得微波检测线上的相移范围变小，如图7所示。

主电路板23可以实时检测上下层微波检测线的相移变化，当探头未出现覆油积蜡时，抽油机上下行程中，微波检测线出现的相移变化范围由主电路板记录为Δ1，探头在实际工作时，抽油机上下行程中，微波检测线出现的相移变化范围由主电路板记录为Δ2，如果Δ2小于Δ1，就说明探头上出现覆油积蜡，此时采用去除措施，由主电路板输出PWM信号并经场效应管驱动陶瓷加热片持续满功率加热，直到Δ2等于Δ1，覆油积蜡融化并被冲刷走，结束加热。

为了安全起见，如果上层温度传感器12和/或下层温度传感器20的温度超过设定的保护温度，结束陶瓷加热片的加热。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置，包括探头、表头和表头连接件，表头连接件连接表头和探头并密封，其特征在于：探头包括探头主体和探头连接法兰，通过探头连接法兰将探头主体安装在管道内，探头主体上设有上下两层微波检测线，微波检测线与管道内的原油和伴生气接触，且微波检测线顺着原油的流动方向布置，上下两层微波检测线均与高频电路板连接，高频电路板包括两套独立的微波检测单元，并分别与上下两层微波检测线信号连接，微波检测单元包括微波信号发生器和相位比较器；探头主体上还设有位于上下两层微波检测线之间的加热装置，在上层微波检测线的上方设有上层温度传感器，在下层微波检测线的下方设有下层温度传感器；探头主体上还设有油温传感器，油温传感器、加热装置、上层温度传感器和下层温度传感器均连接在主电路板上，主电路板根据温度信号输出PWM信号并经场效应管驱动加热装置，以及对高频电路板发送的两路相移信号进行解调处理，得到对应相移值，主电路板与表头电路板实时通讯。

2.根据权利要求1所述的防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置，其特征在于：所述的上下两层微波检测线分别安装在相应的陶瓷密封件内。

3.根据权利要求1所述的防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置，其特征在于：所述上下两层微波检测线分别设置有疏油疏水涂层。

4.根据权利要求1所述的防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置，其特征在于：所述加热装置为陶瓷加热片，其功率为20-25W。

5.根据权利要求1所述的防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置，其特征在于：所述上层温度传感器和下层温度传感器分别安装在对应的温度传感器固定槽内，并灌注导热硅胶进行固定。

6.根据权利要求1所述的防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置，其特征在于：所述油温传感器通过油温传感器密封套固定在油温传感器固定孔内，油温传感器密封套采用隔热材料制成。

7.根据权利要求1所述的防覆油积蜡的原油含水率在线检测装置，其特征在于：所述的主电路板和高频电路板均安装在探头主体的探头内腔中。

8.原油含水率在线检测装置的防覆油积蜡方法，其特征在于，该方法用于如权利要求1～7任一项所述的在线检测装置，包括预防措施和去除措施：

(1)预防措施：管道内油温低于原油的凝固点时，由主电路板进行PWM恒温差控制，输出PWM信号并经场效应管驱动陶瓷加热片，实现加热功率调节，使得上层温度传感器和下层温度传感器的平均值高于油温，以保持管道内原油的流动；

(2)去除措施：在预防措施效果不明显，导致管道内油温仍处于原油的凝固点以下时，通过微波检测线的相位变化判断探头上是否出现覆油积蜡现象，当探头未出现覆油积蜡时，抽油机上下行程中，微波检测线出现的相移变化范围由主电路板记录为Δ1，探头在实际工作时，抽油机上下行程中，微波检测线出现的相移变化范围由主电路板记录为Δ2，如果Δ2小于Δ1，就说明探头上出现覆油积蜡，此时由主电路板输出PWM信号并经场效应管驱动陶瓷加热片持续加热，直到Δ2等于Δ1，覆油积蜡现象消失，结束加热。

9.根据权利要求8所述的原油含水率在线检测装置的防覆油积蜡方法，其特征在于，如果上层温度传感器和/或下层温度传感器的温度超过设定的保护温度，结束陶瓷加热片的加热。

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