基于阻抗谱技术的原油乳状液含水率测量机理及方法研究
论文题目：The mechanism of detecting water content in oil-water emulsions using impedance spectroscopy
发表期刊：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 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 电子信息工程系 博17
2) 梁华庆 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 电子信息工程系
文章简介
油水两相流的含水率对管道流体的流型和压降规律具有重要的影响。本文提出了一种基于阻抗谱测量技术的油水乳状液含水率测量方法，对不同含水率的油水乳状液进行了测量，所提取的特征频率与含水率呈现明显的线性关系。同时，借助显微观测手段对乳状液内部结构进行探析，得到的液滴对数平均粒径随含水率呈线性变化的规律，从微观角度为阻抗测量方法的建立提供了理论基础。本文从新的角度探究了阻抗谱测量方法在油水两相流含水率测量中的应用潜力，对石油储运产业中多相流的流体特性探析具有重要的意义。
背景与动机
含水原油极易在管输条件下受到来自湍流、阀门以及泵的剪切作用而形成具有一定稳定性的油水乳状液，这极大程度的改变了油水两相流的有效黏度等物理性质。其中，所形成乳状液的含水率直接影响了油水两相流的流体形态和压降规律。
阻抗谱技术通过检测介质在交流电场下的阻抗响应对物质成分进行检测分析，近年来被广泛的应用于电化学腐蚀，材料成分分析等相关应用中。由于原油和地层水的电性差异较大，导致不同含水率的乳状液在交流电场下具有完全不同的阻抗响应特性。因此阻抗谱测量技术在原油乳状液含水率测量中具有非常大的应用潜力和研究价值。
近年来，已经有相关研究表明，原油乳状液的阻抗谱参数，如弛豫频率、电容、电阻等效电路元件参数能够应用于表征乳状液的相含率信息。但尚未能建立明确的理论模型进行机理上的解释，因此需要进一步探究含水率对乳状液阻抗响应特征的影响规律及作用机理。
设计与实现
本文旨在从宏观层面探究含水率对油包水型（W/O型）乳状液阻抗性质的影响规律，并从微观角度查明含水率对其阻抗参数的影响机理。首先设计并搭建了一套较为完整的静态原油乳状液阻抗谱测量系统，对25℃温度环境下含水率为2.90-44.4%的油包水型稳定乳状液进行一定频率范围内的扫频测量。
图1 同轴双圆柱电极原油乳状液阻抗测量系统
同时借助显微观测手段对W/O型乳状液内部的液滴分布特征进行探析，查明含水率对其液滴分布函数的影响，基于物理角度解释含水率对其阻抗性质的影响规律。
实验结果
图2 (a)不同含水率乳状液的Nyquist图; (b)37.5%含水率乳状液在低频段的Nyquist细节图; (c) W/O型乳状液的等效电路模型
如图2(a)所示，原油乳状液的实部’ - 虚部’’频率响应图（即Nyquist图）的阻抗曲线由一个高频段“半圆”和低频段斜角为π/4的“直线”相连而成。说明乳状液体系中只存在一个弛豫过程，基于此建立了以双电子扩散层容抗响应（Cd - Rct - Zw）为主的等效电路模型对体系阻抗响应特征进行描述。值得注意的是，Nyquist图中“连接点”所在频率，即扩散频率fd随含水率的增加而呈现明显的线性增加，如图3所示。
图3 乳状液扩散频率fd随含水率的变化趋势
借助显微观测手段，从微观角度为含水率对阻抗参数的线性关系进行了理论验证。
图4 乳状液微观结构形态及液滴分布概率密度函数
从图4的液滴分布形态图可以看出，含水率的增加直接导致了液滴粒径尺寸和密度的增加，且粒径分布也随之呈现规律性的变化。如图5所示，液滴粒径分布的概率密度Log-normal函数中，用于表征对数平均值的参数μ与含水率存在线性相关性。这说明液滴粒径线性主要依赖于乳状液中的含水率，这也是阻抗响应特征与含水率具有相关性的直接原因。
图5 乳状液滴粒径概率密度分布与含水率相关关系
本文的工作不仅明确了原油乳状液阻抗参数与含水率之间存在的线性关系，并对此在微观层面提供了机理上的解释，对进一步探析管输条件下原油多相流的流动特性具有一定的意义。
作者简介
青美伊，博士，中国石油大学（北京），信息科学与工程学院 控制理论与控制工程专业。研究方向：管输原油电学性质分析，阻抗谱技术在原油储运中的应用。联系方式：Email: Maggie.QMY@outlook.com
梁华庆，教授，中国石油大学（北京），信息科学与工程学院电子信息工程系，博士生导师，校级品牌课教师，中国电子教育学会信息与电子学科研究生教育委员会理事。主要研究方向：微弱信号检测与处理、测控技术与石油仪器、油田自动化。主持国家科技重大专项子课题、北京市自然基金以及油田企业的横向项目30多项，获国家发明专利授权6件，计算机软件著作权10余项，获省部级技术发明一等奖1项，部级优秀教学成果二等奖1项、三等奖1项。发表论文50余篇，其中被SCI、EI检索30余篇。联系方式：Email：hqliang@cup.edu.cn