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

發表期刊：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 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院 電子信息工程系 博17

2) 梁華慶 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院 電子信息工程系

文章簡介

油水兩相流的含水率對管道流體的流型和壓降規律具有重要的影響。本文提出了一種基于阻抗譜測量技術的油水乳狀液含水率測量方法，對不同含水率的油水乳狀液進行了測量，所提取的特征頻率與含水率呈現明顯的線性關系。同時，借助顯微觀測手段對乳狀液內部結構進行探析，得到的液滴對數平均粒徑隨含水率呈線性變化的規律，從微觀角度為阻抗測量方法的建立提供了理論基礎。本文從新的角度探究了阻抗譜測量方法在油水兩相流含水率測量中的應用潛力，對石油儲運產業中多相流的流體特性探析具有重要的意義。

背景與動機

含水原油極易在管輸條件下受到來自湍流、閥門以及泵的剪切作用而形成具有一定穩定性的油水乳狀液，這極大程度的改變了油水兩相流的有效黏度等物理性質。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和壓降規律。

阻抗譜技術通過檢測介質在交流電場下的阻抗響應對物質成分進行檢測分析，近年來被廣泛的應用于電化學腐蝕，材料成分分析等相關應用中。由于原油和地層水的電性差異較大，導致不同含水率的乳狀液在交流電場下具有完全不同的阻抗響應特性。因此阻抗譜測量技術在原油乳狀液含水率測量中具有非常大的應用潛力和研究價值。

近年來，已經有相關研究表明，原油乳狀液的阻抗譜參數，如弛豫頻率、電容、電阻等效電路元件參數能夠應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行機理上的解釋，因此需要進一步探究含水率對乳狀液阻抗響應特征的影響規律及作用機理。

設計與實現

本文旨在從宏觀層面探究含水率對油包水型（W/O型）乳狀液阻抗性質的影響規律，并從微觀角度查明含水率對其阻抗參數的影響機理。首先設計并搭建了一套較為完整的靜態原油乳狀液阻抗譜測量系統，對25℃溫度環境下含水率為2.90-44.4%的油包水型穩定乳狀液進行一定頻率范圍內的掃頻測量。

同時借助顯微觀測手段對W/O型乳狀液內部的液滴分布特征進行探析，查明含水率對其液滴分布函數的影響，基于物理角度解釋含水率對其阻抗性質的影響規律。

實驗結果

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細節圖; (c) W/O型乳狀液的等效電路模型

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

借助顯微觀測手段，從微觀角度為含水率對阻抗參數的線性關系進行了理論驗證。

從圖4的液滴分布形態圖可以看出，含水率的增加直接導致了液滴粒徑尺寸和密度的增加，且粒徑分布也隨之呈現規律性的變化。如圖5所示，液滴粒徑分布的概率密度Log-normal函數中，用于表征對數平均值的參數μ與含水率存在線性相關性。這說明液滴粒徑線性主要依賴于乳狀液中的含水率，這也是阻抗響應特征與含水率具有相關性的直接原因。

本文的工作不僅明確了原油乳狀液阻抗參數與含水率之間存在的線性關系，并對此在微觀層面提供了機理上的解釋，對進一步探析管輸條件下原油多相流的流動特性具有一定的意義。

作者簡介

青美伊，博士，中國石油大學（北京），信息科學與工程學院 控制理論與控制工程專業。研究方向：管輸原油電學性質分析，阻抗譜技術在原油儲運中的應用。聯系方式：Email: Maggie.QMY@outlook.com

梁華慶，教授，中國石油大學（北京），信息科學與工程學院電子信息工程系，博士生導師，校級品牌課教師，中國電子教育學會信息與電子學科研究生教育委員會理事。主要研究方向：微弱信號檢測與處理、測控技術與石油儀器、油田自動化。主持國家科技重大專項子課題、北京市自然基金以及油田企業的橫向項目30多項，獲國家發明專利授權6件，計算機軟件著作權10余項，獲省部級技術發明一等獎1項，部級優秀教學成果二等獎1項、三等獎1項。發表論文50余篇，其中被SCI、EI檢索30余篇。聯系方式：Email：hqliang@cup.edu.cn

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