原油含水率測量技術現狀分析

呂高峰，吳 明，張金華，滿立麗

（1. 遼寧石油化工大學, 遼寧 撫順 113001； 2. 大慶油田有限責任公司， 黑龍江 大慶 163414）

原油含水率測量技術現狀分析

呂高峰1，吳 明1，張金華1，滿立麗2

（1. 遼寧石油化工大學, 遼寧 撫順 113001； 2. 大慶油田有限責任公司， 黑龍江 大慶 163414）

在原油的開采、計量、集輸、銷售等環節中，原油的含水率和產量都是影響原油生產的重要參數，因此，原油含水率的測量準確性十分重要。介紹了目前使用的幾種原油含水率測量方法的原理和相關產品，并分別分析了其優勢和不足,以及原油含水率測量技術的發展趨勢，為油田自動化生產提供理論支持。

原油； 含水率； 測量技術

原油含水率在原油的開采，計量，集輸，銷售等各個環節都有著重要的影響，并且值是隨時變化的，因此，原油含水率是油田生產和油品運輸過程中的重要指標，要求其值的測量要盡量精確。這不僅關系到油田的開發壽命還關系到企業的經濟效益問題。原油含水率的測量也一直是研究的重點。目前，測量原油含水率的方式主要有人工測量和在線儀器檢測兩種。主要方法有：蒸餾法，電脫法，卡爾?費休法，密度法，射線法、短波吸收法、微波法、電容法，射頻法，紅外光譜法和超聲波法等等[1]。

1 原油含水率測量技術的現狀

1.1 傳統檢測方法

傳統方法包括電脫法和蒸餾法，前者測量操作方法比較簡單，但準確度不高。蒸餾方法比前者在精度上有所提高，但是不足也是十分明顯的：取樣隨機性大；代表性不強；且取樣油流不連續，無法進行在線測量，不能滿足自動化管理的要求；耗費時間與人力，測量程序包括取樣、加熱、分析等步驟，完成一個樣品的分析需要約2 h的時間[2]。傳統的測量方法無法實現在線連續測量，而且取樣時間長，隨機性誤差和人為誤差都很大，并無法避免，很顯然無法滿足油田實現自動化管理的需求。

1.2 卡爾?費修法

測量微量含水油品（含水量在2×10-4以下）的含水率值可用卡爾?費修法。經典的卡爾費修反應原理如下：

在水存在時，即樣品中的水與卡爾費休試劑中的SO2與I2產生氧化還原反應。生成硫酸吡啶；生成硫酸酐吡啶不穩定，能與水發生反應，消耗一部分水而干擾測定，為了使它穩定，我們可加無水甲醇。反應生成甲基硫酸吡啶，通過雙鉑電極能確定反應終點。根據化學反應方程式和物質守恒定律，測定出卡氏試劑的體積的消耗量，就能計算出樣品中的含水率值。國際標準化組織把這個方法定為國際標準測微量水分，我們國家也把這個方法定為國家標準測微量水分。卡爾費休法不僅可測得樣品中的自由水，而且可測出結合水，即此法測得結果更客觀地反映出樣品中總水分含量。

1.3 密度計法

此方法是根據油水混合液的總質量等于其中所含純油和純水質量之和的公式推出，即

故原油體積比含水率為：

純油與純水的密度oρ、wρ為已知，故密度只是體積比含水率的單值函數。

該法一般應用與震動管液體密度計或科氏力質量流量計，能連續測量兩相分離器中排出的油水混合液的密度用以計算含水率的值，應用密度原理測量原油含水率的誤差主要來源于幾個方面：（1） 壓力和溫度的影響,主要受到溫度變送器和壓力變送器的準確度的影響；（2） 水質礦化的影響；水中的礦化程度較高易使密度計等裝置表面結垢，影響測量精度和儀器使用壽命，此現象多見于高含水的原油；（3） 泥沙和溶解氣等雜質的影響；主要表現為“氣增油”和“砂吃油”現象，最終會導致得出的混合密度值有誤差，進而影響測量的精度[3]。

1.4 射線法

測量原理:原油和地下水對相同強度的 射線的線性吸收系數是不同的，應用此原理即可計算出原油中含水率的大小。

當強度為N0的γ射線束穿過厚度為x的介質時，它衰減后的強度Nx為：

式中：Nx——γ射線束穿過厚度為x的介質后的強度, MeV；

u—— 介質對γ射線的吸收系數；

N0——γ射初始強度, MeV；

ux—— 水和原油的相組分比；

x—— 介質厚度，mm。

介質厚度x一定時，強度N僅與介質的吸收系數u有關。吸收系數u與γ射線的能量有關；當射線的能量一定時，它取決于介質的性質。水的吸收系數uw大于油的吸收系數uo，即原油對γ射線的吸收能力大于水對γ射線的吸收能力。油水混合物的吸收系數為等效吸收系數，表示該混合物對γ射線的吸收能力。而ux取決于水和原油的相組分比。只要測定了Nx的值，即可求得ux值，從而計算出油和水的相組分比，即為油水混合物的含水率。

射線法的優點是非接觸式，可用于在線測量儀表，連續性好，產品有FDH?1型原油含水率自動檢測儀，CHINA?AMERICA?TECHNOLOGY公司的產品就是根據以上原理測定原油中的水及氣體含量的。此類含水分析儀調試過程比較簡單,并且可以同時進行介質含氣率的測量。缺點是內含放射源,雖然能量強度較低,但也會對人體造成傷害[4-5]。

1.5 短波法

測量原理:油和水對短波的吸收能力是不同的，根據油和水的此項參數性質可測得油水混合物中的含水率。

電能以電磁波的形式輻射到油水混合物的介質表面，通過介質時會被吸收一部分。因此，電磁波的出射能量與入射能量相比會減小。這種能量的減少可以用朗伯貝爾定律來描述。如下式：

油水乳化液中，上式可變為：

式中：N0——原油分子數,個；

Nw——水分子數，個；

u0——原油吸收系數；

uw——水吸收系數。

說明電磁波的入射強度與容器里油品含水成指數規律變化，短波法測含水率就是基于此原理。

短波吸收法不受溫度和壓力和介質的粘度，密度等因素影響，測量范圍沒有限制，還可以測量瞬時含水率，但此原理的含水分析儀在介質狀態從油包水轉化為水包油時，其測量的特性曲線上會出現一個拐點，這就要求在調試過程中找準此拐點，否則會影響測量精度。另外，這種儀表不適合于氣體含量較高的介質[6-7]。

1.6 微波法

測量原理:水對微波的吸收能力十分顯著，根據此原理采用微波反射式結構，將油水混合物中由水分子產生的微波衰減量轉化為可見的電流信號輸出，即可建立電流與含水率之間的關系，進而測得含水率[8]。David?J?C等研究了微波法測量多相混合物中含氣率和含水率[9]。David?J?C利用微波和無線電射頻的傳播特性研制了微波海底原油分析儀,可用于實時測量。Marelli?J?D開發的微波含水率檢測儀可準確測量油水混合物中的任意含水率值,即使在流體特性發生改變或含水率高達 25%時,也能夠正常工作。

該系統已用于海洋管道的測量,其輸出值可采用現有的通信網絡,如SCASA系統等,但不適用于含氣率太大的情況。并且微波法由于采用了微波技術，對使用和維護都造成了困難[10]。

1.7 電容法

測量原理:油和水的介電常數不同，并且差距很大，電容發就是利用油和水的這個參數特點來測定含水率大小的。油中含水量增加會導致介電常數增大，而兩極板間的電容就會隨之增高，就會進而改變振蕩頻率，通過測量振蕩頻率就可以測得介質的含水率值。

電容法應用于井下測量時，傳感器表面都包有絕緣金屬內電極和金屬外殼，但是按工作方法不同，電容含水率儀又可分為取樣式(集流)、自動取樣式(非集流)、過流式(集流和非集流)等幾種，這幾種電容含水率計的輸入——輸出關系、含水率測量范圍、測量精度以及傳感器的適用范圍也有顯著差異[11]。

在當今檢測領域中，電容式傳感器以其靈敏度高，結構簡單，對工作環境要求不高等優點而被廣泛使用。但一般來說電容式傳感器的電容量很小，寄生電容和外界環境的變化都會影響到電容傳感器的精度。解決方法就是加快研發多種傳感器的融合技術來提高測量精度。

1.8 射頻法

利用電容傳感器測量原油含水率有很多方法，其中就包括射頻法，即射頻電容式傳感器法。

測量原理:油品是由多種碳氫化合物混合而成，屬于非極性介質，其介電常數大約為2.3，純水是極性分子，由水分子組成的液態水為極性電介質，其介電常數約為80，兩者相差非常大，所以油品中含水量的變化將對含水重油的介電常數產生顯著地變化，即：當射頻信號傳到介質為油水混合物的電容式射頻傳感器時，其負載阻抗會隨著混合物中不同的油水比而變化，這就是射頻法的物理基礎[12]。原理圖如圖1。

1.9 紅外光譜法

測量原理：含水原油中,水分子和原油成分中的C—H鍵對近紅外光的吸收帶是不同的,如表1所示。

圖1 射頻電容式傳感器原理圖Fig.1 Principle diagram of RF capacitor sensor

表1 C-H鍵和水在近紅外段的吸收帶[13-14]Table 1 Absorption band of C-H bond and water in the near infrared μm

根據光的吸收原理,當單色的平行光束通過均勻媒質時,被吸收的光能與吸收光的分子數有關[15]。即與該物質在媒質中的濃度有關，有

式中：A(λ) —— 與濃度無關的常數；

C—— 被測物質的濃度, mol/L；

L—— 被測媒質的厚度, mm。

美國PI公司開發的紅眼含水測量儀，就是利用上述原理設計的一種先進的含水率測量儀器。

近紅外光譜法的分析速度快，2 m內就可以完成測量；效率高，并預先建立校正模型，就可以迅速確定樣品性質和組成等信息；成本低，不用對樣本作預處理，能做到無損分析；對測量環境要求低，近紅外光的傳導特性與可見光基本類似，采用光纖即可實現在線現場分析。但是近紅外技術的靈敏度相對較低，因為分子的非諧振吸收躍遷幾率低，通常倍頻吸收和組頻吸收強度是基頻吸收的 1/10～1/10 000，有時不能達到組分測量所要求的0.1%；此外，近紅外光譜法屬于一種間接測量方法，模型的精度和校正方法的效率都會影響測量精度[16-17]。

1.10 超聲波法

超聲波是頻率高于20 000 Hz的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在液體中傳播距離遠，可用于測距，測速，清洗等。聲波傳播速度決定于流體性質，因此超聲技術也可以應用于原油含水率的測量。

測量原理：在生物媒質組分定征中，認為生物組織主要是由水，脂肪，蛋白質等組成，各組分滿足混合假設(各組分之間不存在相互作用, 各組分之間互不相溶)的條件下, 混合前后體積不變，即有Sehgal聲速混合定則[18]

式中：Xi—— 第i種組分的體積含量；

Ci—— 第i種組分中的聲速，m/s；

C—— 混合流體中的聲速值,m/s。

對油水兩相混合的流體，在滿足理想混合假設條件下，可得到含水率x的表達式為：

式中：C1—— 混合前的油的聲速值,m/s；

C2—— 混合前的水的聲速值,m/s。

2 結 論

接觸式方法測量原油函數率，都存在接觸表面易受油品污染，測點代表性不強的缺陷。引入超聲波原理，可以實現非接觸式含水率的準確測量。且沒有輻射，對人體沒有傷害。特別是在稠油的輸送過程中，通過測量輸送油水乳狀液管道中的聲速值c1,c2，再根據輸送前稠油、活性水中的聲速值，利用Sehgal聲速混合定則,可計算出含水率大小，實現管輸過程中含水率的動態監測，對管輸全程自動化的實現具有重要意義。

國內外有不同形式的關于原油含水率測量方面相關的技術與產品，在測量精度，穩定性，重復性，安全性能等方面卻存在諸多問題。今后開發出結合多種傳感器和計算機技術，使得油氣水在不分離的情況下得到計量必將成為油田全面自動化的發展趨勢。

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Current Situation Analysis of Measurement Technology for Water Content of Crude Oil

LV Gao-feng1，WU Ming1，ZHANG Jin-hua1，MAN Li-li2
(1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Daqing Oil Field Co., Ltd., Heilongjiang Daqing 163414, China）

The accuracy measurement of water content in crude oil is very important because water content is an important index during exploitation, transportation and sale of crude oil. In this paper, the principle of several measuring methods and related apparatus were introduced， their advantages and disadvantages were respectively analyzed. Development trend of measuring technology of water content was also introduced ，which can provide theoretical support for automation production of oilfield.

Crude oil; Water content; Measurement technology

TE 622.1

A

1671-0460（2011）02-0146-04

2010-09-29

呂高峰（1979-），男，在讀研究生，遼寧撫順人，研究方向：原油含水率測量。E-mail：lgf-79-01-31@163.com.cn。

指導教師：吳明（1961-），男，教授，博士生導師。