基于近紅外光譜的混合流體組分測定方法研究

孔筍+沈陽+尤國平+張小康+褚曉冬

【摘 要】應用近紅外光譜技術實現了兩種混合溶液的組分分析。對27組乙醇和水混合溶液進行光譜掃描，用9個樣本建模，并驗證。經過變量標準化處理后，建立了主成分回歸模型。以標準均方差，相關系數及絕對誤差作為模型評價指標。實驗結果表明，該溶液的預測效果產生的平均絕對誤差為0.0241。對不同比例配制的柴油和水混合溶液進行相同的光譜測量實驗，由于該溶液的不互溶，介質不均勻的特點，增加了辨識的難度，數據分析采用了主成分分析法，預測模型的平均絕對誤差為0.0409，實驗結果說明了采用近紅外光譜測量技術結合化學計量學分析方法測量油水比是可行。

【關鍵詞】近紅外；光譜；主成分分析；組分；油水比

0 引言

近紅外光譜分析由于其快速，準確，無損，穩定性好的優點，在石油化工行業受到了廣泛的關注和應用。目前在國內，油水比的測量還存在一定的難度，其主要原因是由于井下流體的成分復雜性及高溫高壓下的狀態未知性。作為基礎性研究，首先從簡單的混合溶液著手，驗證幾種常用的化學計量學方法的有效性，并將其用于計算油水混合物中油水比的測量，從中總結相關的規律，為以后的研究做鋪墊。

3 水和柴油混合溶液組分分析

3.1 試驗材料及樣品配制

在常溫常壓下，準備足量的純凈水和純柴油，以水含量為10%，柴油含量為90%的混合溶液為起始點，每隔0.1，配制一次兩者的混合溶液，直到水含量為90%，即柴油含量為10%。易揮發油密度多在0.73～0.85g/cm3之間，因此柴油的密度比水輕。通常，兩者無法混合。為了模擬井下高溫高壓下的油水混合狀態，我們在溶液中加入乳化劑來促成油水混合，乳化劑采用司班80。在高速乳化機的攪拌下，轉速為5000～7000轉，油水混合，并呈現乳白色。待油水尚未分離，需要在短時間里完成試驗，以保證實驗結果的有效性。實驗中的每個樣品配制三次，光譜數據取三次的平均值。

3.2 光譜掃描及組分分析

由于油水混合物呈現乳狀，光譜的透射程度大大減弱，與酒精和水溶液相比，則需要更大光強增益，使得有透射光能夠被感知。與此同時，乳狀液中存在大量的懸浮顆粒，從而導致一部分光因為散射而損耗的。

對于這組實驗，實際上是可以得到水和柴油的純光譜曲線，然后通過多元線性回歸的方法來求解組分百分比，但是由于純水和純柴油與混合液的狀態不同，儀器測量吸光度并不是在相同的參數設置下完成的，因此我們采用主成分分析的方法來實現該混合液的組分分析。

油水混合物經過主成分分析法得到的實驗值與真值具有一定偏差，這是由于乳液中散射現象導致的。絕對誤差的最大值7.41%，最小為0.7%，平均絕對誤差為4.08%。

4 結論

為了對酒精和水混合溶液的成分進行了組分分析，基于不同的實驗條件約束，本文采用了主成分分析法來對酒精和水任意配比的混合溶液進行建模。從實驗結果可以看出，在可互溶的流體里，并且介質分布均勻的情況下，采用主成分分析法可以取得比較精確的測量結果。與之相反的不互溶的混合溶液，也可以通過主成分分析的方法來完成組分百分比的測量，但其精度明顯低于互溶溶液的測量值，這跟溶液本身的性質密切相關。當然從實際出發，對組分比精度的要求往往是基于應用的需求，在不同的行業中，要求不盡相同。

在石油行業中，油水比的測量對預測原油污染起著至關重要的作用，在流體識別這一方面，未來還有很長的一段路需要走，例如如何提高油水混合溶液的均勻性，如何保持溶液的穩定性以免分層，如何提高油水比的測量精度。

【參考文獻】

[1]陸婉珍.現代近紅外光譜分析技術[M].北京：中國石化出版社，2006.

[2]杜一平，潘鐵英，張玉蘭，等.化學計量學應用[M].北京：化學工業出版社，2008.

[3]褚小立.化學計量學方法與分子光譜分析技術[M].北京：化學工業出版社，2011.

[責任編輯：王楠]