電學特性原油含水分析儀的應用探析

王龍

摘 要：原油含水分析儀的應用有效解決了傳統原油含水率分析中過度依賴人工而引發的精確度不夠、連續性不足、效率低下等問題。原油含水量分析儀包括電學測量、密度測量、同位素測量等多種類型，本文以電學特性原油含水量分析儀為案例，介紹該類分析儀的分析原理及應用要點，用以完善電學特性原油含水分析儀實踐操作體系，供相關工作的開展借鑒參考。

關鍵詞：電學特性;原油含水分析儀;含水率分析

0 引言

含水率測量為原油產品開發過程的基本工作，觀察含水率變化可準確了解油藏動態特征，為油井開發壽命及產量預估提供理論依據，同時輔助最優開發方案的制定。在原油地面輸送及處理過程中，含水率也為一項非常重要的觀察指標。依照實際生產及工藝需求，適當選擇含水量分析儀設備，并確保操作過程的規范性，是得出可靠含水率測量結果的基礎，有必要對相關應用經驗作分析總結。

1 電學特性原油含水分析儀作用原理

市面上已有電學特性原油含水分析儀包括以下四種類型：

1.1 電容式

電容式分析儀利用水油介電常數不同，當介質內含水率上升時，其介電常數隨之提高，進而導致極板間電容增加。電容增加引發震蕩頻率變動，基于該頻率即可了解介質含水情況。

1.2 短波式

短波式分析儀向測量目標發射高頻電磁波信號，以傳感器接收反饋信息，當水油介質流經同軸線傳感器時，電磁波發生相位以及幅度衰減，信號經放大后傳輸至混頻器。另一路信號則直接進入混頻器，混合兩組信號，得到中頻信號并在鑒相器進行處理，得到電磁波在同軸線水油混合介質中的傳播相位，若含水率發生變化，其相位隨之改變，測量相位即可得到原油含水率數值[1]。該分析儀的優勢為不受溫度、壓力等條件的影響，但因探頭結蠟現象會影響測量精度，因此不可用于含氣原油的檢測，但適用于高含水的情況。

1.3 微波式

微波式分析儀的作用原理為：水的導電率及傳導率遠高于油，利用該差異可準確檢測介質中的水含量。該類型分析儀需借助微波共振進行測量，而管道自然振動頻率與其中運輸介質密度高度相關，因此通過振動頻率即可了解介質密度，獲取共振頻率及波峰寬度，可檢測管道內介質的導電特性，然后再借助波峰的諧振頻率即可了解管道內介質含水情況。該類型分析儀使用過程易發生模擬電路信號漂移問題，需做加溫補償處理，因此多被用于含水率較低的原油檢測中。

1.4 射頻式

射頻式分析儀利用油與水的電磁波阻抗能力不同，向被檢測介質發射高強度電磁波，不同含水率的介質產生不同的電磁波頻率，測量該頻率即可掌握介質含水率情況。

2 電學特性原油含水分析儀具體應用

2.1 系統優化設計

為進一步提高原油含水率檢測的便捷性，以電學特性原油含水分中的電容檢測原理為基礎，設計一種新型的原油含水在線分析設備，以實現原油含水率的實時監控。

2.1.1 框架設計

在線含水分析儀由測量管段和旁通管段兩部分構成，在控制閥作用下實現二者間的靈活切換，完成樣本采集操作。其中，測量管段上安有測量探頭及排氣裝置，可排除水油加熱分離過程產生的氣體，防止影響測量結果精確性。

2.1.2 原理分析

將在線含水分析儀安裝在目標管線上，使管道內介質有效流經分析儀。系統收到采樣指令后，控制閥將液流通道切換至旁通管段，截留原經過測量管段的介質，依照預設參數完成介質采樣，然后依照電容式分析儀的分析原理測定、計算介質含水率。在得到最終計算結果后，控制閥將液流切換回測量管段，準備下一次采樣分析。

2.1.3 作用特點

基于電容測量原理的在線原油含水分析儀具備如下作用特點：第一，可依照實際工況需求預設采樣時間，完成實時采樣，確保含水率檢測結果的代表性。第二，取樣后可在測量管段內進行介質加熱，水油分離效果更優，提高測量結果精度。第三，測量管段安裝排氣裝置，因此該儀器可被用于水油氣三相混合介質的含水率檢測中，適用范圍更廣。第四，可依照被測介質基本屬性針對性調節儀器靜止加熱時間、溫度等，提高測量管段內各相物質分離效果，削弱分離效果對含水率測量精度的影響。第五，自動分析儀提供手動和自動兩種模式，其中，手動模式可用于經目標的跟蹤檢測。第六，分析儀自帶自動控制模塊，準確接收控制閥信號，并依照信號自動優化切換參數。

2.2 應用效果分析

為驗證在線含水測量儀的作用效果，在輸油處開展為期6個月的方案對比分析工作。其中，實驗組采用自動分析儀進行原油含水檢測，對照組采用手動計量閥完成含水檢測，標準組則采集分析儀測量管段內的介質樣本，在實驗室進行人工蒸餾和分析計算，得到更可靠的含水率測量結果，與實驗組和對照組結果相對比。經計算，原油含水率檢測平均誤差在2.25%，其中，誤差在2%以內的占比在21%，誤差在5%以內的占比在65%。認為導致含水率檢測結果誤差過大的原因為：第一，分析儀測量結果為原油體積含水，但所使用的含水值為質量含水，因此存在既定誤差;第二，人工檢測中取樣過程無法做到絕對規范，產生取樣誤差;第三，介質均勻程度、溫度、壓力等因素的影響。

基于以上實驗結果，決定對在線含水分析儀的計算軟件做優化設計，進行體積與質量的換算糾正，同時添加溫度補償。硬件結構方面，在分析儀入口之前安裝混配器，提前將介質混合均勻，以消除介質不均勻對測量結果精度的影響。

經改進后，在線含水分析儀的檢測精度充分達到原油含水率檢測的要求。另外在經濟性方面，若依照100個取樣點/d進行經濟效益估算，在引入在線含水分析儀后，輸油處每年可節約樣本采集成本3.35萬元，且減少采樣及化驗人工需求8人，最終可節約原油含水檢測總成本55萬元，經濟性突出。

2.3 注意事項總結

為使在線原油含水分析儀的作用優勢充分發揮，在使用該儀器的過程中還應確保有關操作的規范性，同時定期開展儀器設備維護工作。

2.3.1 科學選取應用范圍

當水油比例達到一定水平時，水油乳化液可能發生相互轉變，其相變多發生在含水率在50%～60%的范圍內，該范圍與乳化液結構特點有關。若乳化液為油連續相，則分析儀分析結果可靠，若為水連續相，則會帶來較大的測量誤差，多導致測得的含水率偏高。該問題可用西爾伯施泰因--牛頓公式來解釋，即ε=εH（1-w）+εBw，其中ε、εH、εB、w分別表示測得介電常數、非對稱流體連續相介電常數、非對稱流體分散相介電常數和分散相介質體積含量。

基于以上背景，使用電學特性含水分析儀進行原油含水分析時應注意以下問題：第一，此類型分析儀僅可可靠測量已分散水分的含量，為保證測量效果，應將設備安裝至垂直管段，提高水油分離效果。第二，若原有含水率已超過60%，應選擇其他類型的分析儀，主要是由于自然乳化液中的含水率很難超過60%，若超過，會出現游離水、相轉變等問題。雖然目前市面上不少分析儀的測量范圍均在0～100%，但其有效量程并未達到該水平。若原有含水率超過60%，可在儀器之前安裝水油分離裝置，將乳化液含水率處理至50%以下后再進行測量。

2.3.2 加強檢測條件監控

介質介電常數溫度敏感性較強，如20℃時，水的介電常數在80.1，當溫度達到100℃時，介電常數降低至55.72。原油含水率測量中，不同類型原油的介電常數差異顯著，受測量條件及分析儀校驗條件的影響，可能出現乳化油介電常數變化的現象，進而導致含水率測量誤差。針對該問題，可參考前文新型在線原油含水分析儀，在系統內添加溫度補償，以有效消除溫度參數影響，盡可能使儀器校驗溫度與工況溫度相同。

3 結論

原油生產質量標準提升促使原油含水分析活動頻繁開展，對分析精度、效率及便捷性提出更高要求。充分了解電學特性原油含水分析儀的檢測原理和適用條件，并結合實際檢測需求進行儀器改造設計，借助在線含水分析儀，實時、高效進行原油含水率分析，以獲取更可靠的分析結果。

參考文獻：

[1]王少松，談得芳.新型在線含水分析儀在西北油田的應用[J].化工自動化及儀表，2019，46（12）：1051-1054.