原油含水率測量技術(shù)現(xiàn)狀分析

呂高峰，吳 明，張金華，滿立麗

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

原油含水率測量技術(shù)現(xiàn)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(xué), 遼寧 撫順 113001； 2. 大慶油田有限責(zé)任公司， 黑龍江 大慶 163414）

在原油的開采、計(jì)量、集輸、銷售等環(huán)節(jié)中，原油的含水率和產(chǎn)量都是影響原油生產(chǎn)的重要參數(shù)，因此，原油含水率的測量準(zhǔn)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(guān)產(chǎn)品，并分別分析了其優(yōu)勢和不足,以及原油含水率測量技術(shù)的發(fā)展趨勢，為油田自動(dòng)化生產(chǎn)提供理論支持。

原油； 含水率； 測量技術(shù)

原油含水率在原油的開采，計(jì)量，集輸，銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)都有著重要的影響，并且值是隨時(shí)變化的，因此，原油含水率是油田生產(chǎn)和油品運(yùn)輸過程中的重要指標(biāo)，要求其值的測量要盡量精確。這不僅關(guān)系到油田的開發(fā)壽命還關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益問題。原油含水率的測量也一直是研究的重點(diǎn)。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(fèi)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(shù)的現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)檢測方法

傳統(tǒng)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(zhǔn)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(jī)性大；代表性不強(qiáng)；且取樣油流不連續(xù)，無法進(jìn)行在線測量，不能滿足自動(dòng)化管理的要求；耗費(fèi)時(shí)間與人力，測量程序包括取樣、加熱、分析等步驟，完成一個(gè)樣品的分析需要約2 h的時(shí)間[2]。傳統(tǒng)的測量方法無法實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測量，而且取樣時(shí)間長，隨機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理的需求。

1.2 卡爾?費(fèi)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(fèi)修法。經(jīng)典的卡爾費(fèi)修反應(yīng)原理如下：

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

1.3 密度計(jì)法

此方法是根據(jù)油水混合液的總質(zhì)量等于其中所含純油和純水質(zhì)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(shù)。

該法一般應(yīng)用與震動(dòng)管液體密度計(jì)或科氏力質(zhì)量流量計(jì)，能連續(xù)測量兩相分離器中排出的油水混合液的密度用以計(jì)算含水率的值，應(yīng)用密度原理測量原油含水率的誤差主要來源于幾個(gè)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(zhǔn)確度的影響；（2） 水質(zhì)礦化的影響；水中的礦化程度較高易使密度計(jì)等裝置表面結(jié)垢，影響測量精度和儀器使用壽命，此現(xiàn)象多見于高含水的原油；（3） 泥沙和溶解氣等雜質(zhì)的影響；主要表現(xiàn)為“氣增油”和“砂吃油”現(xiàn)象，最終會(huì)導(dǎo)致得出的混合密度值有誤差，進(jìn)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(duì)相同強(qiáng)度的 射線的線性吸收系數(shù)是不同的，應(yīng)用此原理即可計(jì)算出原油中含水率的大小。

當(dāng)強(qiáng)度為N0的γ射線束穿過厚度為x的介質(zhì)時(shí)，它衰減后的強(qiáng)度Nx為：

式中：Nx——γ射線束穿過厚度為x的介質(zhì)后的強(qiáng)度, MeV；

u—— 介質(zhì)對(duì)γ射線的吸收系數(shù)；

N0——γ射初始強(qiáng)度, MeV；

ux—— 水和原油的相組分比；

x—— 介質(zhì)厚度，mm。

介質(zhì)厚度x一定時(shí)，強(qiáng)度N僅與介質(zhì)的吸收系數(shù)u有關(guān)。吸收系數(shù)u與γ射線的能量有關(guān)；當(dāng)射線的能量一定時(shí)，它取決于介質(zhì)的性質(zhì)。水的吸收系數(shù)uw大于油的吸收系數(shù)uo，即原油對(duì)γ射線的吸收能力大于水對(duì)γ射線的吸收能力。油水混合物的吸收系數(shù)為等效吸收系數(shù)，表示該混合物對(duì)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(jì)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(yōu)點(diǎn)是非接觸式，可用于在線測量儀表，連續(xù)性好，產(chǎn)品有FDH?1型原油含水率自動(dòng)檢測儀，CHINA?AMERICA?TECHNOLOGY公司的產(chǎn)品就是根據(jù)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(diào)試過程比較簡單,并且可以同時(shí)進(jìn)行介質(zhì)含氣率的測量。缺點(diǎn)是內(nèi)含放射源,雖然能量強(qiáng)度較低,但也會(huì)對(duì)人體造成傷害[4-5]。

1.5 短波法

測量原理:油和水對(duì)短波的吸收能力是不同的，根據(jù)油和水的此項(xiàng)參數(shù)性質(zhì)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(zhì)表面，通過介質(zhì)時(shí)會(huì)被吸收一部分。因此，電磁波的出射能量與入射能量相比會(huì)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?yōu)椋?/p>

式中：N0——原油分子數(shù),個(gè)；

Nw——水分子數(shù)，個(gè)；

u0——原油吸收系數(shù)；

uw——水吸收系數(shù)。

說明電磁波的入射強(qiáng)度與容器里油品含水成指數(shù)規(guī)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(zhì)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(shí)含水率，但此原理的含水分析儀在介質(zhì)狀態(tài)從油包水轉(zhuǎn)化為水包油時(shí)，其測量的特性曲線上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，這就要求在調(diào)試過程中找準(zhǔn)此拐點(diǎn)，否則會(huì)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(zhì)[6-7]。

1.6 微波法

測量原理:水對(duì)微波的吸收能力十分顯著，根據(jù)此原理采用微波反射式結(jié)構(gòu)，將油水混合物中由水分子產(chǎn)生的微波衰減量轉(zhuǎn)化為可見的電流信號(hào)輸出，即可建立電流與含水率之間的關(guān)系，進(jìn)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(shí)時(shí)測量。Marelli?J?D開發(fā)的微波含水率檢測儀可準(zhǔn)確測量油水混合物中的任意含水率值,即使在流體特性發(fā)生改變或含水率高達(dá) 25%時(shí),也能夠正常工作。

該系統(tǒng)已用于海洋管道的測量,其輸出值可采用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò),如SCASA系統(tǒng)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(shù)，對(duì)使用和維護(hù)都造成了困難[10]。

1.7 電容法

測量原理:油和水的介電常數(shù)不同，并且差距很大，電容發(fā)就是利用油和水的這個(gè)參數(shù)特點(diǎn)來測定含水率大小的。油中含水量增加會(huì)導(dǎo)致介電常數(shù)增大，而兩極板間的電容就會(huì)隨之增高，就會(huì)進(jìn)而改變振蕩頻率，通過測量振蕩頻率就可以測得介質(zhì)的含水率值。

電容法應(yīng)用于井下測量時(shí)，傳感器表面都包有絕緣金屬內(nèi)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(dòng)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(jì)的輸入——輸出關(guān)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(dāng)今檢測領(lǐng)域中，電容式傳感器以其靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)工作環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)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(huán)境的變化都會(huì)影響到電容傳感器的精度。解決方法就是加快研發(fā)多種傳感器的融合技術(shù)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?xì)浠衔锘旌隙?，屬于非極性介質(zhì)，其介電常數(shù)大約為2.3，純水是極性分子，由水分子組成的液態(tài)水為極性電介質(zhì)，其介電常數(shù)約為80，兩者相差非常大，所以油品中含水量的變化將對(duì)含水重油的介電常數(shù)產(chǎn)生顯著地變化，即：當(dāng)射頻信號(hào)傳到介質(zhì)為油水混合物的電容式射頻傳感器時(shí)，其負(fù)載阻抗會(huì)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(chǔ)[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(duì)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(jù)光的吸收原理,當(dāng)單色的平行光束通過均勻媒質(zhì)時(shí),被吸收的光能與吸收光的分子數(shù)有關(guān)[15]。即與該物質(zhì)在媒質(zhì)中的濃度有關(guān)，有

式中：A(λ) —— 與濃度無關(guān)的常數(shù)；

C—— 被測物質(zhì)的濃度, mol/L；

L—— 被測媒質(zhì)的厚度, mm。

美國PI公司開發(fā)的紅眼含水測量儀，就是利用上述原理設(shè)計(jì)的一種先進(jìn)的含水率測量儀器。

近紅外光譜法的分析速度快，2 m內(nèi)就可以完成測量；效率高，并預(yù)先建立校正模型，就可以迅速確定樣品性質(zhì)和組成等信息；成本低，不用對(duì)樣本作預(yù)處理，能做到無損分析；對(duì)測量環(huán)境要求低，近紅外光的傳導(dǎo)特性與可見光基本類似，采用光纖即可實(shí)現(xiàn)在線現(xiàn)場分析。但是近紅外技術(shù)的靈敏度相對(duì)較低，因?yàn)榉肿拥姆侵C振吸收躍遷幾率低，通常倍頻吸收和組頻吸收強(qiáng)度是基頻吸收的 1/10～1/10 000，有時(shí)不能達(dá)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(huì)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(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在液體中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距，測速，清洗等。聲波傳播速度決定于流體性質(zhì)，因此超聲技術(shù)也可以應(yīng)用于原油含水率的測量。

測量原理：在生物媒質(zhì)組分定征中，認(rèn)為生物組織主要是由水，脂肪，蛋白質(zhì)等組成，各組分滿足混合假設(shè)(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(duì)油水兩相混合的流體，在滿足理想混合假設(shè)條件下，可得到含水率x的表達(dá)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(jié) 論

接觸式方法測量原油函數(shù)率，都存在接觸表面易受油品污染，測點(diǎn)代表性不強(qiáng)的缺陷。引入超聲波原理，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式含水率的準(zhǔn)確測量。且沒有輻射，對(duì)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(jù)輸送前稠油、活性水中的聲速值，利用Sehgal聲速混合定則,可計(jì)算出含水率大小，實(shí)現(xiàn)管輸過程中含水率的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，對(duì)管輸全程自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

國內(nèi)外有不同形式的關(guān)于原油含水率測量方面相關(guān)的技術(shù)與產(chǎn)品，在測量精度，穩(wěn)定性，重復(fù)性，安全性能等方面卻存在諸多問題。今后開發(fā)出結(jié)合多種傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)，使得油氣水在不分離的情況下得到計(jì)量必將成為油田全面自動(dòng)化的發(fā)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(dǎo)教師：吳明（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師。