原油含水率測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

張國軍，申龍涉，齊 瑞，郭荃宏，宋士祥，馬 躍，張純靜，孫憲航

（1．遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2． 新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)公司，新疆 克拉瑪依 834002）

原油含水率測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

張國軍1，申龍涉1，齊 瑞2，郭荃宏2，宋士祥1，馬 躍1，張純靜1，孫憲航1

（1．遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2． 新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)公司，新疆 克拉瑪依 834002）

原油含水率是原油的一項(xiàng)重要指標(biāo)，目前對(duì)于原油含水率的測(cè)量方法有很多。主要介紹國內(nèi)外原油含水率測(cè)量的主要方法，測(cè)量原理，適用環(huán)境，各自的優(yōu)缺點(diǎn)，方法的改進(jìn)措施，以及原油含水率測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)，為含水率測(cè)量方法的選擇提供參考。

原油含水率; 測(cè)量方法; 改進(jìn)措施; 趨勢(shì)

在石油工業(yè)中，原油含水率是一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過它可以預(yù)測(cè)油井水位，油層位置,對(duì)原油產(chǎn)量和開采價(jià)值進(jìn)行估計(jì)，預(yù)測(cè)采出程度并制定相應(yīng)的開采方案，預(yù)測(cè)油井的開發(fā)壽命有著非常重要意義。對(duì)于原油的開采，集輸，脫水，計(jì)量，銷售，煉化等產(chǎn)生重大影響，油田生產(chǎn)中需要準(zhǔn)確及時(shí)的了解原油含水率情況，通過原油含水率來估計(jì)油井的工作狀態(tài)，預(yù)計(jì)油井產(chǎn)量，提高油田的自動(dòng)化管理，提高生產(chǎn)效率，起著非常重要的重要作用。

當(dāng)前常用的原油含水率的測(cè)量方法大致可以分為兩類，離線測(cè)量法和在線測(cè)量法，離線測(cè)量法主要有蒸餾法、電脫法、卡爾—費(fèi)休法( 國標(biāo)GB11146—89原油水含量測(cè)定法)；在線測(cè)量方法[1]相對(duì)較多主要有電導(dǎo)率法、密度法，電磁波法、電容法、射線法等，其中電磁波法又可分為三類，分別是高頻電磁波法、短波法和微波法，電極電導(dǎo)法和電磁感應(yīng)電導(dǎo)法都屬于是電導(dǎo)率法。

1 離線測(cè)量法

離線分析法[2]的基本原理是將原油中的水分分離出來，既可以以體積比的形式表示出來，又可代入油水密度值，求出質(zhì)量含水率。根據(jù)油水分離手段的不同，分為蒸餾法、電脫法、卡爾—費(fèi)休法(國標(biāo)GB11146—89原油水含量測(cè)定法)。

1.1 蒸餾法

蒸餾法的基本思路是將油水分離，分別測(cè)量油、水的質(zhì)量，從而得到原油質(zhì)量含水率，基本測(cè)量過程是在油品加無水溶劑，然后在水分測(cè)定儀中蒸餾，在20～25 ℃的循環(huán)冷卻水條件下緩慢加熱，油樣、溶劑和水達(dá)到共沸狀態(tài)時(shí)一起蒸發(fā)出來，溶劑沸點(diǎn)要比油和水電沸點(diǎn)低，最先汽化，同時(shí)將水分從油品中提取出來，流經(jīng)冷凝再進(jìn)入流入水分接收器里，由于水與溶劑在接收器中分層出現(xiàn)分層現(xiàn)象，可以通過接收器的刻度得到水分的含量，由樣品的含水率水率便可推斷出整個(gè)油品的含水率情況。

石油開采和加工行業(yè)原油含水率測(cè)定所用的蒸餾法主要有兩種[3]，分別為國標(biāo)GB /T8929—88和GB/T260—88。GB/T8929—88使用二甲苯做溶劑，測(cè)量精度高，但是使用容積量大且有毒；對(duì)于GB/T260—88，溶劑采用工業(yè)溶劑油或者是直餾汽油 80 ℃以上的餾分，當(dāng)含水率較高時(shí)，精確性較低。

1.2 電脫法[4]

根據(jù)斯托克斯定律可知，水珠在油水混合物的沉降速度為：

其中，1為油密度，2為水密度，g為重力加速度， 為水珠半徑， 為油的粘滯系數(shù)。增加沉降速度的方法是增加水珠半徑，處在電場(chǎng)中的油水混合物，在電場(chǎng)的作用下使極性水分子發(fā)生電極化，促使水珠成為帶等量異種電荷的點(diǎn)偶極子，由電磁場(chǎng)理論可知兩水珠間的吸引力，電偶極子受到電場(chǎng)的作用力，向電極表面移動(dòng)，其間距離減小，吸引力增大，半徑增大，加速沉降，實(shí)現(xiàn)油水分離。

1.3 卡爾—費(fèi)休法

其原理是在卡爾—費(fèi)休[5]容量滴定過程中,試樣中的水和卡爾費(fèi)休試劑進(jìn)行定量反應(yīng), 以此來測(cè)定水分。由于卡爾—費(fèi)休法定取樣周期相對(duì)較長,跟不上油品的含水率變化情況,由于采用定時(shí)取樣的方式進(jìn)行測(cè)量，此方法具有滯后性，不能反映出原油含水率的實(shí)際情況。

2 在線測(cè)量法

2.1 密度法

其原理[6，7]是利用油與水密度不同，將油與水看作不相容的兩種液體，當(dāng)油與水按不同比例混合時(shí)，得到的混合物密度也不同，根據(jù)油和水的密度，進(jìn)而推算出原油含水率。

通過對(duì)油水混合物的研究發(fā)現(xiàn)，油水混合物存在多種模態(tài)[8]，歸類后主要可以分為 4種，如圖 1油包水(O—W)、油包水包油(O—W—O)、水包油(W—O)、水包油包水(W—O—W)，具體呈現(xiàn)哪種狀態(tài)也不具規(guī)律性，各種狀態(tài)的結(jié)構(gòu)也很不穩(wěn)定，密度法通常忽略了油與水的混合方式，將混合液的總體積看作油與水的體積之和，同時(shí)，原油含砂、含氣均對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響，砂子密度比油大，使混合液體總體密度上升，導(dǎo)致計(jì)算含水率過高的誤差，形成“砂吃油”現(xiàn)象，測(cè)量?jī)x器內(nèi)部管壁結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相同的結(jié)果；同時(shí)，含氣會(huì)造成“氣增油”的假象，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大偏差。

圖1 油水混合物的4種狀態(tài)形式Fig.1 Four states of oil-water mixture

對(duì)于密度法產(chǎn)生的誤差，應(yīng)在測(cè)量?jī)x器前段進(jìn)行除砂，排氣，仍存密度測(cè)量不夠精確的影響，密度法的關(guān)鍵問題[10]是密度的測(cè)量，油、水的密度要以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)，取樣的要具有代表性，要保證取樣的精度，計(jì)算過程中要及時(shí)進(jìn)行溫度計(jì)壓力的補(bǔ)償，對(duì)密度修正系數(shù)進(jìn)行跟蹤修正與補(bǔ)償。

2.2 電導(dǎo)率法

電導(dǎo)率[10]的測(cè)量原理是將相互平行且距離是固定值L的兩塊極板（或圓柱電極），放到被測(cè)溶液中，在極板的兩端加上一定的電勢(shì)，然后通過電導(dǎo)儀測(cè)量極板間電導(dǎo)。

在油水混合物中，油、水電導(dǎo)率差異很大，純油的電導(dǎo)率幾乎接近零，礦化度決定了水的電導(dǎo)率，對(duì)于含水原油來說，水的電導(dǎo)率對(duì)于混合流體的電導(dǎo)率起到了決定性作用，S主要取決于S1、含水率P和相分布狀態(tài)。在水的狀態(tài)為連續(xù)相時(shí)，含水原油電導(dǎo)率和含水率可通過如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：S為含水原油電導(dǎo)率，S1為水的電導(dǎo)率，P是原油含水率。

2.3 電容法

電容法[12]是原油含水率測(cè)量對(duì)一種相對(duì)成熟的方法，的機(jī)理是：介電常數(shù)是電容的一個(gè)主要參數(shù)，含水原油在電容器極板間流過，原油作為電容器的介電質(zhì)，作為一種特殊的介電質(zhì)，其介電常數(shù)隨水分含量的不同而發(fā)生變化，在實(shí)際測(cè)量過程中，含水量隨機(jī)發(fā)生變化，混合流體的介電常數(shù)也隨之變化，基于以上原理，便可利用油、水此電物理特性的差異，把要測(cè)量的原油含水率的變化情況以另一種形式即電容量的變化表現(xiàn)出來。測(cè)量電路的構(gòu)成是由電容傳感器和電感線兩個(gè)主要組成部分，通過并聯(lián)構(gòu)成諧振電路，加載一個(gè)正弦激勵(lì)信號(hào)，并處在固定頻率范圍內(nèi)，電容不同，阻抗也完全不同的，可測(cè)量物理量電壓也是一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的量，可通過電壓的測(cè)量得到原油含水率。

很多因素都會(huì)影響到傳感器的輸出[12]，水分含量只是其中一個(gè)主要影響因素，還有很多不可忽略的因素決定測(cè)量的精確度，例如溫度會(huì)導(dǎo)致傳感器的性能不能保持穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)忽略了溫度的影響后，測(cè)量精度會(huì)明顯降低。對(duì)于高科技的采用可以減少測(cè)量過程中的誤差，采用較多的技術(shù)是多傳感器信息融合技術(shù)，可以同時(shí)監(jiān)控溫度、水分等多個(gè)參數(shù)消除溫度干擾量的影響，可以提高測(cè)量精度。電容法的優(yōu)點(diǎn)是其被采用較多的原因，當(dāng)采用多傳感器融合技術(shù)后，測(cè)量精度會(huì)很高，成本相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于使用過程中維修與管理，對(duì)于含水率比較低的時(shí)候會(huì)有很高的精確度，當(dāng)含水率升較高時(shí)，測(cè)量精度有所下降。

2.3.1 射頻電容法

射頻振蕩器是一種產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻振蕩電壓[13]的電子器件，射頻電容法正是利用這種方法，利用電感線圈并將其耦合到諧振電路中，傳感器探頭(電容器)作為諧振回路，油和水作為電容介電質(zhì)，油的介電常數(shù)很低，水的介電常數(shù)很高，利用油與水介電常數(shù)的不同，通過檢測(cè)電容即可得出原油含水率。

油水混合液體中介電常數(shù)通常由H-B公式[14]求得，即：

式中：em為混合液體介電常數(shù)，s為電容器極板正對(duì)面積，X為原油含水率，we為水的介電常數(shù)，pe為油介電常數(shù)。

電容法測(cè)量范圍比較大，靈敏度也很高，機(jī)械損失小，響應(yīng)時(shí)間短，適應(yīng)性強(qiáng)，成本低，但是容易受周圍環(huán)境影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮寄生電容的干擾，同時(shí)要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，水的礦化度也是不可忽略的影響因素。電容探頭一般適用于恒溫、不含氣原油、含水率<10%的情況。

2.4 電磁波法

根據(jù)油和水這兩種介質(zhì)物理性質(zhì)的不同，它們對(duì)電磁波吸收能力有很大差別，利用震蕩電路，將電能轉(zhuǎn)化為電磁波，并將其輻射到油水混合物中，并對(duì)穿過混合流體的電磁波進(jìn)行接受，含水率不同是，混合流體對(duì)電磁波的吸收也不同，通過接受到的電磁波的強(qiáng)度來檢測(cè)原油含水率。

2.4.1 短波法

短波法[5]是電磁波法的一種，由于波長較短，相應(yīng)的是一個(gè)具有較高頻率且穩(wěn)定的電磁波,通過耦合形式可以進(jìn)入諧振回路。短波發(fā)射天線的探頭的電容量決定諧振回路的固有頻率。利用測(cè)量探頭來檢測(cè)原油含水率，其含水率與探頭的電容量成正比關(guān)系，通過探頭可以得到一個(gè)電壓信號(hào)，短波法對(duì)于環(huán)境的溫度要求較高，不可以有較大的溫度波動(dòng)，振蕩器要產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩頻率，當(dāng)這些要求都能達(dá)到時(shí)，靈敏度非常高。

2.4.2 微波法

微波法[15]是一種非接觸測(cè)量方法，能夠最大程度的減小結(jié)垢、含蠟的影響，更好的解決壓力與溫度的變化以及不利工況等問題。

微波法也是利用油水混合物介電常數(shù)不同的原理來測(cè)量原油含水率的，不同含水率的原油對(duì)對(duì)微波信號(hào)的吸收能力存在差異。油水混合物的含水率可通過接收到的穿過混合流體的微波信號(hào)大小得到。

由于微波的穿透特性很強(qiáng)，只要得到測(cè)量信號(hào)的衰減值以及相位移，便可得到原油含水率，此方法可實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量，減少對(duì)管道的破壞，實(shí)現(xiàn)無損測(cè)量?；谖⒉ㄐ盘?hào)的衰減值和相位移同時(shí)是含水率和混合流體密度的函數(shù)，含水原油中存在油氣水三相，混合物在管路的流動(dòng)過程中，油氣水三相流型以及溫度梯度對(duì)混合流體的密度產(chǎn)生影響，發(fā)生密度不能保持一致[13]的現(xiàn)象。此現(xiàn)象可以通過雙參數(shù)法和雙頻率法，可采取同時(shí)使用兩個(gè)頻率的微波分別測(cè)量，可消除該密度影響。但是由于此方法比較復(fù)雜，成本較高，維修費(fèi)用高，在實(shí)際用用還是比較少。

2.5 射線法

射線法主要應(yīng)用于油井，油田計(jì)量站間的計(jì)量，基本工作原理[16]在于： 油、氣、水對(duì)射線吸收能力有很大差異。當(dāng)射線穿過被測(cè)介質(zhì)后過程中,被介質(zhì)吸收，其強(qiáng)度有所衰減,其中有兩個(gè)主要因素對(duì)衰減程度起重大作用[17]，一個(gè)是介質(zhì)的線性吸收系數(shù)，另一個(gè)是介質(zhì)的密度。當(dāng)介質(zhì)為多種流體的混合物時(shí), 射線強(qiáng)度由于射線的吸收而發(fā)生衰減,其中介質(zhì)的種類以及各種成分在介質(zhì)中所占的比例都會(huì)對(duì)衰減程度產(chǎn)生影響。

管道內(nèi)徑D，水的折合長度為 ，油的折合長度為，當(dāng)管道為中空時(shí)和管道內(nèi)充滿油水混合液體時(shí)，接受裝置檢測(cè)到 射線的強(qiáng)度分別為 , ,則有[18]管道內(nèi)徑D，水的折合長度為a，油的折合長度為b，當(dāng)管道為中空時(shí)和管道內(nèi)充滿油水混合液體時(shí)，接受裝置檢測(cè)到 射線的強(qiáng)度分別為,則有[15]

質(zhì)量含水率

I0需要現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以實(shí)際密度為準(zhǔn)。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來看，應(yīng)用射線法原理的原油含水率自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀是一種應(yīng)用較多，效果比較理想的測(cè)量?jī)x器，可靠性以及穩(wěn)定性相對(duì)較好，采用的技術(shù)也比較先進(jìn)，。射線法的測(cè)量范圍最寬，含水率在0%～100%范圍內(nèi)此方法均可測(cè)量，測(cè)量精度較高，誤差在2.8%左右，此方法最大的確定就是安全性較低，由于儀器中含有輻射源，成本較高，日常維護(hù)費(fèi)用昂貴，為了防止射線對(duì)人體的傷害嗎，需要采取防護(hù)措施，我國現(xiàn)場(chǎng)采用此項(xiàng)測(cè)量技術(shù)的實(shí)例不多。

3 測(cè)量方法的比較

離線測(cè)量方法隨機(jī)性大，取樣不及時(shí)，連續(xù)性差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，油田生產(chǎn)過程中自動(dòng)化程度不斷提高，迫切需要引入自動(dòng)含水檢測(cè)儀表，這對(duì)于提高交接原油含水測(cè)量的精度，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有著十分重要意義，在線測(cè)量方法將成為一種趨勢(shì)。

電容測(cè)量法是最成熟的一種測(cè)量方法，我國采用最多的一種方法，但電容測(cè)量法對(duì)于低含水的原油測(cè)量精度較高，電容探頭一般適用于恒溫、不含氣原油，含水率<10%的情況[19]。對(duì)于高含水的原油測(cè)量精度較低。若采用多極板式電容傳感器測(cè)量油水混合物的含水率, 可以使低含水率端和高含水率端的測(cè)量結(jié)果都比較精確，同時(shí)也擴(kuò)大了測(cè)量范圍。

國外在測(cè)量含水率較低時(shí)，電容法和微波法原理適用于含水率較低的情況，國外應(yīng)用較多，基于這兩種方法制造的測(cè)量?jī)x器可以對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，此類儀表的穩(wěn)定性和分辨率都很高；微波法則適用于含水率較高的情況；當(dāng)水相占據(jù)主導(dǎo)地位的情況下，首選電導(dǎo)率法，在此情況下，其準(zhǔn)確性最高。

測(cè)量管線中的原油的含水率時(shí)，表現(xiàn)較好的只有基于射線法的測(cè)量方案，電容法，微波法，短波法等幾類含水率測(cè)量?jī)x表都屬于接觸式測(cè)量, 傳感器只有在置于管道內(nèi)部的條件下才能實(shí)現(xiàn)其功能，由于原油的腐蝕性較強(qiáng), 結(jié)垢、結(jié)蠟現(xiàn)象比較嚴(yán)重,致使儀表長期運(yùn)行的可靠性差,精度降低嚴(yán)重，更重要的是這些儀表都無法消除含氣對(duì)含水率測(cè)量帶來的影響, 因此原油計(jì)量自動(dòng)化始終處于一個(gè)比較低的水平， 射線法具有快速、準(zhǔn)確和易于測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著致命的缺點(diǎn)，此方法成本較高，維護(hù)費(fèi)用貴，同時(shí) 射線法對(duì)人體的輻射性更是不可忽視的，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來看，前期精確度較高，但后期缺乏專業(yè)維護(hù)，工人對(duì)其也具有恐懼心理，應(yīng)用情況不是很理想。

超聲波共振法[20]是一種應(yīng)用不多的測(cè)量方法，此方法有很多其他在線測(cè)量法無法相比的優(yōu)點(diǎn)，可以忽略電導(dǎo)率對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響。對(duì)于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，此方法都變現(xiàn)很好。

4 發(fā)展趨勢(shì)

由于原油含水率時(shí)刻發(fā)生變化，要求取樣速度要快，保證取樣的含水率情況能夠代表實(shí)際原油含水率情況，目前應(yīng)用的原油含水率測(cè)量方法很多，適用范圍以及性能指標(biāo)差異很大，真正投入應(yīng)用的測(cè)試儀器不多，在這樣的形勢(shì)下，增大儀器可測(cè)量范圍，提高測(cè)量的精度，可通過顯示儀表直接讀取數(shù)據(jù)，在線測(cè)量?jī)x表將會(huì)得到更好的應(yīng)用，使原油含水率測(cè)試耗時(shí)更短，精確度更高，成本更低。

根據(jù)我國油田生產(chǎn)過程中含水率的測(cè)量情況看，傳感器是原油含水率測(cè)量?jī)x器的主要組成部分，傳感器要受到很多因素的影響較大，比如溫度就是其中一個(gè)比較重要的因素，當(dāng)含水率沒變而溫度變化時(shí)，傳感器也會(huì)輸出變化的信號(hào)，造成測(cè)量誤差。目前多傳感器融合技術(shù)[21]是一項(xiàng)比較先進(jìn)的技術(shù)，應(yīng)用到原油含水率測(cè)量上來會(huì)使測(cè)量精度大大提高，多個(gè)傳感器可同時(shí)對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行檢測(cè)，主要是針對(duì)那些對(duì)含水率影響較大的因素，這樣便可把其他影響因素對(duì)原油含水率的影響降低到最低程度。

采用多種信息技術(shù)對(duì)原油含水率進(jìn)行測(cè)量，使測(cè)量?jī)x器的體積越來越小，成本和維護(hù)費(fèi)用越來越低，降低了工人操作儀器的難度。測(cè)量方法向高精度，快速化，智能化，綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。原油含水率測(cè)量方法還有很多，如紅外線法，超聲波法等，在應(yīng)用上還不是很多，為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，還需更多研究。

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Current Status and Development of the Measurement Technology for Water Content of Crude Oil

ZHANG Guo-jun1,SHEN Long-she1,QI Rui2,GUO Quan-hong2,SONG Shi-xiang1,MA Yue1,ZHANG Chun-jing1,SUN Xian-hang1
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China ;
2. PetroChina XinJiang Oilfield Oil&Gas Storage&Transportation Company , Xinjiang Karamay 834002, China）

Water content of crude oil is an important indicator. At present, there are many methods to measure water content of crude oil. In this paper, main methods of measuring water content in crude oil at home and abroad were introduced as well as measuring principle, application scope, their advantages and disadvantages, improvement measures; development trend of the measurement technology was discussed, which can provide some references for selecting suitable method to measure water content.

Water content of crude oil; Measurement methods; Improvement measure; Trend

TE 622

A

1671-0460（2012）01-0059-05

2011-11-24

張國軍（1986-），男，遼寧朝陽人，碩士研究生，研究方向：稠油管道輸送技術(shù)。E-mail：zhangguojun6@126.com。