原油含水率測量技術(shù)綜述

李清玲 彭 軍 唐德東 陳克勤 李太福

(1.重慶科技學(xué)院信息工程學(xué)院，重慶 401331;2.重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，重慶 401331;3.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦，重慶 400021)

原油的含水率在油田開采、脫水、運(yùn)輸、銷售等環(huán)節(jié)都具有極其重要的影響。水的存在會導(dǎo)致油液乳化渾濁，黏度增加，對設(shè)備腐蝕加重，同時也加大了管道的運(yùn)輸功耗，造成管道運(yùn)輸不穩(wěn)定。目前，原油含水率的測量方法主要分為離線測量和在線測量。離線測量通常在實(shí)驗(yàn)室完成，需要對樣本進(jìn)行取樣。由于取樣的隨機(jī)性大，取樣不及時，導(dǎo)致油品性質(zhì)或原油含水率可能發(fā)生改變，且在惡劣的天氣情況下，化驗(yàn)的勞動強(qiáng)度更大，不能較好地滿足油田生產(chǎn)自動化管理的需求［1］。因此，基于原油樣品的物理和化學(xué)性質(zhì)，直接測量其組分及含量的在線測量技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者致力于研究原油含水率的在線測量技術(shù)，研制新型傳感器等。本文介紹國內(nèi)外測量原油中微量水和較高含水率的一些測量方法及研究進(jìn)展。

1 原油含水率測量技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 原油含水率離線測量

離線測量的主要方法有卡爾—費(fèi)休、蒸餾法、離心法和電脫法等?？枴M(fèi)休法是我國測量微量水的標(biāo)準(zhǔn)方法，蒸餾法和電脫法是當(dāng)前油田測量高含水率原油的主要測量方法。

卡爾—費(fèi)休法［2］測量原理:原油經(jīng)混合器混合均勻后，稱取一定量的試樣注入到卡爾 —費(fèi)休庫侖儀的滴定池中，在陽極電解生成用于卡爾 —費(fèi)休庫侖反應(yīng)的碘。當(dāng)所有的碘被滴定，過量的碘通過電量終點(diǎn)檢測器檢測，滴定結(jié)束。其反應(yīng)方程式如下:

此方法可對含水率在0.02% ～5.00%范圍內(nèi)的原油進(jìn)行全樣分析，不受原油乳化程度的影響，測量穩(wěn)定性好。但由于精確度高，過于敏感，有些具有副反應(yīng)的物質(zhì)如酮類、醛類的測定較困難，需要根據(jù)一定的經(jīng)驗(yàn)控制反應(yīng)方向。

蒸餾法測量原理:當(dāng)油液與無水溶劑混合蒸餾時，由于溶劑中的輕組分會首先氣化，在氣化過程中將油中的水?dāng)y帶出去并在冷凝管中冷凝，如此反復(fù)氣化冷凝，可將油中的水分幾乎完全抽至接受器中，再計算接受器中的水量及所取油液量，即可測出油中水分的含量。蒸餾法的測量精度高，但是操作步驟繁瑣，分離效果受油水乳化液狀態(tài)影響較大。

電脫法是對油液中的水分進(jìn)行電解，水被電解成氫和氧，電解電流值反應(yīng)了油中水分的飽和程度。通過此方法能測量出油中游離水和溶解水的含量。

離心法是將等體積的原油和經(jīng)水飽和的甲苯溶液裝入錐形離心管中，離心機(jī)產(chǎn)生離心力對溶液中溶質(zhì)進(jìn)行分離，分離后讀出在管底部的水和沉淀物的體積［3］。此方法的優(yōu)點(diǎn)是分離效率高、分離器體積小，但油水分離設(shè)備不封閉，容易造成二次污染。

由于原油的性質(zhì)隨溫度、環(huán)境等條件會發(fā)生變化，因此傳統(tǒng)的方法即離線測量法，并不能及時反應(yīng)含水率的變化情況，也不能滿足油田生產(chǎn)自動化的管理需求。

1.2 原油含水率在線測量

原油含水率在線測量是在原油管道上安裝在線儀表，使用密度計、微波、電容法等軟測量技術(shù)對原油中水的含量進(jìn)行實(shí)時檢測和實(shí)時反饋。在線測量法主要有電容法、光譜法、阻抗法、密度法、射線法、短波法及微波法。

1.2.1 微量水的在線測量方法

微量水在線測量方法有電容法、光譜法和電阻抗法。國外主要采用電容法和電阻抗法。

(1)電容法。電容法的測量原理如圖1所示。

圖1 電容法測量原理圖

依據(jù)油和水的介電常數(shù)不同，且相差較大，當(dāng)水的含量變化時，會導(dǎo)致油水混合物的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而相應(yīng)的電容也會變化，將電容接入電磁諧振工作電路中，從諧振頻率的變化可測出介質(zhì)的含水率。在油中微量水的檢測領(lǐng)域中，電容式傳感器具有靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，安裝與維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但由于原油成分和測量儀表的不穩(wěn)定性，會引起水質(zhì)礦化度不斷變化，從而改變水的介電常數(shù)，帶來系統(tǒng)誤差，且電容式傳感器的電容量很小，外界環(huán)境和寄生電容的變化都會影響電容傳感器的精度。因此，只有加快研發(fā)多種傳感器的信息融合技術(shù)來提高測量精度。

(2)近紅外光譜法。由于原油成分中的C—H、N—H等和水分子對近紅外光的吸收頻率不同，在測得的近紅外光譜圖中，提取對水分吸收敏感的特定波長，通過監(jiān)測經(jīng)過流體的投射光強(qiáng)隨含水率的變化情況，得到對應(yīng)的含水率。待測樣品濃度與吸光度的關(guān)系符合朗伯—比爾定律:

式中:A—吸光度;ε—被測組分對光能的吸收系數(shù);c—組分的摩爾濃度;l—光通過溶液的長度。

近年來，近紅外光譜廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，也取得了不少成果。如在測量油中微量水的含量時，其分析速度快、效率較高、無污染，對環(huán)境要求低，能做到對樣品的無損測量［4］。但由于該方法需要預(yù)先建立校正模型，其模型建立的方法與精度都會影響測量精度。鑒于光譜法測量的眾多優(yōu)點(diǎn)，近紅外光譜在各行各業(yè)的定性與定量的監(jiān)測、分析中得到了廣泛的應(yīng)用。

(3)電阻抗法。當(dāng)油氣水三相混合液穿過管道內(nèi)兩電極之間時，其電阻和電容取決于流體的電導(dǎo)率、含水率、含氣率和介電常數(shù)等，在流態(tài)給定和傳感器的幾何外形確定的情況下，測量的電阻抗值是流體組成相分率的直接函數(shù)，從而測得各相比率［5］。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，且能進(jìn)行瞬態(tài)測量。但測量值與混合液的流態(tài)有關(guān)，容易受溫度和雜質(zhì)等的影響。

1.2.2 高含水量原油的在線測量方法

高含水量原油在線測量方法有密度法、短波法、微波法和射線法。

(1)密度法。在線密度法測量原理是把原油看成由純油和純水2部分組成的混合物，由于水與油的密度不同，測量油水混合液的密度即可得到油水的含量，其原理如下:

原油的總質(zhì)量:

式中:Mh—油水混合液的總質(zhì)量;Mo—純油的質(zhì)量;Mw— 純水的質(zhì)量;Vh—油水混合液的體積;Vw—純水的體積;ρo—純油的密度;ρw—純水的密度。

故原油體積比含水率為:

純油與純水的密度ρo、ρw為已知，故只需知道混合液的密度即可求出含水率。而混合液的總密度ρh可用密度計測量。馮志友等［7］人應(yīng)用密度法的測量原理進(jìn)行原油含水率的檢測，并對誤差做了簡單分析，當(dāng)含水率較高時隨機(jī)誤差小，含水率較低時隨機(jī)誤差大。

由于此方法測量原油含水率是在理想條件下推導(dǎo)出來的，在現(xiàn)場檢測時，由于受到諸多因素的干擾，使得測量結(jié)果誤差很大。其誤差來源主要有:混合液溫度、壓力的影響;油液中含砂、含氣會使密度計等裝置結(jié)垢，表現(xiàn)為“氣增油”和“砂吃油”現(xiàn)象，影響測量精度。因此，該方法用于對誤差要求不高的油田進(jìn)行測量是可行的，而對于低含水油田和測量精度較高要求的油田，應(yīng)避免使用。

(2)短波法及微波法。將電能以電磁波的形式輻射到介質(zhì)時，根據(jù)油、水對短波或微波的吸收能力不同來測量油中水的含量。David J C［8］利用無線電射頻和微波技術(shù)研制了海底原油分析儀，Marelli J D［9］開發(fā)的微波含水測量儀已成功用于海洋管道的測量。短波或微波法不受溫度、壓力、水質(zhì)礦化度等因素影響，且測量范圍寬，但由于采用了微波技術(shù)，維護(hù)和使用比較困難，不適用于氣體含量較高的原油。

(3)γ射線法。由于γ射線穿過介質(zhì)時，它的強(qiáng)度會衰減，而衰減程度取決于介質(zhì)對γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)、介質(zhì)的密度、種類和介質(zhì)的組分等［10］。γ射線法的主要優(yōu)點(diǎn)是非接觸測量方式，適合在惡劣的環(huán)境和條件下使用，避免了管道內(nèi)結(jié)垢、結(jié)蠟對儀表工作的影響，且儀表的穩(wěn)定性好。但內(nèi)含放射性物質(zhì)，使用維修困難，會對人體造成傷害。

2 原油含水率測量技術(shù)的新進(jìn)展

鑒于上述不同測量方法存在的各種問題，為了提高儀表的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，學(xué)者們研究出了多種含水率測量的新技術(shù)，以滿足油田實(shí)際生產(chǎn)的需要。

2.1 可同時測量流量和含水率的傳感器技術(shù)

現(xiàn)有的測量方法是用2個傳感器分別測量液體流量和含水率。而大慶油田則用流體阻抗傳感器同時測量流量和含水率。其優(yōu)點(diǎn)是將流量和含水率傳感器合二為一，可同時進(jìn)行流量和含水率的測量。且傳感器結(jié)構(gòu)簡單、無可動部件、無阻流組件、儀表常數(shù)穩(wěn)定、對流動無干擾、維修簡單［11］。

2.2 基于人工智能技術(shù)的含水率預(yù)測方法

近年來，人工智能成為國際上非線性領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在原油含水率的測量中也有較好的應(yīng)用前景，其中基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能測量方法的運(yùn)用最為廣闊［12］。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［13］，模擬退火算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［14］，粒子群優(yōu)化 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［15］等智能方法的使用，對在線測量誤差起到了良好的預(yù)報和修正作用，有效地提高了測量精度和穩(wěn)定性。

支持向量機(jī)(SVM)采用結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原則，適應(yīng)于小樣本建模，具有很強(qiáng)的泛化能力。也用于原油含水量測量模型的建立，且估算準(zhǔn)確度較高［16］。

2.3 基于多傳感器信息融合的檢測方法

多傳感器信息融合是把多個傳感器測量到的信息進(jìn)行分析和集成，提取對象的有效信息，以形成某一被測對象信息的全面和完整描述［17］。通常傳感器都存在交叉靈敏度，表現(xiàn)在傳感器的輸出值不只取決于1個參量，當(dāng)其他參量變化時輸出值也要發(fā)生變化。因此傳感器的性能不穩(wěn)定，測量精度也較低。為了提高目標(biāo)參量的測量精度，消除其他干擾量的影響，提高對目標(biāo)參量的辨識能力，多傳感器信息融合技術(shù)開辟了有效的途徑［18］。張冬至等［19］人采用多傳感器對水分、溫度和礦化度等參量進(jìn)行了測量，采用基于LM算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合方法對基于電磁波諧振技術(shù)的電容傳感器進(jìn)行了校正，大大提高了原油含水率的測量精度。

2.4 基于單片機(jī)控制的原油含水率測量技術(shù)

單片機(jī)控制的智能測量系統(tǒng)是一種集原油含水率實(shí)時測量、顯示、打印與數(shù)據(jù)通訊于一體的在線式原油含水率測量系統(tǒng)，并且具有壓力、溫度和含水率超限時報警等功能。王德毓等［20］人在采用短波法、韓秀麗等［21］人利用密度法的原理結(jié)合單片機(jī)，研制了一種原油含水率實(shí)時測量系統(tǒng)。此單片機(jī)控制的測量系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是成本低、安全環(huán)保、便于維修和測量精度滿足要求等，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

原油含水率作為油田生產(chǎn)原油的一個重要指標(biāo)，油中含水率的準(zhǔn)確測量直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與發(fā)展，因此，原油含水率的測量得到了越來越廣泛的重視。由于受到各種因素的影響，使得原油含水率的準(zhǔn)確測量成為一個世界難題。今后，將多種傳感器融合技術(shù)、數(shù)據(jù)處理以及化學(xué)計量學(xué)方法等技術(shù)引入到含水率的在線測量當(dāng)中，研制微型原油含水率在線測量儀，降低測量難度，提高測量的精度與穩(wěn)定性，將有力地推進(jìn)原油含水率在線測量技術(shù)的發(fā)展，滿足油田生產(chǎn)自動化管理的需求。

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