原油含水率测量技术现状分析

吕高峰，吴 明，张金华，满立丽

（1. 辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001； 2. 大庆油田有限责任公司， 黑龙江 大庆 163414）

原油含水率测量技术现状分析

吕高峰1，吴 明1，张金华1，满立丽2

（1. 辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001； 2. 大庆油田有限责任公司， 黑龙江 大庆 163414）

在原油的开采、计量、集输、销售等环节中，原油的含水率和产量都是影响原油生产的重要参数，因此，原油含水率的测量准确性十分重要。介绍了目前使用的几种原油含水率测量方法的原理和相关产品，并分别分析了其优势和不足,以及原油含水率测量技术的发展趋势，为油田自动化生产提供理论支持。

原油； 含水率； 测量技术

原油含水率在原油的开采，计量，集输，销售等各个环节都有着重要的影响，并且值是随时变化的，因此，原油含水率是油田生产和油品运输过程中的重要指标，要求其值的测量要尽量精确。这不仅关系到油田的开发寿命还关系到企业的经济效益问题。原油含水率的测量也一直是研究的重点。目前，测量原油含水率的方式主要有人工测量和在线仪器检测两种。主要方法有：蒸馏法，电脱法，卡尔•费休法，密度法，射线法、短波吸收法、微波法、电容法，射频法，红外光谱法和超声波法等等[1]。

1 原油含水率测量技术的现状

1.1 传统检测方法

传统方法包括电脱法和蒸馏法，前者测量操作方法比较简单，但准确度不高。蒸馏方法比前者在精度上有所提高，但是不足也是十分明显的：取样随机性大；代表性不强；且取样油流不连续，无法进行在线测量，不能满足自动化管理的要求；耗费时间与人力，测量程序包括取样、加热、分析等步骤，完成一个样品的分析需要约2 h的时间[2]。传统的测量方法无法实现在线连续测量，而且取样时间长，随机性误差和人为误差都很大，并无法避免，很显然无法满足油田实现自动化管理的需求。

1.2 卡尔•费修法

测量微量含水油品（含水量在2×10-4以下）的含水率值可用卡尔•费修法。经典的卡尔费修反应原理如下：

在水存在时，即样品中的水与卡尔费休试剂中的SO2与I2产生氧化还原反应。生成硫酸吡啶；生成硫酸酐吡啶不稳定，能与水发生反应，消耗一部分水而干扰测定，为了使它稳定，我们可加无水甲醇。反应生成甲基硫酸吡啶，通过双铂电极能确定反应终点。根据化学反应方程式和物质守恒定律，测定出卡氏试剂的体积的消耗量，就能计算出样品中的含水率值。国际标准化组织把这个方法定为国际标准测微量水分，我们国家也把这个方法定为国家标准测微量水分。卡尔费休法不仅可测得样品中的自由水，而且可测出结合水，即此法测得结果更客观地反映出样品中总水分含量。

1.3 密度计法

此方法是根据油水混合液的总质量等于其中所含纯油和纯水质量之和的公式推出，即

故原油体积比含水率为：

纯油与纯水的密度oρ、wρ为已知，故密度只是体积比含水率的单值函数。

该法一般应用与震动管液体密度计或科氏力质量流量计，能连续测量两相分离器中排出的油水混合液的密度用以计算含水率的值，应用密度原理测量原油含水率的误差主要来源于几个方面：（1） 压力和温度的影响,主要受到温度变送器和压力变送器的准确度的影响；（2） 水质矿化的影响；水中的矿化程度较高易使密度计等装置表面结垢，影响测量精度和仪器使用寿命，此现象多见于高含水的原油；（3） 泥沙和溶解气等杂质的影响；主要表现为“气增油”和“砂吃油”现象，最终会导致得出的混合密度值有误差，进而影响测量的精度[3]。

1.4 射线法

测量原理:原油和地下水对相同强度的 射线的线性吸收系数是不同的，应用此原理即可计算出原油中含水率的大小。

当强度为N0的γ射线束穿过厚度为x的介质时，它衰减后的强度Nx为：

式中：Nx——γ射线束穿过厚度为x的介质后的强度, MeV；

u—— 介质对γ射线的吸收系数；

N0——γ射初始强度, MeV；

ux—— 水和原油的相组分比；

x—— 介质厚度，mm。

介质厚度x一定时，强度N仅与介质的吸收系数u有关。吸收系数u与γ射线的能量有关；当射线的能量一定时，它取决于介质的性质。水的吸收系数uw大于油的吸收系数uo，即原油对γ射线的吸收能力大于水对γ射线的吸收能力。油水混合物的吸收系数为等效吸收系数，表示该混合物对γ射线的吸收能力。而ux取决于水和原油的相组分比。只要测定了Nx的值，即可求得ux值，从而计算出油和水的相组分比，即为油水混合物的含水率。

射线法的优点是非接触式，可用于在线测量仪表，连续性好，产品有FDH−1型原油含水率自动检测仪，CHINA−AMERICA⋅TECHNOLOGY公司的产品就是根据以上原理测定原油中的水及气体含量的。此类含水分析仪调试过程比较简单,并且可以同时进行介质含气率的测量。缺点是内含放射源,虽然能量强度较低,但也会对人体造成伤害[4-5]。

1.5 短波法

测量原理:油和水对短波的吸收能力是不同的，根据油和水的此项参数性质可测得油水混合物中的含水率。

电能以电磁波的形式辐射到油水混合物的介质表面，通过介质时会被吸收一部分。因此，电磁波的出射能量与入射能量相比会减小。这种能量的减少可以用朗伯贝尔定律来描述。如下式：

油水乳化液中，上式可变为：

式中：N0——原油分子数,个；

Nw——水分子数，个；

u0——原油吸收系数；

uw——水吸收系数。

说明电磁波的入射强度与容器里油品含水成指数规律变化，短波法测含水率就是基于此原理。

短波吸收法不受温度和压力和介质的粘度，密度等因素影响，测量范围没有限制，还可以测量瞬时含水率，但此原理的含水分析仪在介质状态从油包水转化为水包油时，其测量的特性曲线上会出现一个拐点，这就要求在调试过程中找准此拐点，否则会影响测量精度。另外，这种仪表不适合于气体含量较高的介质[6-7]。

1.6 微波法

测量原理:水对微波的吸收能力十分显著，根据此原理采用微波反射式结构，将油水混合物中由水分子产生的微波衰减量转化为可见的电流信号输出，即可建立电流与含水率之间的关系，进而测得含水率[8]。David⋅J⋅C等研究了微波法测量多相混合物中含气率和含水率[9]。David⋅J⋅C利用微波和无线电射频的传播特性研制了微波海底原油分析仪,可用于实时测量。Marelli⋅J⋅D开发的微波含水率检测仪可准确测量油水混合物中的任意含水率值,即使在流体特性发生改变或含水率高达 25%时,也能够正常工作。

该系统已用于海洋管道的测量,其输出值可采用现有的通信网络,如SCASA系统等,但不适用于含气率太大的情况。并且微波法由于采用了微波技术，对使用和维护都造成了困难[10]。

1.7 电容法

测量原理:油和水的介电常数不同，并且差距很大，电容发就是利用油和水的这个参数特点来测定含水率大小的。油中含水量增加会导致介电常数增大，而两极板间的电容就会随之增高，就会进而改变振荡频率，通过测量振荡频率就可以测得介质的含水率值。

电容法应用于井下测量时，传感器表面都包有绝缘金属内电极和金属外壳，但是按工作方法不同，电容含水率仪又可分为取样式(集流)、自动取样式(非集流)、过流式(集流和非集流)等几种，这几种电容含水率计的输入——输出关系、含水率测量范围、测量精度以及传感器的适用范围也有显著差异[11]。

在当今检测领域中，电容式传感器以其灵敏度高，结构简单，对工作环境要求不高等优点而被广泛使用。但一般来说电容式传感器的电容量很小，寄生电容和外界环境的变化都会影响到电容传感器的精度。解决方法就是加快研发多种传感器的融合技术来提高测量精度。

1.8 射频法

利用电容传感器测量原油含水率有很多方法，其中就包括射频法，即射频电容式传感器法。

测量原理:油品是由多种碳氢化合物混合而成，属于非极性介质，其介电常数大约为2.3，纯水是极性分子，由水分子组成的液态水为极性电介质，其介电常数约为80，两者相差非常大，所以油品中含水量的变化将对含水重油的介电常数产生显著地变化，即：当射频信号传到介质为油水混合物的电容式射频传感器时，其负载阻抗会随着混合物中不同的油水比而变化，这就是射频法的物理基础[12]。原理图如图1。

1.9 红外光谱法

测量原理：含水原油中,水分子和原油成分中的C—H键对近红外光的吸收带是不同的,如表1所示。

图1 射频电容式传感器原理图Fig.1 Principle diagram of RF capacitor sensor

表1 C-H键和水在近红外段的吸收带[13-14]Table 1 Absorption band of C-H bond and water in the near infrared μm

根据光的吸收原理,当单色的平行光束通过均匀媒质时,被吸收的光能与吸收光的分子数有关[15]。即与该物质在媒质中的浓度有关，有

式中：A(λ) —— 与浓度无关的常数；

C—— 被测物质的浓度, mol/L；

L—— 被测媒质的厚度, mm。

美国PI公司开发的红眼含水测量仪，就是利用上述原理设计的一种先进的含水率测量仪器。

近红外光谱法的分析速度快，2 m内就可以完成测量；效率高，并预先建立校正模型，就可以迅速确定样品性质和组成等信息；成本低，不用对样本作预处理，能做到无损分析；对测量环境要求低，近红外光的传导特性与可见光基本类似，采用光纤即可实现在线现场分析。但是近红外技术的灵敏度相对较低，因为分子的非谐振吸收跃迁几率低，通常倍频吸收和组频吸收强度是基频吸收的 1/10～1/10 000，有时不能达到组分测量所要求的0.1%；此外，近红外光谱法属于一种间接测量方法，模型的精度和校正方法的效率都会影响测量精度[16-17]。

1.10 超声波法

超声波是频率高于20 000 Hz的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在液体中传播距离远，可用于测距，测速，清洗等。声波传播速度决定于流体性质，因此超声技术也可以应用于原油含水率的测量。

测量原理：在生物媒质组分定征中，认为生物组织主要是由水，脂肪，蛋白质等组成，各组分满足混合假设(各组分之间不存在相互作用, 各组分之间互不相溶)的条件下, 混合前后体积不变，即有Sehgal声速混合定则[18]

式中：Xi—— 第i种组分的体积含量；

Ci—— 第i种组分中的声速，m/s；

C—— 混合流体中的声速值,m/s。

对油水两相混合的流体，在满足理想混合假设条件下，可得到含水率x的表达式为：

式中：C1—— 混合前的油的声速值,m/s；

C2—— 混合前的水的声速值,m/s。

2 结 论

接触式方法测量原油函数率，都存在接触表面易受油品污染，测点代表性不强的缺陷。引入超声波原理，可以实现非接触式含水率的准确测量。且没有辐射，对人体没有伤害。特别是在稠油的输送过程中，通过测量输送油水乳状液管道中的声速值c1,c2，再根据输送前稠油、活性水中的声速值，利用Sehgal声速混合定则,可计算出含水率大小，实现管输过程中含水率的动态监测，对管输全程自动化的实现具有重要意义。

国内外有不同形式的关于原油含水率测量方面相关的技术与产品，在测量精度，稳定性，重复性，安全性能等方面却存在诸多问题。今后开发出结合多种传感器和计算机技术，使得油气水在不分离的情况下得到计量必将成为油田全面自动化的发展趋势。

[1] 张乃禄，薛朝妹，徐竟天，张家田.原油含水率测量技术及其进展[J].石油工业技术监督，2005（11）：25-28.

[2] 陈铿，雷猛.油品含水率的测量技术展望[J].上海计量测试，2007,3(199).

[3] 袁恩熙.工程流体力学[M].北京：石油工业出版社，1986.

[4] 朱立新.原油含水率自动监测仪表的系统设计[J].自动化与仪表，2000，15（6）：10-14.

[5] 徐巍，窦剑文.工业含水仪的微机化设计与实现[J].自动化仪表，2001，22（5）：29-31.

[6] 赵千锁，徐伟.短波原油含水监测仪及其应用[J].化工自动化及仪表，1996，23（1）：60-62.

[7] 张东安.应用短波吸收法监测原油含水量[J].电子技术应用，1990（9）：10-12.

[8] 刘更民.智能化石油含水测量仪[J].自动化与仪表，1988，10（3）：14-15.

[9] David J C. Measurement of gas and water content in oil: US Patent,5351521[P].1994-10-04.

[10] Marelli J D,Farhan Siddiqui.Method and apparatus for determining water-cut fraction and gas fraction in three phase mixtures of oil,water and gas: US Patent ,5576974[P].1996-11-19.

[11] 刘心斌.井下油、水两相流测量[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，1996.

[12] 陆国强，郑之爱，赵卫宁，杜娟.射频法测量原油含水率[J].石油工业标准与计量,1989,5(6):39-43.

[13] 冯新泸，史永刚.近红外光谱及其在石油产品分析中的应用[M].北京：中国石化出版社，2002:35.

[14] [苏]克利科苏诺夫.红外技术原理手册[M]. 余福堂，孙星南，程促华,等译.北京：国防工业出版社，1986:12.

[15] JIN W, STEWART G, CULSHAW B, et al. Absorption measurement of methane gas using a broad lightsource and interferometric signal processing[J]. Optics Letters, 1993, 18(16): 1364-1366.

[16] 徐广通，袁洪福，陆婉贞.现代近红外光谱技术及应用进展[J].光谱学与光谱分析，2000,20(2)：134-142.

[17] 董守龙，任芊，黄友之.近红外光谱分析技术的发展和应用[J].化工生产与技术，2004,11(6)：44-48.

[18] 仝杰,董彦武.生物媒质组分定征中声速混合定则的比较[J].声学学报，1993，18（5）：373-378.

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

吕高峰（1979-），男，在读研究生，辽宁抚顺人，研究方向：原油含水率测量。E-mail：lgf-79-01-31@163.com.cn。

指导教师：吴明（1961-），男，教授，博士生导师。