原油含水率测量技术现状与发展

张国军，申龙涉，齐 瑞，郭荃宏，宋士祥，马 跃，张纯静，孙宪航

（1．辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2． 新疆油田油气储运公司，新疆 克拉玛依 834002）

原油含水率测量技术现状与发展

张国军1，申龙涉1，齐 瑞2，郭荃宏2，宋士祥1，马 跃1，张纯静1，孙宪航1

（1．辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2． 新疆油田油气储运公司，新疆 克拉玛依 834002）

原油含水率是原油的一项重要指标，目前对于原油含水率的测量方法有很多。主要介绍国内外原油含水率测量的主要方法，测量原理，适用环境，各自的优缺点，方法的改进措施，以及原油含水率测量的发展趋势，为含水率测量方法的选择提供参考。

原油含水率; 测量方法; 改进措施; 趋势

在石油工业中，原油含水率是一项重要指标，通过它可以预测油井水位，油层位置,对原油产量和开采价值进行估计，预测采出程度并制定相应的开采方案，预测油井的开发寿命有着非常重要意义。对于原油的开采，集输，脱水，计量，销售，炼化等产生重大影响，油田生产中需要准确及时的了解原油含水率情况，通过原油含水率来估计油井的工作状态，预计油井产量，提高油田的自动化管理，提高生产效率，起着非常重要的重要作用。

当前常用的原油含水率的测量方法大致可以分为两类，离线测量法和在线测量法，离线测量法主要有蒸馏法、电脱法、卡尔—费休法( 国标GB11146—89原油水含量测定法)；在线测量方法[1]相对较多主要有电导率法、密度法，电磁波法、电容法、射线法等，其中电磁波法又可分为三类，分别是高频电磁波法、短波法和微波法，电极电导法和电磁感应电导法都属于是电导率法。

1 离线测量法

离线分析法[2]的基本原理是将原油中的水分分离出来，既可以以体积比的形式表示出来，又可代入油水密度值，求出质量含水率。根据油水分离手段的不同，分为蒸馏法、电脱法、卡尔—费休法(国标GB11146—89原油水含量测定法)。

1.1 蒸馏法

蒸馏法的基本思路是将油水分离，分别测量油、水的质量，从而得到原油质量含水率，基本测量过程是在油品加无水溶剂，然后在水分测定仪中蒸馏，在20～25 ℃的循环冷却水条件下缓慢加热，油样、溶剂和水达到共沸状态时一起蒸发出来，溶剂沸点要比油和水电沸点低，最先汽化，同时将水分从油品中提取出来，流经冷凝再进入流入水分接收器里，由于水与溶剂在接收器中分层出现分层现象，可以通过接收器的刻度得到水分的含量，由样品的含水率水率便可推断出整个油品的含水率情况。

石油开采和加工行业原油含水率测定所用的蒸馏法主要有两种[3]，分别为国标GB /T8929—88和GB/T260—88。GB/T8929—88使用二甲苯做溶剂，测量精度高，但是使用容积量大且有毒；对于GB/T260—88，溶剂采用工业溶剂油或者是直馏汽油 80 ℃以上的馏分，当含水率较高时，精确性较低。

1.2 电脱法[4]

根据斯托克斯定律可知，水珠在油水混合物的沉降速度为：

其中，1为油密度，2为水密度，g为重力加速度， 为水珠半径， 为油的粘滞系数。增加沉降速度的方法是增加水珠半径，处在电场中的油水混合物，在电场的作用下使极性水分子发生电极化，促使水珠成为带等量异种电荷的点偶极子，由电磁场理论可知两水珠间的吸引力，电偶极子受到电场的作用力，向电极表面移动，其间距离减小，吸引力增大，半径增大，加速沉降，实现油水分离。

1.3 卡尔—费休法

其原理是在卡尔—费休[5]容量滴定过程中,试样中的水和卡尔费休试剂进行定量反应, 以此来测定水分。由于卡尔—费休法定取样周期相对较长,跟不上油品的含水率变化情况,由于采用定时取样的方式进行测量，此方法具有滞后性，不能反映出原油含水率的实际情况。

2 在线测量法

2.1 密度法

其原理[6，7]是利用油与水密度不同，将油与水看作不相容的两种液体，当油与水按不同比例混合时，得到的混合物密度也不同，根据油和水的密度，进而推算出原油含水率。

通过对油水混合物的研究发现，油水混合物存在多种模态[8]，归类后主要可以分为 4种，如图 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)，具体呈现哪种状态也不具规律性，各种状态的结构也很不稳定，密度法通常忽略了油与水的混合方式，将混合液的总体积看作油与水的体积之和，同时，原油含砂、含气均对测量结果产生很大影响，砂子密度比油大，使混合液体总体密度上升，导致计算含水率过高的误差，形成“砂吃油”现象，测量仪器内部管壁结构会产生相同的结果；同时，含气会造成“气增油”的假象，使测量结果产生很大偏差。

图1 油水混合物的4种状态形式Fig.1 Four states of oil-water mixture

对于密度法产生的误差，应在测量仪器前段进行除砂，排气，仍存密度测量不够精确的影响，密度法的关键问题[10]是密度的测量，油、水的密度要以实测为准，取样的要具有代表性，要保证取样的精度，计算过程中要及时进行温度计压力的补偿，对密度修正系数进行跟踪修正与补偿。

2.2 电导率法

电导率[10]的测量原理是将相互平行且距离是固定值L的两块极板（或圆柱电极），放到被测溶液中，在极板的两端加上一定的电势，然后通过电导仪测量极板间电导。

在油水混合物中，油、水电导率差异很大，纯油的电导率几乎接近零，矿化度决定了水的电导率，对于含水原油来说，水的电导率对于混合流体的电导率起到了决定性作用，S主要取决于S1、含水率P和相分布状态。在水的状态为连续相时，含水原油电导率和含水率可通过如下公式进行计算：

式中：S为含水原油电导率，S1为水的电导率，P是原油含水率。

2.3 电容法

电容法[12]是原油含水率测量对一种相对成熟的方法，的机理是：介电常数是电容的一个主要参数，含水原油在电容器极板间流过，原油作为电容器的介电质，作为一种特殊的介电质，其介电常数随水分含量的不同而发生变化，在实际测量过程中，含水量随机发生变化，混合流体的介电常数也随之变化，基于以上原理，便可利用油、水此电物理特性的差异，把要测量的原油含水率的变化情况以另一种形式即电容量的变化表现出来。测量电路的构成是由电容传感器和电感线两个主要组成部分，通过并联构成谐振电路，加载一个正弦激励信号，并处在固定频率范围内，电容不同，阻抗也完全不同的，可测量物理量电压也是一个与之对应的量，可通过电压的测量得到原油含水率。

很多因素都会影响到传感器的输出[12]，水分含量只是其中一个主要影响因素，还有很多不可忽略的因素决定测量的精确度，例如温度会导致传感器的性能不能保持稳定状态，当忽略了温度的影响后，测量精度会明显降低。对于高科技的采用可以减少测量过程中的误差，采用较多的技术是多传感器信息融合技术，可以同时监控温度、水分等多个参数消除温度干扰量的影响，可以提高测量精度。电容法的优点是其被采用较多的原因，当采用多传感器融合技术后，测量精度会很高，成本相对较低，结构简单，便于使用过程中维修与管理，对于含水率比较低的时候会有很高的精确度，当含水率升较高时，测量精度有所下降。

2.3.1 射频电容法

射频振荡器是一种产生稳定的高频振荡电压[13]的电子器件，射频电容法正是利用这种方法，利用电感线圈并将其耦合到谐振电路中，传感器探头(电容器)作为谐振回路，油和水作为电容介电质，油的介电常数很低，水的介电常数很高，利用油与水介电常数的不同，通过检测电容即可得出原油含水率。

油水混合液体中介电常数通常由H-B公式[14]求得，即：

式中：em为混合液体介电常数，s为电容器极板正对面积，X为原油含水率，we为水的介电常数，pe为油介电常数。

电容法测量范围比较大，灵敏度也很高，机械损失小，响应时间短，适应性强，成本低，但是容易受周围环境影响，设计时需要考虑寄生电容的干扰，同时要进行温度补偿，水的矿化度也是不可忽略的影响因素。电容探头一般适用于恒温、不含气原油、含水率<10%的情况。

2.4 电磁波法

根据油和水这两种介质物理性质的不同，它们对电磁波吸收能力有很大差别，利用震荡电路，将电能转化为电磁波，并将其辐射到油水混合物中，并对穿过混合流体的电磁波进行接受，含水率不同是，混合流体对电磁波的吸收也不同，通过接受到的电磁波的强度来检测原油含水率。

2.4.1 短波法

短波法[5]是电磁波法的一种，由于波长较短，相应的是一个具有较高频率且稳定的电磁波,通过耦合形式可以进入谐振回路。短波发射天线的探头的电容量决定谐振回路的固有频率。利用测量探头来检测原油含水率，其含水率与探头的电容量成正比关系，通过探头可以得到一个电压信号，短波法对于环境的温度要求较高，不可以有较大的温度波动，振荡器要产生稳定的振荡频率，当这些要求都能达到时，灵敏度非常高。

2.4.2 微波法

微波法[15]是一种非接触测量方法，能够最大程度的减小结垢、含蜡的影响，更好的解决压力与温度的变化以及不利工况等问题。

微波法也是利用油水混合物介电常数不同的原理来测量原油含水率的，不同含水率的原油对对微波信号的吸收能力存在差异。油水混合物的含水率可通过接收到的穿过混合流体的微波信号大小得到。

由于微波的穿透特性很强，只要得到测量信号的衰减值以及相位移，便可得到原油含水率，此方法可实现高速测量，减少对管道的破坏，实现无损测量。基于微波信号的衰减值和相位移同时是含水率和混合流体密度的函数，含水原油中存在油气水三相，混合物在管路的流动过程中，油气水三相流型以及温度梯度对混合流体的密度产生影响，发生密度不能保持一致[13]的现象。此现象可以通过双参数法和双频率法，可采取同时使用两个频率的微波分别测量，可消除该密度影响。但是由于此方法比较复杂，成本较高，维修费用高，在实际用用还是比较少。

2.5 射线法

射线法主要应用于油井，油田计量站间的计量，基本工作原理[16]在于： 油、气、水对射线吸收能力有很大差异。当射线穿过被测介质后过程中,被介质吸收，其强度有所衰减,其中有两个主要因素对衰减程度起重大作用[17]，一个是介质的线性吸收系数，另一个是介质的密度。当介质为多种流体的混合物时, 射线强度由于射线的吸收而发生衰减,其中介质的种类以及各种成分在介质中所占的比例都会对衰减程度产生影响。

管道内径D，水的折合长度为 ，油的折合长度为，当管道为中空时和管道内充满油水混合液体时，接受装置检测到 射线的强度分别为 , ,则有[18]管道内径D，水的折合长度为a，油的折合长度为b，当管道为中空时和管道内充满油水混合液体时，接受装置检测到 射线的强度分别为,则有[15]

质量含水率

I0需要现场标定，，需要进行温度补偿，以实际密度为准。从现场应用情况来看，应用射线法原理的原油含水率自动监测仪是一种应用较多，效果比较理想的测量仪器，可靠性以及稳定性相对较好，采用的技术也比较先进，。射线法的测量范围最宽，含水率在0%～100%范围内此方法均可测量，测量精度较高，误差在2.8%左右，此方法最大的确定就是安全性较低，由于仪器中含有辐射源，成本较高，日常维护费用昂贵，为了防止射线对人体的伤害吗，需要采取防护措施，我国现场采用此项测量技术的实例不多。

3 测量方法的比较

离线测量方法随机性大，取样不及时，连续性差，劳动强度大，油田生产过程中自动化程度不断提高，迫切需要引入自动含水检测仪表，这对于提高交接原油含水测量的精度，减轻工人的劳动强度，有着十分重要意义，在线测量方法将成为一种趋势。

电容测量法是最成熟的一种测量方法，我国采用最多的一种方法，但电容测量法对于低含水的原油测量精度较高，电容探头一般适用于恒温、不含气原油，含水率<10%的情况[19]。对于高含水的原油测量精度较低。若采用多极板式电容传感器测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测量结果都比较精确，同时也扩大了测量范围。

国外在测量含水率较低时，电容法和微波法原理适用于含水率较低的情况，国外应用较多，基于这两种方法制造的测量仪器可以对温度进行补偿，此类仪表的稳定性和分辨率都很高；微波法则适用于含水率较高的情况；当水相占据主导地位的情况下，首选电导率法，在此情况下，其准确性最高。

测量管线中的原油的含水率时，表现较好的只有基于射线法的测量方案，电容法，微波法，短波法等几类含水率测量仪表都属于接触式测量, 传感器只有在置于管道内部的条件下才能实现其功能，由于原油的腐蚀性较强, 结垢、结蜡现象比较严重,致使仪表长期运行的可靠性差,精度降低严重，更重要的是这些仪表都无法消除含气对含水率测量带来的影响, 因此原油计量自动化始终处于一个比较低的水平， 射线法具有快速、准确和易于测量等优点，但是也存在着致命的缺点，此方法成本较高，维护费用贵，同时 射线法对人体的辐射性更是不可忽视的，在现场应用情况来看，前期精确度较高，但后期缺乏专业维护，工人对其也具有恐惧心理，应用情况不是很理想。

超声波共振法[20]是一种应用不多的测量方法，此方法有很多其他在线测量法无法相比的优点，可以忽略电导率对信号产生的影响。对于静态和动态，此方法都变现很好。

4 发展趋势

由于原油含水率时刻发生变化，要求取样速度要快，保证取样的含水率情况能够代表实际原油含水率情况，目前应用的原油含水率测量方法很多，适用范围以及性能指标差异很大，真正投入应用的测试仪器不多，在这样的形势下，增大仪器可测量范围，提高测量的精度，可通过显示仪表直接读取数据，在线测量仪表将会得到更好的应用，使原油含水率测试耗时更短，精确度更高，成本更低。

根据我国油田生产过程中含水率的测量情况看，传感器是原油含水率测量仪器的主要组成部分，传感器要受到很多因素的影响较大，比如温度就是其中一个比较重要的因素，当含水率没变而温度变化时，传感器也会输出变化的信号，造成测量误差。目前多传感器融合技术[21]是一项比较先进的技术，应用到原油含水率测量上来会使测量精度大大提高，多个传感器可同时对多个变量进行检测，主要是针对那些对含水率影响较大的因素，这样便可把其他影响因素对原油含水率的影响降低到最低程度。

采用多种信息技术对原油含水率进行测量，使测量仪器的体积越来越小，成本和维护费用越来越低，降低了工人操作仪器的难度。测量方法向高精度，快速化，智能化，综合自动化方向发展。原油含水率测量方法还有很多，如红外线法，超声波法等，在应用上还不是很多，为了实现现场应用，还需更多研究。

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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

张国军（1986-），男，辽宁朝阳人，硕士研究生，研究方向：稠油管道输送技术。E-mail：zhangguojun6@126.com。