原油含水率测量技术综述

马文涛　郭文阁　雍 振　张 旋

(西安石油大学理学院， 西安 710000)



原油含水率测量技术综述

马文涛郭文阁雍 振张 旋

(西安石油大学理学院， 西安 710000)

摘要：原油含水率是石油工业中一个重要的检测参数，选用合适的物理方法和测量技术不仅能有效节约开发成本，还能为石油的生产、运输和使用提供可靠的数据分析依据。将传统的检测方法和新的检测方法进行对比分析，提出其发展趋势，为更高精度地测量原油含水率提供理论基础。

关键词：原油含水率； 密度法； γ射线； 电容； 微波吸收法

在原油开采和集输过程中，原油含水率的测量非常重要。利用原油含水率不仅可以预测油井生产动态，分析油井产量，还可以优化原油集输工艺。目前原油含水率的测量方法有传统人工测量方法和在线实时测量方法，具体有蒸馏法、卡尔费休法、密度法、电容法、射线法、微波法和微波谐振腔微扰法等[1]。

1传统人工测量方法

1.1蒸馏法

蒸馏法的测量原理是在原油中加入与水互不相容的溶剂，然后将溶剂和油水混合物混合均匀后在回流条件下加热。溶剂、水分和原油在沸腾状态时一起蒸发。由于溶剂本身的沸点最低，所以首先气化，水分通过冷凝管进入水分接收器中。通过水分接收容器上的刻度得到原油中水分的含量，从而计算原油含水率[2]。

蒸馏方法非常准确，但其是一种实验方法，不能满足油田现场及时测量的需要。每次测量都需要人工取样，样品随机性较大，且取样和测量过程长，至少需要2 h(最高可达4 h或更多)，不能够满足油田和原油运输管线实时监管的需求。

1.2卡尔费休法

卡尔费休法采用化学滴定的方式，通过加入特殊的化学试剂与原油中所含的水分进行反应来测取的。该方法已经被列为原油含水率测定的标准方法之一，但是其仅限于在实验室中进行微量含水率的测量，对于油田后期高含水率时的测量误差较大。

2现代在线测量技术

2.1密度法

密度法是根据油水密度差异进行测量的方法。该方法测量的基本条件是原油和水具有各自稳定的密度值。密度法的求解原理是：原油混合液通过油气分离装置后，进入测量容器，测量容器中安装有压力传感装置和液位测量传感器，测量出压力差值Δp和液位差值ΔH。根据Δp=ρhgΔH，可求得油水混合液的密度ρh：

对于油、水两相流：

其中，纯油密度ρo和纯水密度ρw已知，因此只需测得原油混合液整体密度ρh，就可通过数学计算获得原油含水率。

在测量过程中需要特别注意测量精度和气液分离程度。原油含气会使所测密度偏低，含水率偏低，造成含油率增高的假象。实践证明，若流体中有1%的气体变化时，按油、水两相测量模型得到的油水比率误差约为6%[3]。此外原油中含沙会使所测密度偏高，造成含水率偏高的假象。外界温度对原油混合液的热膨胀影响较大，当含水率较低时，相对误差变大，当含水率较高时，相对误差变小，所以密度法适合测量有较高含水率的原油。

2.2射线法

射线法测量原油含水率采用非接触测量结构，其测量原理为：当具有一定能量的γ射线穿过介质时，物体由于本身的物理特性不同，对γ射线具有一定的吸收作用，射线强度就会按照朗伯-比尔定律进行指数衰减，而且不同能量的γ射线与物体之间的相互作用特点也不相同。工程上常用能量大于60 kV(但又不足以产生电子对效应)的γ射线。根据衰减公式[4]：

N=N0e-μρd

(1)

式中：N —— γ射线穿过物体之后的强度,eV；

N0—— γ 射线的初始强度，eV；

μ —— 物体对射线的吸收系数，与物体的物理属性有关；

d —— 物体的厚度，cm。

当物体结构或者原油管线测量结构固定后，对油、水、气组成的三相介质有：

N=N0exp[-d(μyvy+μsvs+μqvq)]

(2)

式中：vy、vs、vq分别为原油的体积含油率、含水率、含气率，且有vy+vs+vq=1，将其带入式(2)后有：

lnN=lnNy+d(μy-μs)vs+d(μs-μq)vq

=lnNy+ln(NsNy)vs+ln(NqNy)vq

(3)

式中：Ns、Ny、Nq分别为厚度为d的纯水、纯油、纯气对应的γ射线的透射计数率。

令

A=ln(NsNy)

B=ln(NqNy)

则γ射线的能量f(N)=ln(NNy)。

对不同的γ射线则有：

f(Ni)=Aivs+Bivq

(4)

实验采用2种射线，则：

f(N1)=A1vs+B1vq

f(N2)=A2vs+B2vq

可见通过实验测得f(N1)和f(N2)，而A1、B1、A2、B2已知，则2个方程2个未知数，便可求得原油的含水率vs、含气率vq。射线法属于非接触测量，直接作用于介质的分子，所以射线穿过原油介质的密度和成分比例及其分布的不同并不影响系统的测量精度，而且还能同时测量含水率和含气率[5-7]。

2.3电容法

电容法的测量原理为：将电容器的敏感探头电容C作为谐振电路中调谐电容的一部分，当原油的含水率发生变化时，谐振电路的电容量会发生相应变化，使得谐振电路的固有频率发生相应变化。若谐振电路的固有频率和高频振荡器的频率相差较大时，电路回路位于失谐状态，检波后电压值较低；当两者频率相等时，电路回路位于谐振状态，检波后电压值较高。电容传感器的敏感探头常设计成同轴圆柱形状，是一段长度小于14波长的终端开路的硬同轴线。平板电容器的敏感区由管内流体部分和管外空气部分组成，对测量精度会产生不利影响[8-11]。同轴圆柱形传感器具有电容相对较大、灵敏度高、杂散电容影响小、结构紧凑、易于实现电气屏蔽等优点。

对于圆柱形理想同轴电容器，略去电极的边缘效应，放入被测液体前的电容值C0(空气εr=1 )可写为[12]：

(5)

冲入被测液体后的电容值C可以写为：

(6)

因此被测液体的相对介电常数εr为：

(7)

式中：C0—— 圆柱形理想同轴电容器，放入被测液体前的电容，F；

ε0—— 真空介电常数，Fm；

L—— 探头长度，m；

D1—— 内导体外半径，m；

D2—— 外导体内半径，m；

C—— 圆柱形理想同轴电容器，放入被测液体后的电容，F；

εr—— 被测液体的相对介电常数，无量纲。

当电容传感器结构确定，电容值C、C0已知时，就可以求出原油的相对介电常数，然后根据H-B公式[13]，油水混合介质的等效介电常数εm可表示为：

(8)

式中：εw、εp—— 分别为纯水和纯油的介电常数，Fm；

ρ —— 含水率，%。

由此可计算出所测原油的含水率。

电容法测量原油含水率所用传感器结构简单，响应速度快，灵敏度高，而且电气安装容易，气密性好。缺点在于其调理电路容易受寄生电容和外界环境变化的影响，而且在传感器前段须安装分离气体装置，定量分析表明，原油含水率的测量精度要求达到1%时，气体体积含量需要控制在1%以内。

2.4微波吸收法

微波通过含水物质时，其振幅、相位和传播速度都会发生相应的变化，变化大小取决于物质的介电常数。又由于油、水介电常数差别较大，常温下水的介电常数约为80，而无水原油的介电常数只有2.3左右，比水的小得多，因此其混合物的介电常数主要由水决定。水分子的极化特性很强，水分子在高频外电场力作用下，会频繁的换向从而消耗大量的电磁场能量。含水物质的损耗特性可以用复合介电常数ε表示：

ε=ε′-jε″

式中：ε—— 复合介电常数，Fm；

ε′ —— 介质的储能性质，反映其在电场中被极化的能力，Fm；

j —— 复数的单位向量；

ε″ —— 驰豫的宏观效果，表现为水分子对于电磁波能量的损耗，通常以热量的方式散发，Fm。

复合介电常数中ε′、ε″的大小与电磁波的频率紧密相关[14]。

因为微波通过原油混合物时，微波信号的振幅、相位和传播速度的变化主要取决于物质的复合介电常数，所以通过测量接收端微波的功率衰减、相位变化等与复合介电常数相关的物理量，就可求得原油的含水率。微波在有损耗介质中的衰减公式为：

P1=P0l-2αl

(9)

式中：P0—— 初始功率，W;

P1—— 经过原油后所测功率，W；

l —— 装原油混合物容器的厚度，m；

α —— 衰减常数；

δ —— 介质损耗大小的常数，无损耗时δ等于0。

微波法属于非接触测量，可以克服输油管道中的结垢、结蜡以及温度等因素对测量精度的影响。

2.5微波谐振腔微扰法

微波谐振腔主要分为圆柱形谐振腔和矩形谐振腔，在此只讨论矩形谐振腔的微扰法，其结构如图1所示。由于水的介电常数大，把含水样品放到谐振腔的适当位置时，所含水分微波场的损耗比其他物质要大得多。微波通过谐振腔中的油体样品后，其谐振频率和品质因数会发生相应的变化。测量原油含水率，主要测量样品原油的介电常数，所以将样品放在谐振腔微波电场最大，而微波磁场为零处[19-20]。

(10)

式中：f —— 放入样品后谐振腔的谐振频率，Hz；

f0—— 谐振腔的谐振频率，Hz ；

i —— 单位张量；

QL—— 放入样品后谐振腔的有载品质因数；

H0—— 空腔中的磁场强度，Am；

* —— 复数的共轭；

E0—— 空腔中电的电场强度，Vm；

VS—— 样品的体积，m3；

V0—— 谐振腔体积(VS≪V0)，m3。

(11)

积分得：

(12)

在谐振腔结构固定后，由式(12)可计算ε′、ε″，然后得到样品原油的介电常数，从而计算原油含水率。由于微波谐振腔属于精密测量仪器，微小的扰动和误差都会影响测量精度，所以在谐振腔加工过程中必须严格控制精度，并且谐振腔的边缘效应等会对实验结果产生很大的影响，所以要尽量选择干扰小的测量环境[21-22]。

图1　矩形谐振腔模型立体图

3发展趋势分析

油田开发后期高压注水逐渐实施后，高含水率原油的测量技术成为了研究的热点。用三相综合测量的方法取代现在的单相或双相测量技术，并且随着生产技术的发展,采用多传感器进行实时监控油井和原油运输状态成为可能。研制精密度更高、受测量环境影响小、稳定性好的传感器成为了重点。利用计算机系统将各种传感器采集的信息进行整合，尽量避免由于温度和原油矿化度等带来的测量误差，并克服不同传感器带来的测量误差，进而分析出能满足生产需求精度的数据将是未来的发展方向。

4结语

对目前各种含水率测量方法进行比较，由于微波对油品的温度和矿化度不敏感，可以较好地解决测量中含垢、含蜡、温度和压力变化、流态变化的不利影响，并且测量范围宽，所以该技术明显优于其他测量技术。但为了满足油田和石矿企业的实时自动化管理需求，在实际应用中应采用在线监测为主，离线监测为辅的测量方法。

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Study on Development of Measuring Technique for Water Content of Crude Oil

MAWentaoGUOWengeYONGZhenZHANGXuan

(School of Science, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710000, China)

Abstract:Water content of crude oil has been an important detection parameter in the oil industry. Selection of suitable physical methods and measurement techniques can not only save production costs effectively, but also improve sensor measurement accuracy to provide more reliable data analysis for oil production, transportation and use.

Key words:water content of crude oil; density method; Gamma rays; capacitance; microwave absorption method

收稿日期：2015-08-29

基金项目：国家自然科学基金项目“利用量子相干效应在原子气中实施空间光学信息处理”(11074198)

作者简介：马文涛(1989 — )，男，西安石油大学在读硕士研究生，研究方向为高频电磁波测量与仿真原油含水率测量技术。

中图分类号：TE622

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)03-0046-04