原油含水在线检测影响因素的研究

董鹏敏，徐新宇，叶子浩，田 航

（西安石油大学机械学院，陕西 西安 710065）

关键字：原油含水率；微波测量；影响参数；误差校正；检测精度

原油含水率这一参数可有效反映当前油田的开发状态且是后续原油生产加工重要参考数据[1]。 油田方面通常采用搭建在输油管线上传感器对开采原油含水进行实时检测,其按照检测原理又可分为密度检测、电容检测以及放射检测多种方法[2]。其中，微波在线检测具有检测精度高、范围广，以及检测结果不易受油水形态影响等优点[2]， 使之成为最为普遍采用的在线检测方式。但基于微波原理的实时检测极易受到开采环境因素影响，进而产生较大检测误差。因此，分析矿化度和温度对于微波检测影响原因和规律，对于提高检测精度，校正检测误差具有重要意义。

1 微波检测原理

微波检测的基本原理在于微波通过不同介质时会导致微波信号的衰减及相移变化，并且，不同物质导致“变化”各不相同。以此原理，利用对非电量有敏感响应的微波传感器将待测物件的非电量转换成微波电参量的变化进行测量[3]。

通常情况下(常温、常压)，原油其相对介电常数为2～3，水的相对介电常数为80，两者的相对介电常数相差巨大。因此，不同“比例”的含水原油通过油水介电常数的复杂运算，表现出不同的复合介电常数，其运算为[4]：

其中，εar为某含水率下含水原油的介电常数；a 为原油含水率；εrw为水的介电常数；εrν为油的介电常数；k 为仅与含水率有关的并联系数[4]。

基于这一原理，通过测得微波在不同含水率原油中信号衰减及相移变化量，即可得到原油含水数据。

2 矿化度及温度对原油含水影响机理

矿化度是指水中含钙、镁、铝和锰等金属的碳酸盐、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐以及各种钠盐等的总和。一般用1L 水中含有各种盐分的总量来表示，单位为mg/L 或者g/L,符号一般用M表示。

研究表明，油水混合液的相对介电常数与油水混合液体浓度存在如下关系：

式中：εeff为油水混合液的相对介电常数；εw为水的介电常数；c 为油水混合物的密度；a 为阳离子的化合价；μ 为油水混合物中阳离子对水的相对介电常数的影响系数；β 为阴离子的化合价；ν 为油水混合液体中阴离子对水的相对介电常数的影响系数。由上式可知，油水混合物中含有的矿物质会导致液体内阳离子和阴离子的化合价发生改变，导致油水混合液体相对介电常数εeff发生改变，从而导致测量发生误差[5]。

另一方面，现有研究已揭示当原油含水率高时，温度会对呈乳化状态下的油水混合物的介电常数产生影响，并且在温度升高时，水介电常数减小从而导致油水混合物介电常数降低，油的介电常数较小，水的介电常数较大，当油水混合物介电常数减小时，会造成“油多水少”的假象，造成含水率的测量值偏离实际值[6]。

3 试验

3.1 目的

基于微波传感含水检测，通过实验模拟实际开采环境下温度以及矿化度对于传感器检测影响。分析数据，找出温度、矿化度对于检测精度的影响规律.

3.2 仪器和试剂

仪器：烧杯若干（500mL），玻璃棒，胶头滴管，恒温水浴锅，微波含水检测传感器，电子秤。

试剂：蒸馏水，基础油，OP-10 乳化剂，无水氯化钙。

3.3 试验方案

基础油及蒸馏水配含水率 (含水率：50%、55%、60%...95%；梯度：5%) 油水混合物若干份，通过添加乳化剂使油水充分混合后使用恒温水浴锅将混合液加热到20℃ (标定温度值：20℃、40℃、60℃、80℃；梯度：20℃，共计4 类)，并在此温度下向混合液中逐步添加无水氯化钙配置混合液到标定矿化度（0 mg/kg、500 mg/kg、1000 mg/kg…10000 mg/kg；梯度：500 mg/kg 共计21组），最后通过传感器获取在温度为20℃时混合液伴随矿化度逐步递增情况下传感器检测数据，如此反复，分别获取40℃、60℃、80℃实时检测数据。

3.4 试验数据

通过如上标定数据，共计测得试验数据742组（表1）。其试验数据如下：

表中，n 为矿化度；t 为测量时溶液温度；c 表示传感器含水率测量值；δ 为含水率标定值。

表1 试验数据

3.5 结果分析

在固定为某一标定温度情况下（20℃、40℃、60℃、80℃），在CaCl2逐步添加情况下微波含水检测数据伴随矿化度变化趋势如图1～4 所示。

图1 20℃环境含水率检测值随矿化度变化曲线

图2 40℃环境含水率检测值随矿化度变化曲线

图3 60℃环境含水率检测值随矿化度变化曲线

图4 80℃环境含水率检测值随矿化度变化曲线

说明：图1～图4 分别为20℃、40℃、60℃、80℃四种温度环境，标定含水率 (50%、55%、60%...95%) 油水混合物伴随矿化度变化趋势图；共计40 条。其拟合公式见表2。

表2 含水率与矿化度二次拟合导函数

表2 中，为混合液矿化度浓度且;为拟合导函数函数值，虽部分拟合函数导数斜率＜0，但时，拟合公式导函数的函数值＞0。由此可知，在某一固定温度环境下，微波传感器的检测数值会随着混合液中矿化度的增加而增大。同时，由图1～图4 和表2 可以知道，使用微波法测量配置的油水混合液，其检测结果不仅受到混合液中矿化浓度的影响，同时也受到混合液温度的影响，且两者对于检测结果的影响规律表现为复杂非线性关系，且传感器检测结果同实际含水率区别较大。

4 结语

通过试验可以看出，就矿化度单一因素影响时，微波测量的含水数数值会伴随混合液中矿化浓度的递增而增高，且逐渐偏离了实际数值，两者变化趋势符合一定的二次函数形式。通过这一二次函数，可以得到某一油水混合液下微波传感器测量值伴随矿化度变化的变化规律，为运用于油田含水测量的微波传感器的精度提供了校正参数和理论依据。