电学特性原油含水分析仪的应用探析

王龙

摘 要：原油含水分析仪的应用有效解决了传统原油含水率分析中过度依赖人工而引发的精确度不够、连续性不足、效率低下等问题。原油含水量分析仪包括电学测量、密度测量、同位素测量等多种类型，本文以电学特性原油含水量分析仪为案例，介绍该类分析仪的分析原理及应用要点，用以完善电学特性原油含水分析仪实践操作体系，供相关工作的开展借鉴参考。

关键词：电学特性;原油含水分析仪;含水率分析

0 引言

含水率测量为原油产品开发过程的基本工作，观察含水率变化可準确了解油藏动态特征，为油井开发寿命及产量预估提供理论依据，同时辅助最优开发方案的制定。在原油地面输送及处理过程中，含水率也为一项非常重要的观察指标。依照实际生产及工艺需求，适当选择含水量分析仪设备，并确保操作过程的规范性，是得出可靠含水率测量结果的基础，有必要对相关应用经验作分析总结。

1 电学特性原油含水分析仪作用原理

市面上已有电学特性原油含水分析仪包括以下四种类型：

1.1 电容式

电容式分析仪利用水油介电常数不同，当介质内含水率上升时，其介电常数随之提高，进而导致极板间电容增加。电容增加引发震荡频率变动，基于该频率即可了解介质含水情况。

1.2 短波式

短波式分析仪向测量目标发射高频电磁波信号，以传感器接收反馈信息，当水油介质流经同轴线传感器时，电磁波发生相位以及幅度衰减，信号经放大后传输至混频器。另一路信号则直接进入混频器，混合两组信号，得到中频信号并在鉴相器进行处理，得到电磁波在同轴线水油混合介质中的传播相位，若含水率发生变化，其相位随之改变，测量相位即可得到原油含水率数值[1]。该分析仪的优势为不受温度、压力等条件的影响，但因探头结蜡现象会影响测量精度，因此不可用于含气原油的检测，但适用于高含水的情况。

1.3 微波式

微波式分析仪的作用原理为：水的导电率及传导率远高于油，利用该差异可准确检测介质中的水含量。该类型分析仪需借助微波共振进行测量，而管道自然振动频率与其中运输介质密度高度相关，因此通过振动频率即可了解介质密度，获取共振频率及波峰宽度，可检测管道内介质的导电特性，然后再借助波峰的谐振频率即可了解管道内介质含水情况。该类型分析仪使用过程易发生模拟电路信号漂移问题，需做加温补偿处理，因此多被用于含水率较低的原油检测中。

1.4 射频式

射频式分析仪利用油与水的电磁波阻抗能力不同，向被检测介质发射高强度电磁波，不同含水率的介质产生不同的电磁波频率，测量该频率即可掌握介质含水率情况。

2 电学特性原油含水分析仪具体应用

2.1 系统优化设计

为进一步提高原油含水率检测的便捷性，以电学特性原油含水分中的电容检测原理为基础，设计一种新型的原油含水在线分析设备，以实现原油含水率的实时监控。

2.1.1 框架设计

在线含水分析仪由测量管段和旁通管段两部分构成，在控制阀作用下实现二者间的灵活切换，完成样本采集操作。其中，测量管段上安有测量探头及排气装置，可排除水油加热分离过程产生的气体，防止影响测量结果精确性。

2.1.2 原理分析

将在线含水分析仪安装在目标管线上，使管道内介质有效流经分析仪。系统收到采样指令后，控制阀将液流通道切换至旁通管段，截留原经过测量管段的介质，依照预设参数完成介质采样，然后依照电容式分析仪的分析原理测定、计算介质含水率。在得到最终计算结果后，控制阀将液流切换回测量管段，准备下一次采样分析。

2.1.3 作用特点

基于电容测量原理的在线原油含水分析仪具备如下作用特点：第一，可依照实际工况需求预设采样时间，完成实时采样，确保含水率检测结果的代表性。第二，取样后可在测量管段内进行介质加热，水油分离效果更优，提高测量结果精度。第三，测量管段安装排气装置，因此该仪器可被用于水油气三相混合介质的含水率检测中，适用范围更广。第四，可依照被测介质基本属性针对性调节仪器静止加热时间、温度等，提高测量管段内各相物质分离效果，削弱分离效果对含水率测量精度的影响。第五，自动分析仪提供手动和自动两种模式，其中，手动模式可用于经目标的跟踪检测。第六，分析仪自带自动控制模块，准确接收控制阀信号，并依照信号自动优化切换参数。

2.2 应用效果分析

为验证在线含水测量仪的作用效果，在输油处开展为期6个月的方案对比分析工作。其中，实验组采用自动分析仪进行原油含水检测，对照组采用手动计量阀完成含水检测，标准组则采集分析仪测量管段内的介质样本，在实验室进行人工蒸馏和分析计算，得到更可靠的含水率测量结果，与实验组和对照组结果相对比。经计算，原油含水率检测平均误差在2.25%，其中，误差在2%以内的占比在21%，误差在5%以内的占比在65%。认为导致含水率检测结果误差过大的原因为：第一，分析仪测量结果为原油体积含水，但所使用的含水值为质量含水，因此存在既定误差;第二，人工检测中取样过程无法做到绝对规范，产生取样误差;第三，介质均匀程度、温度、压力等因素的影响。

基于以上实验结果，决定对在线含水分析仪的计算软件做优化设计，进行体积与质量的换算纠正，同时添加温度补偿。硬件结构方面，在分析仪入口之前安装混配器，提前将介质混合均匀，以消除介质不均匀对测量结果精度的影响。

经改进后，在线含水分析仪的检测精度充分达到原油含水率检测的要求。另外在经济性方面，若依照100个取样点/d进行经济效益估算，在引入在线含水分析仪后，输油处每年可节约样本采集成本3.35万元，且减少采样及化验人工需求8人，最终可节约原油含水检测总成本55万元，经济性突出。

2.3 注意事项总结

为使在线原油含水分析仪的作用优势充分发挥，在使用该仪器的过程中还应确保有关操作的规范性，同时定期开展仪器设备维护工作。

2.3.1 科学选取应用范围

当水油比例达到一定水平时，水油乳化液可能发生相互转变，其相变多发生在含水率在50%～60%的范围内，该范围与乳化液结构特点有关。若乳化液为油连续相，则分析仪分析结果可靠，若为水连续相，则会带来较大的测量误差，多导致测得的含水率偏高。该问题可用西尔伯施泰因--牛顿公式来解释，即ε=εH（1-w）+εBw，其中ε、εH、εB、w分别表示测得介电常数、非对称流体连续相介电常数、非对称流体分散相介电常数和分散相介质体积含量。

基于以上背景，使用电学特性含水分析仪进行原油含水分析时应注意以下问题：第一，此类型分析仪仅可可靠测量已分散水分的含量，为保证测量效果，应将设备安装至垂直管段，提高水油分离效果。第二，若原有含水率已超过60%，应选择其他类型的分析仪，主要是由于自然乳化液中的含水率很难超过60%，若超过，会出现游离水、相转变等问题。虽然目前市面上不少分析仪的测量范围均在0～100%，但其有效量程并未达到该水平。若原有含水率超过60%，可在仪器之前安装水油分离装置，将乳化液含水率处理至50%以下后再进行测量。

2.3.2 加强检测条件监控

介质介电常数温度敏感性较强，如20℃时，水的介电常数在80.1，当温度达到100℃时，介电常数降低至55.72。原油含水率测量中，不同类型原油的介电常数差异显著，受测量条件及分析仪校验条件的影响，可能出现乳化油介电常数变化的现象，进而导致含水率测量误差。针对该问题，可参考前文新型在线原油含水分析仪，在系统内添加温度补偿，以有效消除溫度参数影响，尽可能使仪器校验温度与工况温度相同。

3 结论

原油生产质量标准提升促使原油含水分析活动频繁开展，对分析精度、效率及便捷性提出更高要求。充分了解电学特性原油含水分析仪的检测原理和适用条件，并结合实际检测需求进行仪器改造设计，借助在线含水分析仪，实时、高效进行原油含水率分析，以获取更可靠的分析结果。

参考文献：

[1]王少松，谈得芳.新型在线含水分析仪在西北油田的应用[J].化工自动化及仪表，2019，46（12）：1051-1054.