原油含水率测量技术综述

李清玲 彭 军 唐德东 陈克勤 李太福

(1.重庆科技学院信息工程学院，重庆 401331;2.重庆市安全生产科学研究院，重庆 401331;3.中国石油西南油气田公司重庆气矿，重庆 400021)

原油的含水率在油田开采、脱水、运输、销售等环节都具有极其重要的影响。水的存在会导致油液乳化浑浊，黏度增加，对设备腐蚀加重，同时也加大了管道的运输功耗，造成管道运输不稳定。目前，原油含水率的测量方法主要分为离线测量和在线测量。离线测量通常在实验室完成，需要对样本进行取样。由于取样的随机性大，取样不及时，导致油品性质或原油含水率可能发生改变，且在恶劣的天气情况下，化验的劳动强度更大，不能较好地满足油田生产自动化管理的需求［1］。因此，基于原油样品的物理和化学性质，直接测量其组分及含量的在线测量技术得到了广泛的应用。

近年来，国内外许多学者致力于研究原油含水率的在线测量技术，研制新型传感器等。本文介绍国内外测量原油中微量水和较高含水率的一些测量方法及研究进展。

1 原油含水率测量技术现状

1.1 原油含水率离线测量

离线测量的主要方法有卡尔—费休、蒸馏法、离心法和电脱法等。卡尔—费休法是我国测量微量水的标准方法，蒸馏法和电脱法是当前油田测量高含水率原油的主要测量方法。

卡尔—费休法［2］测量原理:原油经混合器混合均匀后，称取一定量的试样注入到卡尔 —费休库仑仪的滴定池中，在阳极电解生成用于卡尔 —费休库仑反应的碘。当所有的碘被滴定，过量的碘通过电量终点检测器检测，滴定结束。其反应方程式如下:

此方法可对含水率在0.02% ～5.00%范围内的原油进行全样分析，不受原油乳化程度的影响，测量稳定性好。但由于精确度高，过于敏感，有些具有副反应的物质如酮类、醛类的测定较困难，需要根据一定的经验控制反应方向。

蒸馏法测量原理:当油液与无水溶剂混合蒸馏时，由于溶剂中的轻组分会首先气化，在气化过程中将油中的水携带出去并在冷凝管中冷凝，如此反复气化冷凝，可将油中的水分几乎完全抽至接受器中，再计算接受器中的水量及所取油液量，即可测出油中水分的含量。蒸馏法的测量精度高，但是操作步骤繁琐，分离效果受油水乳化液状态影响较大。

电脱法是对油液中的水分进行电解，水被电解成氢和氧，电解电流值反应了油中水分的饱和程度。通过此方法能测量出油中游离水和溶解水的含量。

离心法是将等体积的原油和经水饱和的甲苯溶液装入锥形离心管中，离心机产生离心力对溶液中溶质进行分离，分离后读出在管底部的水和沉淀物的体积［3］。此方法的优点是分离效率高、分离器体积小，但油水分离设备不封闭，容易造成二次污染。

由于原油的性质随温度、环境等条件会发生变化，因此传统的方法即离线测量法，并不能及时反应含水率的变化情况，也不能满足油田生产自动化的管理需求。

1.2 原油含水率在线测量

原油含水率在线测量是在原油管道上安装在线仪表，使用密度计、微波、电容法等软测量技术对原油中水的含量进行实时检测和实时反馈。在线测量法主要有电容法、光谱法、阻抗法、密度法、射线法、短波法及微波法。

1.2.1 微量水的在线测量方法

微量水在线测量方法有电容法、光谱法和电阻抗法。国外主要采用电容法和电阻抗法。

(1)电容法。电容法的测量原理如图1所示。

图1 电容法测量原理图

依据油和水的介电常数不同，且相差较大，当水的含量变化时，会导致油水混合物的介电常数发生变化，从而相应的电容也会变化，将电容接入电磁谐振工作电路中，从谐振频率的变化可测出介质的含水率。在油中微量水的检测领域中，电容式传感器具有灵敏度高，结构简单，安装与维护方便等优点而被广泛应用。但由于原油成分和测量仪表的不稳定性，会引起水质矿化度不断变化，从而改变水的介电常数，带来系统误差，且电容式传感器的电容量很小，外界环境和寄生电容的变化都会影响电容传感器的精度。因此，只有加快研发多种传感器的信息融合技术来提高测量精度。

(2)近红外光谱法。由于原油成分中的C—H、N—H等和水分子对近红外光的吸收频率不同，在测得的近红外光谱图中，提取对水分吸收敏感的特定波长，通过监测经过流体的投射光强随含水率的变化情况，得到对应的含水率。待测样品浓度与吸光度的关系符合朗伯—比尔定律:

式中:A—吸光度;ε—被测组分对光能的吸收系数;c—组分的摩尔浓度;l—光通过溶液的长度。

近年来，近红外光谱广泛应用于各个领域，也取得了不少成果。如在测量油中微量水的含量时，其分析速度快、效率较高、无污染，对环境要求低，能做到对样品的无损测量［4］。但由于该方法需要预先建立校正模型，其模型建立的方法与精度都会影响测量精度。鉴于光谱法测量的众多优点，近红外光谱在各行各业的定性与定量的监测、分析中得到了广泛的应用。

(3)电阻抗法。当油气水三相混合液穿过管道内两电极之间时，其电阻和电容取决于流体的电导率、含水率、含气率和介电常数等，在流态给定和传感器的几何外形确定的情况下，测量的电阻抗值是流体组成相分率的直接函数，从而测得各相比率［5］。其优点是结构简单，价格低廉，且能进行瞬态测量。但测量值与混合液的流态有关，容易受温度和杂质等的影响。

1.2.2 高含水量原油的在线测量方法

高含水量原油在线测量方法有密度法、短波法、微波法和射线法。

(1)密度法。在线密度法测量原理是把原油看成由纯油和纯水2部分组成的混合物，由于水与油的密度不同，测量油水混合液的密度即可得到油水的含量，其原理如下:

原油的总质量:

式中:Mh—油水混合液的总质量;Mo—纯油的质量;Mw— 纯水的质量;Vh—油水混合液的体积;Vw—纯水的体积;ρo—纯油的密度;ρw—纯水的密度。

故原油体积比含水率为:

纯油与纯水的密度ρo、ρw为已知，故只需知道混合液的密度即可求出含水率。而混合液的总密度ρh可用密度计测量。冯志友等［7］人应用密度法的测量原理进行原油含水率的检测，并对误差做了简单分析，当含水率较高时随机误差小，含水率较低时随机误差大。

由于此方法测量原油含水率是在理想条件下推导出来的，在现场检测时，由于受到诸多因素的干扰，使得测量结果误差很大。其误差来源主要有:混合液温度、压力的影响;油液中含砂、含气会使密度计等装置结垢，表现为“气增油”和“砂吃油”现象，影响测量精度。因此，该方法用于对误差要求不高的油田进行测量是可行的，而对于低含水油田和测量精度较高要求的油田，应避免使用。

(2)短波法及微波法。将电能以电磁波的形式辐射到介质时，根据油、水对短波或微波的吸收能力不同来测量油中水的含量。David J C［8］利用无线电射频和微波技术研制了海底原油分析仪，Marelli J D［9］开发的微波含水测量仪已成功用于海洋管道的测量。短波或微波法不受温度、压力、水质矿化度等因素影响，且测量范围宽，但由于采用了微波技术，维护和使用比较困难，不适用于气体含量较高的原油。

(3)γ射线法。由于γ射线穿过介质时，它的强度会衰减，而衰减程度取决于介质对γ射线的质量吸收系数、介质的密度、种类和介质的组分等［10］。γ射线法的主要优点是非接触测量方式，适合在恶劣的环境和条件下使用，避免了管道内结垢、结蜡对仪表工作的影响，且仪表的稳定性好。但内含放射性物质，使用维修困难，会对人体造成伤害。

2 原油含水率测量技术的新进展

鉴于上述不同测量方法存在的各种问题，为了提高仪表的准确性、稳定性，学者们研究出了多种含水率测量的新技术，以满足油田实际生产的需要。

2.1 可同时测量流量和含水率的传感器技术

现有的测量方法是用2个传感器分别测量液体流量和含水率。而大庆油田则用流体阻抗传感器同时测量流量和含水率。其优点是将流量和含水率传感器合二为一，可同时进行流量和含水率的测量。且传感器结构简单、无可动部件、无阻流组件、仪表常数稳定、对流动无干扰、维修简单［11］。

2.2 基于人工智能技术的含水率预测方法

近年来，人工智能成为国际上非线性领域的研究热点，在原油含水率的测量中也有较好的应用前景，其中基于人工神经网络的智能测量方法的运用最为广阔［12］。小波神经网络［13］，模拟退火算法优化神经网络［14］，粒子群优化 RBF 神经网络［15］等智能方法的使用，对在线测量误差起到了良好的预报和修正作用，有效地提高了测量精度和稳定性。

支持向量机(SVM)采用结构风险最小化原则，适应于小样本建模，具有很强的泛化能力。也用于原油含水量测量模型的建立，且估算准确度较高［16］。

2.3 基于多传感器信息融合的检测方法

多传感器信息融合是把多个传感器测量到的信息进行分析和集成，提取对象的有效信息，以形成某一被测对象信息的全面和完整描述［17］。通常传感器都存在交叉灵敏度，表现在传感器的输出值不只取决于1个参量，当其他参量变化时输出值也要发生变化。因此传感器的性能不稳定，测量精度也较低。为了提高目标参量的测量精度，消除其他干扰量的影响，提高对目标参量的辨识能力，多传感器信息融合技术开辟了有效的途径［18］。张冬至等［19］人采用多传感器对水分、温度和矿化度等参量进行了测量，采用基于LM算法的神经网络信息融合方法对基于电磁波谐振技术的电容传感器进行了校正，大大提高了原油含水率的测量精度。

2.4 基于单片机控制的原油含水率测量技术

单片机控制的智能测量系统是一种集原油含水率实时测量、显示、打印与数据通讯于一体的在线式原油含水率测量系统，并且具有压力、温度和含水率超限时报警等功能。王德毓等［20］人在采用短波法、韩秀丽等［21］人利用密度法的原理结合单片机，研制了一种原油含水率实时测量系统。此单片机控制的测量系统主要优点是成本低、安全环保、便于维修和测量精度满足要求等，具有广泛的应用前景。

3 结论

原油含水率作为油田生产原油的一个重要指标，油中含水率的准确测量直接关系到企业的经济效益与发展，因此，原油含水率的测量得到了越来越广泛的重视。由于受到各种因素的影响，使得原油含水率的准确测量成为一个世界难题。今后，将多种传感器融合技术、数据处理以及化学计量学方法等技术引入到含水率的在线测量当中，研制微型原油含水率在线测量仪，降低测量难度，提高测量的精度与稳定性，将有力地推进原油含水率在线测量技术的发展，满足油田生产自动化管理的需求。

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