常用原油含水率測試方法

1、常用原油含水率測試方法常用原油含水率測試方法1、原油含水率靜態(tài)測試方法分析原油含水率靜態(tài)測試方法是通過人工取樣后運(yùn)用物理或化學(xué)方 法實(shí)現(xiàn)油水分離后計(jì)算原油含水率。目前主要的靜態(tài)測試方法有蒸館 法、電脫法、卡爾費(fèi)休法。1/1、蒸憎法蒸餡法的測試原理是通過加熱原油將油和水分離，分別測試原油 質(zhì)量以及蒸發(fā)出的水分質(zhì)量，并計(jì)算出水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。蒸餡法的測 試過程是在原油中加入與水不相溶的溶劑，在原油與溶劑混合以后并 開始回流的條件下加熱，此時(shí)原油、水分和溶劑在沸騰狀態(tài)時(shí)會一起 蒸發(fā)出來，溶劑因沸點(diǎn)最低第一個(gè)被氣化，之后水分通過冷凝管進(jìn)入 水分接收器中，通過水分接收器的刻度讀出水分的含量，從而計(jì)算出 原

2、油含水率。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。a為圓底燒瓶，b為接受器，c為冷凝器，d為干燥管。最初實(shí)驗(yàn)室通常采用蒸餡法測試原油含水率，但石油生產(chǎn)行業(yè)主 要根據(jù)原油水含量測定法一蒸鐳法(GB/T8929-1988)來測試，石油加工行業(yè)則按石油產(chǎn)品水含量測定法一蒸諂法(GB/T260-1988)測 試。GB/T8929-1988使用有較大毒性的二甲苯做溶劑，對操作人員危 害大，同時(shí)也污染樣品和環(huán)境;GB/T260-1988則以直鐳汽油80C以上 的館分做溶劑，盡管毒性不大，但是測試的結(jié)果誤差太大。1.2電脫法電脫法的測試原理是通過高壓電場，利用電破乳技術(shù)使油水分 離，來測試原油的含水率。這種方法適合一些儀器

3、的設(shè)計(jì)開發(fā)，例如 Dst-III石油含水電脫分析儀。電脫法的分析液量大、分析速度快，操 作簡單、無“二次采樣”誤差以及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)使其備受青睞。但 是電脫法同樣存在著一些缺點(diǎn)，如在脫水過程中，油樣需要加溫，易 使原油劇烈沸騰而外溢，與帶電的內(nèi)、外電極裸露的金屬部分觸碰， 易引起電擊危險(xiǎn)。圖2為原油含水電脫分析儀結(jié)構(gòu)示意圖。播加!A電障(220V外電樸低電位-異性itmsM加怏元件內(nèi)電電位)鬲刖電壓 8KV井沖電帝由水狙化滾水侏游離水圖2原油含水電脫分析儀結(jié)構(gòu)示意圖1.3卡爾費(fèi)休法卡爾費(fèi)休法是實(shí)驗(yàn)室中標(biāo)準(zhǔn)的微量水分測試方法，對于有機(jī)液體， 是國際國標(biāo)方法原油水含量測定卡爾費(fèi)休庫侖滴定法(GB/

4、T 11146-2009)o它的測試原理是利用含碘、二氧化硫、毗啜及無水甲醇 溶液(通常稱為卡爾費(fèi)休溶液)與試樣中的水進(jìn)行定量反應(yīng)，根據(jù)滴定過程中消耗的卡氏試劑的量，計(jì)算原油的含水率?？栙M(fèi)休法是 有水存在的條件下，樣品中含有的水與卡爾費(fèi)休試劑中的產(chǎn)生化學(xué) 反應(yīng)。但這個(gè)反應(yīng)是可逆反應(yīng)，如果想讓化學(xué)反應(yīng)一直向正方向發(fā)展， 則需要加入適當(dāng)?shù)膲A性物質(zhì)以中和生成的硫酸，這就需要在溶液中加 入吡啶來消耗己經(jīng)生成的硫酸，其化學(xué)方程式為 :C5H 5NS03 不穩(wěn)定，會與原油中的水發(fā)生反應(yīng)， 消耗掉一些水從而 影響測試結(jié)果，為了使它穩(wěn)定，需加入無水甲醇，在無水環(huán)境中進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中通過陰陽電極來

5、判斷原油中的水分是否被完全 消耗，當(dāng)原油中的水分被完全消耗掉之后，電極將不會導(dǎo)電，此時(shí)讀 出消耗的卡爾 .費(fèi)休試劑的體積，即可計(jì)算出原油的含水率。圖 3 所示 的檢測儀器是由南京科環(huán)分析儀器有限公司生產(chǎn)的 KF-1B 型水分測 定儀，就是使用卡爾費(fèi)休法。 KF-1B 型水分測定儀所使用的標(biāo)準(zhǔn)是 GBlT11146-2009，目前己經(jīng)可以進(jìn)行工業(yè)化原油含水率的檢測分析。圖 3 KF 一 1B 型水分測定儀但是卡爾費(fèi)休法只適用于微含水量的分析，對于高含水率的分 析就有些“力不從心”了，對于高含水率的原油會增加檢測人員的工作量。雖然卡爾費(fèi)休試劑可以多次使用，但是也存在失效問題，對同一樣品進(jìn)行的多次測

6、試，結(jié)果難以相同，因此無法對測定的結(jié)果做 出準(zhǔn)確的判斷，且測試所使用的溶劑也會污染電極的表面。同時(shí)，卡 爾.費(fèi)休法對于外界環(huán)境要求比較高， 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程必須在完全密閉的 空間中進(jìn)行，否則空氣中的水分會影響測試結(jié)果，因此也不適合野外 作業(yè)。2 原油含水率動態(tài)測試方法分析隨著科技水平的提升，原油含水率動態(tài)測試方法在油田生產(chǎn)中得 到了快速的發(fā)展，國內(nèi)外先后開發(fā)出許多在線測試儀器，使用這些儀 器后降低了勞動強(qiáng)度， 節(jié)約了生產(chǎn)成本， 提高了測試速度和測試精度， 使油田自動化生產(chǎn)水平上升了一個(gè)新的高度。目前常用的動態(tài)測試方 法有:電磁法、密度法、電容法、超聲波共振法、紅外光譜法以及過程 層析成像法等。2.

7、1 電磁法近些年的研究中，學(xué)者們更傾向于從電磁波的角度來研究原油含 水率的測試方法，做了大量的調(diào)查研究，并取得了不少成果。目前市 場上也有很多種基于電磁波法測試原油含水率的儀器。依據(jù)不同的電 磁波頻率，目前市場上使用的電磁波主要有 :微波、短波、紅外線、 x 一射線以及 Y 射線?；陔姶挪y試原油含水率的方法主要有兩大類， 一是通過電磁波的共振技術(shù)來測試原油含水率 ;二是利用混合介質(zhì)對 電磁波的吸收特性來測試原油含水率。1.射線法 射線法主要是運(yùn)用 .射線透射的有關(guān)性質(zhì)以及不同厚度的介質(zhì) 衰減程度不同的原理。首先 .射線源會產(chǎn)生射線，當(dāng) .射線透射過介 質(zhì)時(shí)，會與介質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓

8、效應(yīng)和電子效應(yīng)。由于油 和水對 .光子的吸收率不相同，因此通過油水兩種介質(zhì)對同一 .射線 的線性吸收系數(shù)差別來計(jì)算原油的含水率。射線與物質(zhì)的一次碰撞中損失其部分能量， y 射線穿過物質(zhì)時(shí)， 它的強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，如圖 4 所示，當(dāng)一束初始強(qiáng)度為風(fēng)的 .射 線透射過厚度為 x 的介質(zhì)時(shí)，其衰減強(qiáng)度為 NX，則可由式子表示 :但在現(xiàn)場儀器的設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，窄束條件難以實(shí)現(xiàn)，為此在現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用中多數(shù)采用準(zhǔn)窄束條件，即光子衰減規(guī)律為 :B 與光子能量、介質(zhì)性質(zhì)、儀器構(gòu)造相關(guān)，需通過測試來確定。 u 代表介質(zhì)對 射線吸收能力， 它與 射線的能量以及介質(zhì)成分相關(guān)。 u 值越小， 表示介質(zhì)對射線的吸收能

9、力越弱， 。值越大， 則介質(zhì)對射線的 吸收能力越強(qiáng)。圖 4 射線透射原理圖圖 5 射線法測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 5 為 射線法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖， 射線法一般運(yùn)用于在線檢 測，其量程較寬，采用的是非接觸測試方式，所以以此方法生產(chǎn)出來 的儀器適合在一些惡劣環(huán)境及條件下工作，不會因?yàn)楣艿纼?nèi)因結(jié)垢、 結(jié)蠟而導(dǎo)致測試誤差，除此之外，這種測試儀器工作穩(wěn)定性好，可長 期運(yùn)作，安全可靠，可以進(jìn)行連續(xù)在線測試，而且易于操作，便于生 產(chǎn)自動化管理，同時(shí)提高生產(chǎn)過程和管理過程中的自動化水平。當(dāng)然 該儀器的缺點(diǎn)也相對較多 :對 60 MeV 的 射線來說， 油和水的吸收系 數(shù)相差太少，僅僅 20% ，因此儀器測試結(jié)果的精

10、確度不高 ;造價(jià)高， 使用方法復(fù)雜且不便于維修 ;存在射線輻射， 使得使用儀器的油田工作 人員有抵觸心理。2.短波吸收法 短波吸收法是通過電磁波的形式使電能輻射到混合介質(zhì)中，其頻 率范圍在 3-30MHz 。短波頻率段的電磁波與介質(zhì)作用主要體現(xiàn)在吸收 能力上，根據(jù)油、水這兩種介質(zhì)對短波吸收能力的不同，檢測出油、 水混合液中水的含量。圖 6 為短波吸收法測試原理框圖。圖 6 短波吸收法測試原理框圖電磁波穿過介質(zhì)后，一部分被吸收，其強(qiáng)度只與油水乳化液中水 占得比例相關(guān)組成指數(shù)規(guī)律，這種能量的減小服從朗伯一貝爾定律， 即:由上式可看出， 當(dāng) I 出 一定時(shí)， 電磁波的入射波強(qiáng)眾與介質(zhì)的分子 數(shù) N

11、成指數(shù)變化規(guī)律，其中介質(zhì)吸收系數(shù)刀由介質(zhì)自身特性決定。因 此不同介質(zhì)吸收系數(shù)的不同導(dǎo)致此公式只適用于頻率單一的電磁波。若介質(zhì)由多種物質(zhì)構(gòu)成，則公式應(yīng)變?yōu)?因此，在原油介質(zhì)中，公式轉(zhuǎn)變?yōu)?:從上式表明電磁波入射強(qiáng)度人與原油含水率的響應(yīng)為指數(shù)型， 在此原理的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)原油含水率的測試。雖然短波吸收法測試 原油含水率只適用于高含水階段的油井，但是短波吸收法對原油溫度 和含鹽量不敏感，因此，溫度漂移以及水的礦化度對測試精度的影響 非常小，但同樣由于采用電磁波技術(shù)，致使該方法所生產(chǎn)出的產(chǎn)品成 本特別高，使用和維護(hù)困難，阻礙了對其的運(yùn)用。3.微波法微波是一種高頻電磁波， 頻率范圍約為 300MHz-3

12、00GHz（ 波長 1 米1 毫米 ），其傳輸主要依靠交變電場和交變磁場的相互感應(yīng)。在微 波通過電介質(zhì)的時(shí)候，電介質(zhì)會被極化，從而造成微波能量的衰減， 從而可以測試出當(dāng)微波通過待測物質(zhì)時(shí)，前后衰減的變化值會間接反 映物質(zhì)的一些特殊性質(zhì)。圖 7 微波與介質(zhì)作用示意圖圖 7 為微波與介質(zhì)相互作用后，反射與透射及介質(zhì)損耗形式示意 圖。微波法的原理是基于介質(zhì)對微波的吸收原理，利用傳感器將含水 率轉(zhuǎn)化成電信號進(jìn)行測試，然后輸入到儀表的模擬輸入通道。在微波 電 場 中 ， 水 的 儲 能 系 數(shù) EHW, 和 耗 能 系 數(shù) Ecw 都 比 較 大，而油的儲能系數(shù)。和耗能系數(shù) Ec。都比較小因此水分對微波

13、的吸收效果最明顯。 基于微波法 原理，采用微波反射式結(jié)構(gòu)，將含水率變化引起的微波衰減量轉(zhuǎn)化為 電信號輸出，從而建立電信號與原油含水率的關(guān)系。圖 8 為微波法測 試系統(tǒng)原理框圖。圖 8 微波法測試系統(tǒng)原理框圖微波法測試含水率是非接觸式測試方法，可以較好地防止原油對 傳感器造成腐蝕性等影響，而且測試量程寬，測試系統(tǒng)比較牢固、小 巧易攜帶，對人體的輻射影響也較小，測試精度、運(yùn)行穩(wěn)定性、安裝 方式等方面處于領(lǐng)先的地位。但是由于油水兩相流是一種非常復(fù)雜的 非線性時(shí)變系統(tǒng)，微波和混合介質(zhì)的關(guān)系理論研究并不完善，其測試 結(jié)果精度受到影響。而且由于微波系統(tǒng)安裝困難，造價(jià)較高，因此在 國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用中比較少見。4

14、.同軸線相位法根據(jù)同軸線的傳輸模式， 電磁波在同軸線內(nèi)部的傳輸模式為 TEM 波，不存在其它模式的波。利用電磁波在同軸線內(nèi)傳播時(shí)產(chǎn)生的相位 移和幅度衰減來測試原油含水率。同軸線結(jié)構(gòu)如圖 9 所示，以同軸線 作為測試傳感器，使油水混合介質(zhì)在同軸線傳感器的內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體 之間流過，并轉(zhuǎn)換傳播電磁波能量的載體，在選擇正確傳感器參數(shù)的 基礎(chǔ)上，保證電磁波在同軸線內(nèi)以 TEM 波傳播，通過測試電磁波在 同軸線內(nèi)傳播的相位特性，并經(jīng)過運(yùn)算得到同軸線內(nèi)油水混合介質(zhì)的 介電常數(shù)，再運(yùn)用混合介質(zhì)等效介電常數(shù)模型計(jì)算原油的含水率。其測試原理框圖如圖 10 所示:圖 9同軸線結(jié)構(gòu)示意圖圖中 r 為內(nèi)導(dǎo)體外徑， R

15、為測試儀器內(nèi)徑。圖 10 同軸線相位法測試系統(tǒng)框圖此法能夠?qū)崿F(xiàn)油井高含水狀態(tài)的動態(tài)測試，在一定程度上降低 了含水率波動產(chǎn)生的影響，同時(shí)通過傳感器的優(yōu)化降低水礦化度產(chǎn)生 的影響，但是在低含水率階段，由于測試儀器會受到流量變化產(chǎn)生的 影響，對測試的影響較大 ;2.2 密度法密度法是利用油、水的密度的差異特性來測試原油含水率，通過 壓力傳感器測試原油的密度，利用原油含水率與原油密度之間的關(guān)系 計(jì)算原油含水率。密度法的優(yōu)點(diǎn)是不受混合液相間變化帶來的影響， 成本低，維護(hù)方便，但是當(dāng)原油含水率較低時(shí)，油的密度和原油的密 度相近，導(dǎo)致含水率測試的誤差增大，因此該方法不適用于低含水率 測試。2.3 電容法1.

16、電容法 電容法的測試原理主要是利用油水介電常數(shù)的差異特性?；旌辖?質(zhì)的等效介電常數(shù)會隨著含水率的變化而變化，利用電容傳感器把介 電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化，然后利用電容值測試?yán)碚摐y得電 壓值，根據(jù)電壓值來間接測試原油含水率。 如圖 11 所示為同軸電容式 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，采用電容法研制的在線測試儀器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備搭 建簡單，安裝方便，測試成本低，測試精準(zhǔn)度高，易于維護(hù)等，因此 廣泛應(yīng)用于實(shí)際油田的開采中。但同時(shí)也存在電容法的量程范圍小， 區(qū)分度較差，在高含水率的原油的測試中效果不明顯等缺點(diǎn)。然而隨 著我國大多數(shù)油田進(jìn)入開采末期，產(chǎn)出原油含水率較高，限制了這種 方法的發(fā)展與應(yīng)用。圖 11 同

17、軸電容式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2.射頻電容法 射頻法也是利用水和油介電常數(shù)差異的特性來測試原油的含水 率。由于油和水的相對介電常數(shù)差距較大，從而顯現(xiàn)出了不同的射頻 阻抗特性。將傳感器放于原油中，在傳感器的尺寸和結(jié)構(gòu)確定時(shí)，測 試的電容量和原油等效介電常數(shù)成正比。則油水混合介質(zhì)的射頻阻抗 z 為 :若原油的含水率不同，那么原油的等效介電常數(shù)也不相同，導(dǎo)致 傳感器的射頻阻抗存在差異。因此，通過傳感器的探頭可以將原油含 水率轉(zhuǎn)換為電容值的變化。 當(dāng)射頻信號通過天線傳播到原油的負(fù)載時(shí)， 該負(fù)載阻抗會依據(jù)原油含水率的變化而變化，采用電流互感器，可以 測試出阻抗變化所造成的電流變化信號，使電容傳感器輸出一個(gè)電信

18、號，由此來測試原油的含水率。測試結(jié)構(gòu)示意圖如圖 12 所示:圖 12 射頻法測試結(jié)構(gòu)示意圖射頻電容法是一種新型的測試原油含水率的技術(shù)。這種方法以射 頻阻抗理論為基礎(chǔ)，具有測試精準(zhǔn)度高、重復(fù)性好、占用體積小、反 應(yīng)快等特點(diǎn)。通過建立的標(biāo)定表，此法也可應(yīng)用到低含水率范圍的測 試。同時(shí)在再傳感器內(nèi)部加入測試電導(dǎo)率的線路可以擴(kuò)大含水率測試 的范圍。但是利用這種新型技術(shù)的測試儀器成本較高，維護(hù)也不易， 因此還未得到廣泛為應(yīng)用。2.4 超聲波共振法如圖 13 所示為超聲波共振測試儀的工作示意圖， 它的原理是利用 超聲波在恒速流動介質(zhì)中傳播、反射規(guī)律以及多普勒效應(yīng)，通過在超 聲變頻發(fā)射電路中引入正反饋，使測

19、試系統(tǒng)自動地尋找共振點(diǎn)。不同 含水率的原油具有不同的共振頻率，采用一組超聲波轉(zhuǎn)換器以及對共 振點(diǎn)的確定就可以實(shí)現(xiàn)對原油含水率、密度等多項(xiàng)參數(shù)的測試。圖 14 為超聲波共振法測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖 13超聲波共振測試儀的工作示意圖圖 14 超聲波共振法測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖通常原油中含有較多的雜質(zhì)，不同雜質(zhì)的吸收能力不同會對測試 精度產(chǎn)生較大影響，同時(shí)測試探頭制作過程復(fù)雜，成本高，使用和維 護(hù)困難，因此超聲波共振法僅適用于研究。2.5 紅外光譜法紅外光譜法的原理是基于油、水對近紅外光譜吸收能力的差異特 性來實(shí)現(xiàn)原油含水率的測試。 如圖 15 所示，原油中水分子和原油成分 中的 C-H 鍵對近紅外光的吸收峰不同。 根據(jù)光的吸收原理， 當(dāng)單色的 平行光束透射過均勻介質(zhì)時(shí)， 被吸收的光能和被測介質(zhì)的濃度 有關(guān)。圖 15 水與不同成分原油的近紅外光譜圖 所以說，只要提取被水吸收的特定波長，并且通過分析被測介質(zhì) 透射光功率的變化情況，就能得到原油的含水率。目前采用紅外光譜 法產(chǎn)品有美國 PI 公司的紅眼含水測試儀， 其特點(diǎn)是靈敏度較高， 反應(yīng) 快，不破壞樣品，精度一般為 0.5%-1.0% 被測原油中水分分布不均對 測試有影響，可用于在線測試，但是價(jià)格昂貴，使用和維護(hù)復(fù)雜。2.6 過程層析成像法過程層析成像技術(shù)在 20世紀(jì) 50 年代中后期逐漸發(fā)展起來，它是