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用物理或化學方 法實現(xiàn)油水分離后計算原油含水率。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 質量以及蒸發(fā)出的水分質量，并計算出水分的質量分數(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，此時原油、水分和溶劑在沸騰狀態(tài)時會一起 蒸發(fā)出來，溶劑因沸點最低第一個被氣化，之后水分通過冷凝管進入 水分接收器中，通過水分接收器的刻度讀出水分的含量，從而計算出 原

2、油含水率。圖1為實驗裝置的示意圖。a為圓底燒瓶，b為接受器，c為冷凝器，d為干燥管。最初實驗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、的設計開發(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)點使其備受青睞。但 是電脫法同樣存在著一些缺點，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、外電極裸露的金屬部分觸碰， 易引起電擊危險。圖2為原油含水電脫分析儀結構示意圖。播加!A電障(220V外電樸低電位-異性itmsM加怏元件內電電位)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構示意圖1.3卡爾費休法卡爾費休法是實驗室中標準的微量水分測試方法，對于有機液體， 是國際國標方法原油水含量測定卡爾費休庫侖滴定法(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(通常稱為卡爾費休溶液)與試樣中的水進行定量反應，根據(jù)滴定過程中消耗的卡氏試劑的量，計算原油的含水率?？栙M休法是 有水存在的條件下，樣品中含有的水與卡爾費休試劑中的產(chǎn)生化學 反應。但這個反應是可逆反應，如果想讓化學反應一直向正方向發(fā)展， 則需要加入適當?shù)膲A性物質以中和生成的硫酸，這就需要在溶液中加 入吡啶來消耗己經(jīng)生成的硫酸，其化學方程式為 :C5H 5NS03 不穩(wěn)定，會與原油中的水發(fā)生反應， 消耗掉一些水從而 影響測試結果，為了使它穩(wěn)定，需加入無水甲醇，在無水環(huán)境中進行 實驗。在整個實驗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，當原油中的水分被完全消耗掉之后，電極將不會導電，此時讀 出消耗的卡爾 .費休試劑的體積，即可計算出原油的含水率。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，就是使用卡爾費休法。 KF-1B 型水分測定儀所使用的標準是 GBlT11146-2009，目前己經(jīng)可以進行工業(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。雖然卡爾費休試劑可以多次使用，但是也存在失效問題，對同一樣品進行的多次測

6、試，結果難以相同，因此無法對測定的結果做 出準確的判斷，且測試所使用的溶劑也會污染電極的表面。同時，卡 爾.費休法對于外界環(huán)境要求比較高， 整個實驗過程必須在完全密閉的 空間中進行，否則空氣中的水分會影響測試結果，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來測試原油含水率 ;二是利用混合介質對 電磁波的吸收特性來測試原油含水率。1.射線法 射線法主要是運用 .射線透射的有關性質以及不同厚度的介質 衰減程度不同的原理。首先 .射線源會產(chǎn)生射線，當 .射線透射過介 質時，會與介質原子發(fā)生光電效應、康普頓

8、效應和電子效應。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對同一 .射線 的線性吸收系數(shù)差別來計算原油的含水率。射線與物質的一次碰撞中損失其部分能量， y 射線穿過物質時， 它的強度按指數(shù)規(guī)律衰減，如圖 4 所示，當一束初始強度為風的 .射 線透射過厚度為 x 的介質時，其衰減強度為 NX，則可由式子表示 :但在現(xiàn)場儀器的設計應用過程中，窄束條件難以實現(xiàn)，為此在現(xiàn)場的實際應用中多數(shù)采用準窄束條件，即光子衰減規(guī)律為 :B 與光子能量、介質性質、儀器構造相關，需通過測試來確定。 u 代表介質對 射線吸收能力， 它與 射線的能量以及介質成分相關。 u 值越小， 表示介質對射線的吸收能

9、力越弱， 。值越大， 則介質對射線的 吸收能力越強。圖 4 射線透射原理圖圖 5 射線法測試系統(tǒng)結構框圖如圖 5 為 射線法的系統(tǒng)結構框圖， 射線法一般運用于在線檢 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，不會因為管道內因結垢、 結蠟而導致測試誤差，除此之外，這種測試儀器工作穩(wěn)定性好，可長 期運作，安全可靠，可以進行連續(xù)在線測試，而且易于操作，便于生 產(chǎn)自動化管理，同時提高生產(chǎn)過程和管理過程中的自動化水平。當然 該儀器的缺點也相對較多 :對 60 MeV 的 射線來說， 油和水的吸收系 數(shù)相差太少，僅僅 20% ，因此儀器測試結果的精

10、確度不高 ;造價高， 使用方法復雜且不便于維修 ;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中，其頻 率范圍在 3-30MHz 。短波頻率段的電磁波與介質作用主要體現(xiàn)在吸收 能力上，根據(jù)油、水這兩種介質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后，一部分被吸收，其強度只與油水乳化液中水 占得比例相關組成指數(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 I 出 一定時， 電磁波的入射波強眾與介質的分子 數(shù) N

11、成指數(shù)變化規(guī)律，其中介質吸收系數(shù)刀由介質自身特性決定。因 此不同介質吸收系數(shù)的不同導致此公式只適用于頻率單一的電磁波。若介質由多種物質構成，則公式應變?yōu)?因此，在原油介質中，公式轉變?yōu)?:從上式表明電磁波入射強度人與原油含水率的響應為指數(shù)型， 在此原理的基礎上能夠實現(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，致使該方法所生產(chǎn)出的產(chǎn)品成 本特別高，使用和維護困難，阻礙了對其的運用。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。在微 波通過電介質的時候，電介質會被極化，從而造成微波能量的衰減， 從而可以測試出當微波通過待測物質時，前后衰減的變化值會間接反 映物質的一些特殊性質。圖 7 微波與介質作用示意圖圖 7 為微波與介質相互作用后，反射與透射及介質損耗形式示意 圖。微波法的原理是基于介質對微波的吸收原理，利用傳感器將含水 率轉化成電信號進行測試，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，采用微波反射式結構，將含水率變化引起的微波衰減量轉化為 電信號輸出，從而建立電信號與原油含水率的關系。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、運行穩(wěn)定性、安裝 方式等方面處于領先的地位。但是由于油水兩相流是一種非常復雜的 非線性時變系統(tǒng)，微波和混合介質的關系理論研究并不完善，其測試 結果精度受到影響。而且由于微波系統(tǒng)安裝困難，造價較高，因此在 國內實際應用中比較少見。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傳播時產(chǎn)生的相位 移和幅度衰減來測試原油含水率。同軸線結構如圖 9 所示，以同軸線 作為測試傳感器，使油水混合介質在同軸線傳感器的內導體與外導體 之間流過，并轉換傳播電磁波能量的載體，在選擇正確傳感器參數(shù)的 基礎上，保證電磁波在同軸線內以 TEM 波傳播，通過測試電磁波在 同軸線內傳播的相位特性，并經(jīng)過運算得到同軸線內油水混合介質的 介電常數(shù)，再運用混合介質等效介電常數(shù)模型計算原油的含水率。其測試原理框圖如圖 10 所示:圖 9同軸線結構示意圖圖中 r 為內導體外徑， R

15、為測試儀器內徑。圖 10 同軸線相位法測試系統(tǒng)框圖此法能夠實現(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系 計算原油含水率。密度法的優(yōu)點是不受混合液相間變化帶來的影響， 成本低，維護方便，但是當原油含水率較低時，油的密度和原油的密 度相近，導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。混合介 質的等效介電常數(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)的變化轉化為電容量的變化，然后利用電容值測試理論測得電 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 傳感器結構示意圖，采用電容法研制的在線測試儀器的優(yōu)點是設備搭 建簡單，安裝方便，測試成本低，測試精準度高，易于維護等，因此 廣泛應用于實際油田的開采中。但同時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。然而隨 著我國大多數(shù)油田進入開采末期，產(chǎn)出原油含水率較高，限制了這種 方法的發(fā)展與應用。圖 11 同

17、軸電容式傳感器結構示意圖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構確定時，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 水率轉換為電容值的變化。 當射頻信號通過天線傳播到原油的負載時， 該負載阻抗會依據(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電信

18、號，由此來測試原油的含水率。測試結構示意圖如圖 12 所示:圖 12 射頻法測試結構示意圖射頻電容法是一種新型的測試原油含水率的技術。這種方法以射 頻阻抗理論為基礎，具有測試精準度高、重復性好、占用體積小、反 應快等特點。通過建立的標定表，此法也可應用到低含水率范圍的測 試。同時在再傳感器內部加入測試電導率的線路可以擴大含水率測試 的范圍。但是利用這種新型技術的測試儀器成本較高，維護也不易， 因此還未得到廣泛為應用。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中傳播、反射規(guī)律以及多普勒效應，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。不同 含水率的原油具有不同的共振頻率，采用一組超聲波轉換器以及對共 振點的確定就可以實現(xiàn)對原油含水率、密度等多項參數(shù)的測試。圖 14 為超聲波共振法測試系統(tǒng)結構框圖。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)結構框圖通常原油中含有較多的雜質，不同雜質的吸收能力不同會對測試 精度產(chǎn)生較大影響，同時測試探頭制作過程復雜，成本高，使用和維 護困難，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， 當單色的 平行光束透射過均勻介質時， 被吸收的光能和被測介質的濃度 有關。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 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， 其特點是靈敏度較高， 反應 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，但是價格昂貴，使用和維護復雜。2.6 過程層析成像法過程層析成像技術在 20世紀 50 年代中后期逐漸發(fā)展起來，它是