常用原油含水率測(cè)試方法

1、常用原油含水率測(cè)試方法常用原油含水率測(cè)試方法1、原油含水率靜態(tài)測(cè)試方法分析原油含水率靜態(tài)測(cè)試方法是通過(guò)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(cè)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(cè)試原理是通過(guò)加熱原油將油和水分離，分別測(cè)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(cè) 試過(guò)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(kāi)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(huì)一起 蒸發(fā)出來(lái)，溶劑因沸點(diǎn)最低第一個(gè)被氣化，之后水分通過(guò)冷凝管進(jìn)入 水分接收器中，通過(guò)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(cè)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(cè)定法一蒸鐳法(GB/T8929-1988)來(lái)測(cè)試，石油加工行業(yè)則按石油產(chǎn)品水含量測(cè)定法一蒸諂法(GB/T260-1988)測(cè) 試。GB/T8929-1988使用有較大毒性的二甲苯做溶劑，對(duì)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(cè)試的結(jié)果誤差太大。1.2電脫法電脫法的測(cè)試原理是通過(guò)高壓電場(chǎng)，利用電破乳技術(shù)使油水分 離，來(lái)測(cè)試原油的含水率。這種方法適合一些儀器

3、的設(shè)計(jì)開(kāi)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(jiǎn)單、無(wú)“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(guò)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(cè)試方法，對(duì)于有機(jī)液體， 是國(guó)際國(guó)標(biāo)方法原油水含量測(cè)定卡爾費(fèi)休庫(kù)侖滴定法(GB/

4、T 11146-2009)o它的測(cè)試原理是利用含碘、二氧化硫、毗啜及無(wú)水甲醇 溶液(通常稱(chēng)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(guò)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(lái)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(huì)與原油中的水發(fā)生反應(yīng)， 消耗掉一些水從而 影響測(cè)試結(jié)果，為了使它穩(wěn)定，需加入無(wú)水甲醇，在無(wú)水環(huán)境中進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)陰陽(yáng)電極來(lái)

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(huì)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(cè)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(cè) 定儀，就是使用卡爾費(fèi)休法。 KF-1B 型水分測(cè)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(cè)分析。圖 3 KF 一 1B 型水分測(cè)定儀但是卡爾費(fèi)休法只適用于微含水量的分析，對(duì)于高含水率的分 析就有些“力不從心”了，對(duì)于高含水率的原油會(huì)增加檢測(cè)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(wèn)題，對(duì)同一樣品進(jìn)行的多次測(cè)

6、試，結(jié)果難以相同，因此無(wú)法對(duì)測(cè)定的結(jié)果做 出準(zhǔn)確的判斷，且測(cè)試所使用的溶劑也會(huì)污染電極的表面。同時(shí)，卡 爾.費(fèi)休法對(duì)于外界環(huán)境要求比較高， 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程必須在完全密閉的 空間中進(jìn)行，否則空氣中的水分會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，因此也不適合野外 作業(yè)。2 原油含水率動(dòng)態(tài)測(cè)試方法分析隨著科技水平的提升，原油含水率動(dòng)態(tài)測(cè)試方法在油田生產(chǎn)中得 到了快速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外先后開(kāi)發(fā)出許多在線測(cè)試儀器，使用這些儀 器后降低了勞動(dòng)強(qiáng)度， 節(jié)約了生產(chǎn)成本， 提高了測(cè)試速度和測(cè)試精度， 使油田自動(dòng)化生產(chǎn)水平上升了一個(gè)新的高度。目前常用的動(dòng)態(tài)測(cè)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(guò)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(lái)研究原油含 水率的測(cè)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(chǎng)上也有很多種基于電磁波法測(cè)試原油含水率的儀器。依據(jù)不同的電 磁波頻率，目前市場(chǎng)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(cè)試原油含水率的方法主要有兩大類(lèi)， 一是通過(guò)電磁波的共振技術(shù)來(lái)測(cè)試原油含水率 ;二是利用混合介質(zhì)對(duì) 電磁波的吸收特性來(lái)測(cè)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(huì)產(chǎn)生射線，當(dāng) .射線透射過(guò)介 質(zhì)時(shí)，會(huì)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(duì) .光子的吸收率不相同，因此通過(guò)油水兩種介質(zhì)對(duì)同一 .射線 的線性吸收系數(shù)差別來(lái)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(guò)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(guò)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(chǎng)儀器的設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中，窄束條件難以實(shí)現(xiàn)，為此在現(xiàn)場(chǎng)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(guò)測(cè)試來(lái)確定。 u 代表介質(zhì)對(duì) 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(duì)射線的吸收能

9、力越弱， 。值越大， 則介質(zhì)對(duì)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(cè)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(cè)，其量程較寬，采用的是非接觸測(cè)試方式，所以以此方法生產(chǎn)出來(lái) 的儀器適合在一些惡劣環(huán)境及條件下工作，不會(huì)因?yàn)楣艿纼?nèi)因結(jié)垢、 結(jié)蠟而導(dǎo)致測(cè)試誤差，除此之外，這種測(cè)試儀器工作穩(wěn)定性好，可長(zhǎng) 期運(yùn)作，安全可靠，可以進(jìn)行連續(xù)在線測(cè)試，而且易于操作，便于生 產(chǎn)自動(dòng)化管理，同時(shí)提高生產(chǎn)過(guò)程和管理過(guò)程中的自動(dòng)化水平。當(dāng)然 該儀器的缺點(diǎn)也相對(duì)較多 :對(duì) 60 MeV 的 射線來(lái)說(shuō)， 油和水的吸收系 數(shù)相差太少，僅僅 20% ，因此儀器測(cè)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(guò)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(duì)短波吸收能力的不同，檢測(cè)出油、 水混合液中水的含量。圖 6 為短波吸收法測(cè)試原理框圖。圖 6 短波吸收法測(cè)試原理框圖電磁波穿過(guò)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(cè)試。雖然短波吸收法測(cè)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(duì)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(duì)測(cè)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(duì)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(zhǎng) 1 米1 毫米 ），其傳輸主要依靠交變電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的相互感應(yīng)。在微 波通過(guò)電介質(zhì)的時(shí)候，電介質(zhì)會(huì)被極化，從而造成微波能量的衰減， 從而可以測(cè)試出當(dāng)微波通過(guò)待測(cè)物質(zhì)時(shí)，前后衰減的變化值會(huì)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(duì)微波的吸收原理，利用傳感器將含水 率轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，然后輸入到儀表的模擬輸入通道。在微波 電 場(chǎng) 中 ， 水 的 儲(chǔ) 能 系 數(shù) EHW, 和 耗 能 系 數(shù) Ecw 都 比 較 大，而油的儲(chǔ)能系數(shù)。和耗能系數(shù) Ec。都比較小因此水分對(duì)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(hào)輸出，從而建立電信號(hào)與原油含水率的關(guān)系。圖 8 為微波法測(cè) 試系統(tǒng)原理框圖。圖 8 微波法測(cè)試系統(tǒng)原理框圖微波法測(cè)試含水率是非接觸式測(cè)試方法，可以較好地防止原油對(duì) 傳感器造成腐蝕性等影響，而且測(cè)試量程寬，測(cè)試系統(tǒng)比較牢固、小 巧易攜帶，對(duì)人體的輻射影響也較小，測(cè)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(cè)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(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用中比較少見(jiàn)。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(lái)測(cè)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(cè)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(guò)，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(guò)測(cè)試電磁波在 同軸線內(nèi)傳播的相位特性，并經(jīng)過(guò)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(cè)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(cè)試儀器內(nèi)徑。圖 10 同軸線相位法測(cè)試系統(tǒng)框圖此法能夠?qū)崿F(xiàn)油井高含水狀態(tài)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，在一定程度上降低 了含水率波動(dòng)產(chǎn)生的影響，同時(shí)通過(guò)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(cè)試儀器會(huì)受到流量變化產(chǎn)生的 影響，對(duì)測(cè)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(lái)測(cè)試原油含水率，通過(guò) 壓力傳感器測(cè)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(lái)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(cè)試的誤差增大，因此該方法不適用于低含水率 測(cè)試。2.3 電容法1.

16、電容法 電容法的測(cè)試原理主要是利用油水介電常數(shù)的差異特性。混合介 質(zhì)的等效介電常數(shù)會(huì)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(cè)試?yán)碚摐y(cè)得電 壓值，根據(jù)電壓值來(lái)間接測(cè)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(cè)試儀器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備搭 建簡(jiǎn)單，安裝方便，測(cè)試成本低，測(cè)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(kāi)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(cè)試中效果不明顯等缺點(diǎn)。然而隨 著我國(guó)大多數(shù)油田進(jìn)入開(kāi)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(lái)測(cè)試原油的含水 率。由于油和水的相對(duì)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(cè) 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(guò)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(hào)通過(guò)天線傳播到原油的負(fù)載時(shí)， 該負(fù)載阻抗會(huì)依據(jù)原油含水率的變化而變化，采用電流互感器，可以 測(cè)試出阻抗變化所造成的電流變化信號(hào)，使電容傳感器輸出一個(gè)電信

18、號(hào)，由此來(lái)測(cè)試原油的含水率。測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖如圖 12 所示:圖 12 射頻法測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖射頻電容法是一種新型的測(cè)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(cè)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(guò)建立的標(biāo)定表，此法也可應(yīng)用到低含水率范圍的測(cè) 試。同時(shí)在再傳感器內(nèi)部加入測(cè)試電導(dǎo)率的線路可以擴(kuò)大含水率測(cè)試 的范圍。但是利用這種新型技術(shù)的測(cè)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(cè)試儀的工作示意圖， 它的原理是利用 超聲波在恒速流動(dòng)介質(zhì)中傳播、反射規(guī)律以及多普勒效應(yīng)，通過(guò)在超 聲變頻發(fā)射電路中引入正反饋，使測(cè)

19、試系統(tǒng)自動(dòng)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(duì)共 振點(diǎn)的確定就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原油含水率、密度等多項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試。圖 14 為超聲波共振法測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖 13超聲波共振測(cè)試儀的工作示意圖圖 14 超聲波共振法測(cè)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(huì)對(duì)測(cè)試 精度產(chǎn)生較大影響，同時(shí)測(cè)試探頭制作過(guò)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(duì)近紅外光譜吸收能力的差異特 性來(lái)實(shí)現(xiàn)原油含水率的測(cè)試。 如圖 15 所示，原油中水分子和原油成分 中的 C-H 鍵對(duì)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(guò)均勻介質(zhì)時(shí)， 被吸收的光能和被測(cè)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(shuō)，只要提取被水吸收的特定波長(zhǎng)，并且通過(guò)分析被測(cè)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(guó) PI 公司的紅眼含水測(cè)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(cè)原油中水分分布不均對(duì) 測(cè)試有影響，可用于在線測(cè)試，但是價(jià)格昂貴，使用和維護(hù)復(fù)雜。2.6 過(guò)程層析成像法過(guò)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(lái)，它是