原油含水率測量技術現狀與發展

張國軍，申龍涉，齊 瑞，郭荃宏，宋士祥，馬 躍，張純靜，孫憲航

（1．遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2． 新疆油田油氣儲運公司，新疆 克拉瑪依 834002）

原油含水率測量技術現狀與發展

張國軍1，申龍涉1，齊 瑞2，郭荃宏2，宋士祥1，馬 躍1，張純靜1，孫憲航1

（1．遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2． 新疆油田油氣儲運公司，新疆 克拉瑪依 834002）

原油含水率是原油的一項重要指標，目前對于原油含水率的測量方法有很多。主要介紹國內外原油含水率測量的主要方法，測量原理，適用環境，各自的優缺點，方法的改進措施，以及原油含水率測量的發展趨勢，為含水率測量方法的選擇提供參考。

原油含水率; 測量方法; 改進措施; 趨勢

在石油工業中，原油含水率是一項重要指標，通過它可以預測油井水位，油層位置,對原油產量和開采價值進行估計，預測采出程度并制定相應的開采方案，預測油井的開發壽命有著非常重要意義。對于原油的開采，集輸，脫水，計量，銷售，煉化等產生重大影響，油田生產中需要準確及時的了解原油含水率情況，通過原油含水率來估計油井的工作狀態，預計油井產量，提高油田的自動化管理，提高生產效率，起著非常重要的重要作用。

當前常用的原油含水率的測量方法大致可以分為兩類，離線測量法和在線測量法，離線測量法主要有蒸餾法、電脫法、卡爾—費休法( 國標GB11146—89原油水含量測定法)；在線測量方法[1]相對較多主要有電導率法、密度法，電磁波法、電容法、射線法等，其中電磁波法又可分為三類，分別是高頻電磁波法、短波法和微波法，電極電導法和電磁感應電導法都屬于是電導率法。

1 離線測量法

離線分析法[2]的基本原理是將原油中的水分分離出來，既可以以體積比的形式表示出來，又可代入油水密度值，求出質量含水率。根據油水分離手段的不同，分為蒸餾法、電脫法、卡爾—費休法(國標GB11146—89原油水含量測定法)。

1.1 蒸餾法

蒸餾法的基本思路是將油水分離，分別測量油、水的質量，從而得到原油質量含水率，基本測量過程是在油品加無水溶劑，然后在水分測定儀中蒸餾，在20～25 ℃的循環冷卻水條件下緩慢加熱，油樣、溶劑和水達到共沸狀態時一起蒸發出來，溶劑沸點要比油和水電沸點低，最先汽化，同時將水分從油品中提取出來，流經冷凝再進入流入水分接收器里，由于水與溶劑在接收器中分層出現分層現象，可以通過接收器的刻度得到水分的含量，由樣品的含水率水率便可推斷出整個油品的含水率情況。

石油開采和加工行業原油含水率測定所用的蒸餾法主要有兩種[3]，分別為國標GB /T8929—88和GB/T260—88。GB/T8929—88使用二甲苯做溶劑，測量精度高，但是使用容積量大且有毒；對于GB/T260—88，溶劑采用工業溶劑油或者是直餾汽油 80 ℃以上的餾分，當含水率較高時，精確性較低。

1.2 電脫法[4]

根據斯托克斯定律可知，水珠在油水混合物的沉降速度為：

其中，1為油密度，2為水密度，g為重力加速度， 為水珠半徑， 為油的粘滯系數。增加沉降速度的方法是增加水珠半徑，處在電場中的油水混合物，在電場的作用下使極性水分子發生電極化，促使水珠成為帶等量異種電荷的點偶極子，由電磁場理論可知兩水珠間的吸引力，電偶極子受到電場的作用力，向電極表面移動，其間距離減小，吸引力增大，半徑增大，加速沉降，實現油水分離。

1.3 卡爾—費休法

其原理是在卡爾—費休[5]容量滴定過程中,試樣中的水和卡爾費休試劑進行定量反應, 以此來測定水分。由于卡爾—費休法定取樣周期相對較長,跟不上油品的含水率變化情況,由于采用定時取樣的方式進行測量，此方法具有滯后性，不能反映出原油含水率的實際情況。

2 在線測量法

2.1 密度法

其原理[6，7]是利用油與水密度不同，將油與水看作不相容的兩種液體，當油與水按不同比例混合時，得到的混合物密度也不同，根據油和水的密度，進而推算出原油含水率。

通過對油水混合物的研究發現，油水混合物存在多種模態[8]，歸類后主要可以分為 4種，如圖 1油包水(O—W)、油包水包油(O—W—O)、水包油(W—O)、水包油包水(W—O—W)，具體呈現哪種狀態也不具規律性，各種狀態的結構也很不穩定，密度法通常忽略了油與水的混合方式，將混合液的總體積看作油與水的體積之和，同時，原油含砂、含氣均對測量結果產生很大影響，砂子密度比油大，使混合液體總體密度上升，導致計算含水率過高的誤差，形成“砂吃油”現象，測量儀器內部管壁結構會產生相同的結果；同時，含氣會造成“氣增油”的假象，使測量結果產生很大偏差。

圖1 油水混合物的4種狀態形式Fig.1 Four states of oil-water mixture

對于密度法產生的誤差，應在測量儀器前段進行除砂，排氣，仍存密度測量不夠精確的影響，密度法的關鍵問題[10]是密度的測量，油、水的密度要以實測為準，取樣的要具有代表性，要保證取樣的精度，計算過程中要及時進行溫度計壓力的補償，對密度修正系數進行跟蹤修正與補償。

2.2 電導率法

電導率[10]的測量原理是將相互平行且距離是固定值L的兩塊極板（或圓柱電極），放到被測溶液中，在極板的兩端加上一定的電勢，然后通過電導儀測量極板間電導。

在油水混合物中，油、水電導率差異很大，純油的電導率幾乎接近零，礦化度決定了水的電導率，對于含水原油來說，水的電導率對于混合流體的電導率起到了決定性作用，S主要取決于S1、含水率P和相分布狀態。在水的狀態為連續相時，含水原油電導率和含水率可通過如下公式進行計算：

式中：S為含水原油電導率，S1為水的電導率，P是原油含水率。

2.3 電容法

電容法[12]是原油含水率測量對一種相對成熟的方法，的機理是：介電常數是電容的一個主要參數，含水原油在電容器極板間流過，原油作為電容器的介電質，作為一種特殊的介電質，其介電常數隨水分含量的不同而發生變化，在實際測量過程中，含水量隨機發生變化，混合流體的介電常數也隨之變化，基于以上原理，便可利用油、水此電物理特性的差異，把要測量的原油含水率的變化情況以另一種形式即電容量的變化表現出來。測量電路的構成是由電容傳感器和電感線兩個主要組成部分，通過并聯構成諧振電路，加載一個正弦激勵信號，并處在固定頻率范圍內，電容不同，阻抗也完全不同的，可測量物理量電壓也是一個與之對應的量，可通過電壓的測量得到原油含水率。

很多因素都會影響到傳感器的輸出[12]，水分含量只是其中一個主要影響因素，還有很多不可忽略的因素決定測量的精確度，例如溫度會導致傳感器的性能不能保持穩定狀態，當忽略了溫度的影響后，測量精度會明顯降低。對于高科技的采用可以減少測量過程中的誤差，采用較多的技術是多傳感器信息融合技術，可以同時監控溫度、水分等多個參數消除溫度干擾量的影響，可以提高測量精度。電容法的優點是其被采用較多的原因，當采用多傳感器融合技術后，測量精度會很高，成本相對較低，結構簡單，便于使用過程中維修與管理，對于含水率比較低的時候會有很高的精確度，當含水率升較高時，測量精度有所下降。

2.3.1 射頻電容法

射頻振蕩器是一種產生穩定的高頻振蕩電壓[13]的電子器件，射頻電容法正是利用這種方法，利用電感線圈并將其耦合到諧振電路中，傳感器探頭(電容器)作為諧振回路，油和水作為電容介電質，油的介電常數很低，水的介電常數很高，利用油與水介電常數的不同，通過檢測電容即可得出原油含水率。

油水混合液體中介電常數通常由H-B公式[14]求得，即：

式中：em為混合液體介電常數，s為電容器極板正對面積，X為原油含水率，we為水的介電常數，pe為油介電常數。

電容法測量范圍比較大，靈敏度也很高，機械損失小，響應時間短，適應性強，成本低，但是容易受周圍環境影響，設計時需要考慮寄生電容的干擾，同時要進行溫度補償，水的礦化度也是不可忽略的影響因素。電容探頭一般適用于恒溫、不含氣原油、含水率<10%的情況。

2.4 電磁波法

根據油和水這兩種介質物理性質的不同，它們對電磁波吸收能力有很大差別，利用震蕩電路，將電能轉化為電磁波，并將其輻射到油水混合物中，并對穿過混合流體的電磁波進行接受，含水率不同是，混合流體對電磁波的吸收也不同，通過接受到的電磁波的強度來檢測原油含水率。

2.4.1 短波法

短波法[5]是電磁波法的一種，由于波長較短，相應的是一個具有較高頻率且穩定的電磁波,通過耦合形式可以進入諧振回路。短波發射天線的探頭的電容量決定諧振回路的固有頻率。利用測量探頭來檢測原油含水率，其含水率與探頭的電容量成正比關系，通過探頭可以得到一個電壓信號，短波法對于環境的溫度要求較高，不可以有較大的溫度波動，振蕩器要產生穩定的振蕩頻率，當這些要求都能達到時，靈敏度非常高。

2.4.2 微波法

微波法[15]是一種非接觸測量方法，能夠最大程度的減小結垢、含蠟的影響，更好的解決壓力與溫度的變化以及不利工況等問題。

微波法也是利用油水混合物介電常數不同的原理來測量原油含水率的，不同含水率的原油對對微波信號的吸收能力存在差異。油水混合物的含水率可通過接收到的穿過混合流體的微波信號大小得到。

由于微波的穿透特性很強，只要得到測量信號的衰減值以及相位移，便可得到原油含水率，此方法可實現高速測量，減少對管道的破壞，實現無損測量?；谖⒉ㄐ盘柕乃p值和相位移同時是含水率和混合流體密度的函數，含水原油中存在油氣水三相，混合物在管路的流動過程中，油氣水三相流型以及溫度梯度對混合流體的密度產生影響，發生密度不能保持一致[13]的現象。此現象可以通過雙參數法和雙頻率法，可采取同時使用兩個頻率的微波分別測量，可消除該密度影響。但是由于此方法比較復雜，成本較高，維修費用高，在實際用用還是比較少。

2.5 射線法

射線法主要應用于油井，油田計量站間的計量，基本工作原理[16]在于： 油、氣、水對射線吸收能力有很大差異。當射線穿過被測介質后過程中,被介質吸收，其強度有所衰減,其中有兩個主要因素對衰減程度起重大作用[17]，一個是介質的線性吸收系數，另一個是介質的密度。當介質為多種流體的混合物時, 射線強度由于射線的吸收而發生衰減,其中介質的種類以及各種成分在介質中所占的比例都會對衰減程度產生影響。

管道內徑D，水的折合長度為 ，油的折合長度為，當管道為中空時和管道內充滿油水混合液體時，接受裝置檢測到 射線的強度分別為 , ,則有[18]管道內徑D，水的折合長度為a，油的折合長度為b，當管道為中空時和管道內充滿油水混合液體時，接受裝置檢測到 射線的強度分別為,則有[15]

質量含水率

I0需要現場標定，，需要進行溫度補償，以實際密度為準。從現場應用情況來看，應用射線法原理的原油含水率自動監測儀是一種應用較多，效果比較理想的測量儀器，可靠性以及穩定性相對較好，采用的技術也比較先進，。射線法的測量范圍最寬，含水率在0%～100%范圍內此方法均可測量，測量精度較高，誤差在2.8%左右，此方法最大的確定就是安全性較低，由于儀器中含有輻射源，成本較高，日常維護費用昂貴，為了防止射線對人體的傷害嗎，需要采取防護措施，我國現場采用此項測量技術的實例不多。

3 測量方法的比較

離線測量方法隨機性大，取樣不及時，連續性差，勞動強度大，油田生產過程中自動化程度不斷提高，迫切需要引入自動含水檢測儀表，這對于提高交接原油含水測量的精度，減輕工人的勞動強度，有著十分重要意義，在線測量方法將成為一種趨勢。

電容測量法是最成熟的一種測量方法，我國采用最多的一種方法，但電容測量法對于低含水的原油測量精度較高，電容探頭一般適用于恒溫、不含氣原油，含水率<10%的情況[19]。對于高含水的原油測量精度較低。若采用多極板式電容傳感器測量油水混合物的含水率, 可以使低含水率端和高含水率端的測量結果都比較精確，同時也擴大了測量范圍。

國外在測量含水率較低時，電容法和微波法原理適用于含水率較低的情況，國外應用較多，基于這兩種方法制造的測量儀器可以對溫度進行補償，此類儀表的穩定性和分辨率都很高；微波法則適用于含水率較高的情況；當水相占據主導地位的情況下，首選電導率法，在此情況下，其準確性最高。

測量管線中的原油的含水率時，表現較好的只有基于射線法的測量方案，電容法，微波法，短波法等幾類含水率測量儀表都屬于接觸式測量, 傳感器只有在置于管道內部的條件下才能實現其功能，由于原油的腐蝕性較強, 結垢、結蠟現象比較嚴重,致使儀表長期運行的可靠性差,精度降低嚴重，更重要的是這些儀表都無法消除含氣對含水率測量帶來的影響, 因此原油計量自動化始終處于一個比較低的水平， 射線法具有快速、準確和易于測量等優點，但是也存在著致命的缺點，此方法成本較高，維護費用貴，同時 射線法對人體的輻射性更是不可忽視的，在現場應用情況來看，前期精確度較高，但后期缺乏專業維護，工人對其也具有恐懼心理，應用情況不是很理想。

超聲波共振法[20]是一種應用不多的測量方法，此方法有很多其他在線測量法無法相比的優點，可以忽略電導率對信號產生的影響。對于靜態和動態，此方法都變現很好。

4 發展趨勢

由于原油含水率時刻發生變化，要求取樣速度要快，保證取樣的含水率情況能夠代表實際原油含水率情況，目前應用的原油含水率測量方法很多，適用范圍以及性能指標差異很大，真正投入應用的測試儀器不多，在這樣的形勢下，增大儀器可測量范圍，提高測量的精度，可通過顯示儀表直接讀取數據，在線測量儀表將會得到更好的應用，使原油含水率測試耗時更短，精確度更高，成本更低。

根據我國油田生產過程中含水率的測量情況看，傳感器是原油含水率測量儀器的主要組成部分，傳感器要受到很多因素的影響較大，比如溫度就是其中一個比較重要的因素，當含水率沒變而溫度變化時，傳感器也會輸出變化的信號，造成測量誤差。目前多傳感器融合技術[21]是一項比較先進的技術，應用到原油含水率測量上來會使測量精度大大提高，多個傳感器可同時對多個變量進行檢測，主要是針對那些對含水率影響較大的因素，這樣便可把其他影響因素對原油含水率的影響降低到最低程度。

采用多種信息技術對原油含水率進行測量，使測量儀器的體積越來越小，成本和維護費用越來越低，降低了工人操作儀器的難度。測量方法向高精度，快速化，智能化，綜合自動化方向發展。原油含水率測量方法還有很多，如紅外線法，超聲波法等，在應用上還不是很多，為了實現現場應用，還需更多研究。

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Current Status and Development of the Measurement Technology for Water Content of Crude Oil

ZHANG Guo-jun1,SHEN Long-she1,QI Rui2,GUO Quan-hong2,SONG Shi-xiang1,MA Yue1,ZHANG Chun-jing1,SUN Xian-hang1
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China ;
2. PetroChina XinJiang Oilfield Oil&Gas Storage&Transportation Company , Xinjiang Karamay 834002, China）

Water content of crude oil is an important indicator. At present, there are many methods to measure water content of crude oil. In this paper, main methods of measuring water content in crude oil at home and abroad were introduced as well as measuring principle, application scope, their advantages and disadvantages, improvement measures; development trend of the measurement technology was discussed, which can provide some references for selecting suitable method to measure water content.

Water content of crude oil; Measurement methods; Improvement measure; Trend

TE 622

A

1671-0460（2012）01-0059-05

2011-11-24

張國軍（1986-），男，遼寧朝陽人，碩士研究生，研究方向：稠油管道輸送技術。E-mail：zhangguojun6@126.com。