原油含水率测量技术现状分析

2022-12-01

引言

在油田开采中, 含水率与出油层位、油井出液、原油产量等动态特性密切相关;在油品运输中, 含水率还会对管道寿命造成直接影响;在原油炼制中, 含水率较高时可能将导致突沸。因此, 加强对原油含水率测量技术的研究, 提高测量的准确性, 对评价油田的开发寿命、保障企业的经济效益等意义重大。

当前国内外的相关技术人员提出了多种原油含水率测量方法, 设计出了基于不同技术原理的含水率测试仪, 这些方法和仪器有利于实现连续、自动化的在线测量, 降低了传统测量方法的劳动强度和人为误差影响, 提高了含水率测量方法的科学合理性。

一、原油含水率的定义

原油是油、气、水三相混合流体, 其含水率指水的质量占混合总质量的百分比, 计算公式为:η=[m水/ (m水+m油+m气) ]×100%。因为m气通常都远远小于m水+m油, 所以含水率计算公式可以近似为:

二、原油含水率测量的技术现状

目前原油含水率的测量方法包括直接法和间接法两类。传统测量方法属于直接法, 主要有电脱法和蒸馏法两种。电脱法的测量过程比较简单, 但测量精度较低, 而蒸馏法在准确度上虽然较电脱法有所改善, 但其取样随机性大, 代表性较差, 并且无法满足动态实时测量的需求, 受人为误差影响较大。针对传统测量方法的不足, 间接法被提出, 当前应用较多的间接测量法主要包括以下几种:

1. 电容法

油和水的介电常数差别很大, 电容法就是通过测量原油中水分介电常数的变化来测量原油中的含水率, 具有结构简单、测量灵敏度高等优点。具体原理为:原油中含水量增加时会增大介电常数, 导致两极板间的电容升高, 而电容升高会改变振荡频率, 通过对振荡频率进行测量就能得到原油的含水率值。电容式传感器的电容量通常都很小, 外界温度等环境因素的变化会干扰到最终的测量结果。

2. 射频法

油品属于非极性介质, 是由多种碳氢化合物混合而成的, 它的介电常数约为2.3, 而纯水是极性分子, 其介电常数约为80。显而易见, 两者相差极大, 当油品中的水分含量发生变化时, 必然会使含水油品的介电常数发生明显改变。而射频法测量含水率正是利用了这一原理, 当射频信号传到油水混合流体的射频传感器时, 其负载阻抗会随着混合流体中不同的油水比而变化, 通过对阻抗进行测量就能得到含水率值。

3. 密度法

因为气相质量通常可以忽略不计, 所以原油的总质量可以近似等为其中所含纯油和纯水质量之和, 即m=m水+m油=V水 (ρ水-ρ油) +Vρ油, 故原油体积比含水率:

其中, ρ水为纯水的密度;ρ油为纯油的密度。密度法比较适用于油水两相模型的测量。密度法应用时会存在以下几个方面的误差: (1) 温度、压力变送器的精度会对测量结果造成影响; (2) 水中矿化程度较高时, 会使测量装置表面结垢, 从而降低测量仪器的使用寿命和测量精度; (3) 由公式2可知, 在进行密度计算时, 忽视了原油中气体和其他杂志的质量, 造成原油中泥沙和溶解气等杂质较多时会导致得出的混合密度值有误差, 进而影响测量的精度。

4. 射线法

当强度为N0的γ射线束穿过厚度为x的原油时, 它衰减后的强度Nx=N0e-ux, 则可以推导出

其中, u为原油对γ射线的吸收系数, ux为水和油的相组分比。当厚度x为一固定值时, 衰减后的强度Nx取决于吸收系数u。而当射线能量不变时, 吸收系数u由原油的性质决定。由公式3可知, 只要测定了γ射线经过原油后的衰减强度Nx, 就可求得ux值, 即得到了原油的含水率。

射线法的优点是可以实现非接触、连续性的自动化在线测量, 并且仪器的调试过程都比较简单, 缺点因为有放射源存在, 所以会对测量仪器使用人员的身体造成一定的不利影响。

5. 微波法

水分子在外电场的作用下会被极化成偶极子, 并沿电场方向取向, 如果外电场改变, 则偶极子会换向并消耗大量的电场能量。微波含水率测量方法就是利用其高频电磁波的特性, 使水偶极子在其作用下因为频繁换向而消耗大量电能, 而这种极化损耗的特性可通过复合介电常数来表示, 通过测得油水混合流体的复合介电常数便能间接测得含水率值。微波法测量含水率具有测量时间短、精度高等优点, 有着广阔的应用前景, 但其因为使用了微波穿透技术, 对仪器的使用和维护都提出了较高的要求。