基于近紅外光譜的混合流體組分測(cè)定方法研究

孔筍+沈陽(yáng)+尤國(guó)平+張小康+褚曉冬

【摘 要】應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩種混合溶液的組分分析。對(duì)27組乙醇和水混合溶液進(jìn)行光譜掃描，用9個(gè)樣本建模，并驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)變量標(biāo)準(zhǔn)化處理后，建立了主成分回歸模型。以標(biāo)準(zhǔn)均方差，相關(guān)系數(shù)及絕對(duì)誤差作為模型評(píng)價(jià)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該溶液的預(yù)測(cè)效果產(chǎn)生的平均絕對(duì)誤差為0.0241。對(duì)不同比例配制的柴油和水混合溶液進(jìn)行相同的光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)，由于該溶液的不互溶，介質(zhì)不均勻的特點(diǎn)，增加了辨識(shí)的難度，數(shù)據(jù)分析采用了主成分分析法，預(yù)測(cè)模型的平均絕對(duì)誤差為0.0409，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了采用近紅外光譜測(cè)量技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)分析方法測(cè)量油水比是可行。

【關(guān)鍵詞】近紅外；光譜；主成分分析；組分；油水比

0 引言

近紅外光譜分析由于其快速，準(zhǔn)確，無(wú)損，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，在石油化工行業(yè)受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。目前在國(guó)內(nèi)，油水比的測(cè)量還存在一定的難度，其主要原因是由于井下流體的成分復(fù)雜性及高溫高壓下的狀態(tài)未知性。作為基礎(chǔ)性研究，首先從簡(jiǎn)單的混合溶液著手，驗(yàn)證幾種常用的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的有效性，并將其用于計(jì)算油水混合物中油水比的測(cè)量，從中總結(jié)相關(guān)的規(guī)律，為以后的研究做鋪墊。

3 水和柴油混合溶液組分分析

3.1 試驗(yàn)材料及樣品配制

在常溫常壓下，準(zhǔn)備足量的純凈水和純柴油，以水含量為10%，柴油含量為90%的混合溶液為起始點(diǎn)，每隔0.1，配制一次兩者的混合溶液，直到水含量為90%，即柴油含量為10%。易揮發(fā)油密度多在0.73～0.85g/cm3之間，因此柴油的密度比水輕。通常，兩者無(wú)法混合。為了模擬井下高溫高壓下的油水混合狀態(tài)，我們?cè)谌芤褐屑尤肴榛瘎﹣?lái)促成油水混合，乳化劑采用司班80。在高速乳化機(jī)的攪拌下，轉(zhuǎn)速為5000～7000轉(zhuǎn)，油水混合，并呈現(xiàn)乳白色。待油水尚未分離，需要在短時(shí)間里完成試驗(yàn)，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)樣品配制三次，光譜數(shù)據(jù)取三次的平均值。

3.2 光譜掃描及組分分析

由于油水混合物呈現(xiàn)乳狀，光譜的透射程度大大減弱，與酒精和水溶液相比，則需要更大光強(qiáng)增益，使得有透射光能夠被感知。與此同時(shí)，乳狀液中存在大量的懸浮顆粒，從而導(dǎo)致一部分光因?yàn)樯⑸涠鴵p耗的。

對(duì)于這組實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上是可以得到水和柴油的純光譜曲線(xiàn)，然后通過(guò)多元線(xiàn)性回歸的方法來(lái)求解組分百分比，但是由于純水和純柴油與混合液的狀態(tài)不同，儀器測(cè)量吸光度并不是在相同的參數(shù)設(shè)置下完成的，因此我們采用主成分分析的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)該混合液的組分分析。

油水混合物經(jīng)過(guò)主成分分析法得到的實(shí)驗(yàn)值與真值具有一定偏差，這是由于乳液中散射現(xiàn)象導(dǎo)致的。絕對(duì)誤差的最大值7.41%，最小為0.7%，平均絕對(duì)誤差為4.08%。

4 結(jié)論

為了對(duì)酒精和水混合溶液的成分進(jìn)行了組分分析，基于不同的實(shí)驗(yàn)條件約束，本文采用了主成分分析法來(lái)對(duì)酒精和水任意配比的混合溶液進(jìn)行建模。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在可互溶的流體里，并且介質(zhì)分布均勻的情況下，采用主成分分析法可以取得比較精確的測(cè)量結(jié)果。與之相反的不互溶的混合溶液，也可以通過(guò)主成分分析的方法來(lái)完成組分百分比的測(cè)量，但其精度明顯低于互溶溶液的測(cè)量值，這跟溶液本身的性質(zhì)密切相關(guān)。當(dāng)然從實(shí)際出發(fā)，對(duì)組分比精度的要求往往是基于應(yīng)用的需求，在不同的行業(yè)中，要求不盡相同。

在石油行業(yè)中，油水比的測(cè)量對(duì)預(yù)測(cè)原油污染起著至關(guān)重要的作用，在流體識(shí)別這一方面，未來(lái)還有很長(zhǎng)的一段路需要走，例如如何提高油水混合溶液的均勻性，如何保持溶液的穩(wěn)定性以免分層，如何提高油水比的測(cè)量精度。

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[責(zé)任編輯：王楠]