電學(xué)特性原油含水分析儀的應(yīng)用探析

王龍

摘 要：原油含水分析儀的應(yīng)用有效解決了傳統(tǒng)原油含水率分析中過度依賴人工而引發(fā)的精確度不夠、連續(xù)性不足、效率低下等問題。原油含水量分析儀包括電學(xué)測量、密度測量、同位素測量等多種類型，本文以電學(xué)特性原油含水量分析儀為案例，介紹該類分析儀的分析原理及應(yīng)用要點(diǎn)，用以完善電學(xué)特性原油含水分析儀實踐操作體系，供相關(guān)工作的開展借鑒參考。

關(guān)鍵詞：電學(xué)特性;原油含水分析儀;含水率分析

0 引言

含水率測量為原油產(chǎn)品開發(fā)過程的基本工作，觀察含水率變化可準(zhǔn)確了解油藏動態(tài)特征，為油井開發(fā)壽命及產(chǎn)量預(yù)估提供理論依據(jù)，同時輔助最優(yōu)開發(fā)方案的制定。在原油地面輸送及處理過程中，含水率也為一項非常重要的觀察指標(biāo)。依照實際生產(chǎn)及工藝需求，適當(dāng)選擇含水量分析儀設(shè)備，并確保操作過程的規(guī)范性，是得出可靠含水率測量結(jié)果的基礎(chǔ)，有必要對相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗作分析總結(jié)。

1 電學(xué)特性原油含水分析儀作用原理

市面上已有電學(xué)特性原油含水分析儀包括以下四種類型：

1.1 電容式

電容式分析儀利用水油介電常數(shù)不同，當(dāng)介質(zhì)內(nèi)含水率上升時，其介電常數(shù)隨之提高，進(jìn)而導(dǎo)致極板間電容增加。電容增加引發(fā)震蕩頻率變動，基于該頻率即可了解介質(zhì)含水情況。

1.2 短波式

短波式分析儀向測量目標(biāo)發(fā)射高頻電磁波信號，以傳感器接收反饋信息，當(dāng)水油介質(zhì)流經(jīng)同軸線傳感器時，電磁波發(fā)生相位以及幅度衰減，信號經(jīng)放大后傳輸至混頻器。另一路信號則直接進(jìn)入混頻器，混合兩組信號，得到中頻信號并在鑒相器進(jìn)行處理，得到電磁波在同軸線水油混合介質(zhì)中的傳播相位，若含水率發(fā)生變化，其相位隨之改變，測量相位即可得到原油含水率數(shù)值[1]。該分析儀的優(yōu)勢為不受溫度、壓力等條件的影響，但因探頭結(jié)蠟現(xiàn)象會影響測量精度，因此不可用于含氣原油的檢測，但適用于高含水的情況。

1.3 微波式

微波式分析儀的作用原理為：水的導(dǎo)電率及傳導(dǎo)率遠(yuǎn)高于油，利用該差異可準(zhǔn)確檢測介質(zhì)中的水含量。該類型分析儀需借助微波共振進(jìn)行測量，而管道自然振動頻率與其中運(yùn)輸介質(zhì)密度高度相關(guān)，因此通過振動頻率即可了解介質(zhì)密度，獲取共振頻率及波峰寬度，可檢測管道內(nèi)介質(zhì)的導(dǎo)電特性，然后再借助波峰的諧振頻率即可了解管道內(nèi)介質(zhì)含水情況。該類型分析儀使用過程易發(fā)生模擬電路信號漂移問題，需做加溫補(bǔ)償處理，因此多被用于含水率較低的原油檢測中。

1.4 射頻式

射頻式分析儀利用油與水的電磁波阻抗能力不同，向被檢測介質(zhì)發(fā)射高強(qiáng)度電磁波，不同含水率的介質(zhì)產(chǎn)生不同的電磁波頻率，測量該頻率即可掌握介質(zhì)含水率情況。

2 電學(xué)特性原油含水分析儀具體應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

為進(jìn)一步提高原油含水率檢測的便捷性，以電學(xué)特性原油含水分中的電容檢測原理為基礎(chǔ)，設(shè)計一種新型的原油含水在線分析設(shè)備，以實現(xiàn)原油含水率的實時監(jiān)控。

2.1.1 框架設(shè)計

在線含水分析儀由測量管段和旁通管段兩部分構(gòu)成，在控制閥作用下實現(xiàn)二者間的靈活切換，完成樣本采集操作。其中，測量管段上安有測量探頭及排氣裝置，可排除水油加熱分離過程產(chǎn)生的氣體，防止影響測量結(jié)果精確性。

2.1.2 原理分析

將在線含水分析儀安裝在目標(biāo)管線上，使管道內(nèi)介質(zhì)有效流經(jīng)分析儀。系統(tǒng)收到采樣指令后，控制閥將液流通道切換至旁通管段，截留原經(jīng)過測量管段的介質(zhì)，依照預(yù)設(shè)參數(shù)完成介質(zhì)采樣，然后依照電容式分析儀的分析原理測定、計算介質(zhì)含水率。在得到最終計算結(jié)果后，控制閥將液流切換回測量管段，準(zhǔn)備下一次采樣分析。

2.1.3 作用特點(diǎn)

基于電容測量原理的在線原油含水分析儀具備如下作用特點(diǎn)：第一，可依照實際工況需求預(yù)設(shè)采樣時間，完成實時采樣，確保含水率檢測結(jié)果的代表性。第二，取樣后可在測量管段內(nèi)進(jìn)行介質(zhì)加熱，水油分離效果更優(yōu)，提高測量結(jié)果精度。第三，測量管段安裝排氣裝置，因此該儀器可被用于水油氣三相混合介質(zhì)的含水率檢測中，適用范圍更廣。第四，可依照被測介質(zhì)基本屬性針對性調(diào)節(jié)儀器靜止加熱時間、溫度等，提高測量管段內(nèi)各相物質(zhì)分離效果，削弱分離效果對含水率測量精度的影響。第五，自動分析儀提供手動和自動兩種模式，其中，手動模式可用于經(jīng)目標(biāo)的跟蹤檢測。第六，分析儀自帶自動控制模塊，準(zhǔn)確接收控制閥信號，并依照信號自動優(yōu)化切換參數(shù)。

2.2 應(yīng)用效果分析

為驗證在線含水測量儀的作用效果，在輸油處開展為期6個月的方案對比分析工作。其中，實驗組采用自動分析儀進(jìn)行原油含水檢測，對照組采用手動計量閥完成含水檢測，標(biāo)準(zhǔn)組則采集分析儀測量管段內(nèi)的介質(zhì)樣本，在實驗室進(jìn)行人工蒸餾和分析計算，得到更可靠的含水率測量結(jié)果，與實驗組和對照組結(jié)果相對比。經(jīng)計算，原油含水率檢測平均誤差在2.25%，其中，誤差在2%以內(nèi)的占比在21%，誤差在5%以內(nèi)的占比在65%。認(rèn)為導(dǎo)致含水率檢測結(jié)果誤差過大的原因為：第一，分析儀測量結(jié)果為原油體積含水，但所使用的含水值為質(zhì)量含水，因此存在既定誤差;第二，人工檢測中取樣過程無法做到絕對規(guī)范，產(chǎn)生取樣誤差;第三，介質(zhì)均勻程度、溫度、壓力等因素的影響。

基于以上實驗結(jié)果，決定對在線含水分析儀的計算軟件做優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)行體積與質(zhì)量的換算糾正，同時添加溫度補(bǔ)償。硬件結(jié)構(gòu)方面，在分析儀入口之前安裝混配器，提前將介質(zhì)混合均勻，以消除介質(zhì)不均勻?qū)y量結(jié)果精度的影響。

經(jīng)改進(jìn)后，在線含水分析儀的檢測精度充分達(dá)到原油含水率檢測的要求。另外在經(jīng)濟(jì)性方面，若依照100個取樣點(diǎn)/d進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益估算，在引入在線含水分析儀后，輸油處每年可節(jié)約樣本采集成本3.35萬元，且減少采樣及化驗人工需求8人，最終可節(jié)約原油含水檢測總成本55萬元，經(jīng)濟(jì)性突出。

2.3 注意事項總結(jié)

為使在線原油含水分析儀的作用優(yōu)勢充分發(fā)揮，在使用該儀器的過程中還應(yīng)確保有關(guān)操作的規(guī)范性，同時定期開展儀器設(shè)備維護(hù)工作。

2.3.1 科學(xué)選取應(yīng)用范圍

當(dāng)水油比例達(dá)到一定水平時，水油乳化液可能發(fā)生相互轉(zhuǎn)變，其相變多發(fā)生在含水率在50%～60%的范圍內(nèi)，該范圍與乳化液結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。若乳化液為油連續(xù)相，則分析儀分析結(jié)果可靠，若為水連續(xù)相，則會帶來較大的測量誤差，多導(dǎo)致測得的含水率偏高。該問題可用西爾伯施泰因--牛頓公式來解釋，即ε=εH（1-w）+εBw，其中ε、εH、εB、w分別表示測得介電常數(shù)、非對稱流體連續(xù)相介電常數(shù)、非對稱流體分散相介電常數(shù)和分散相介質(zhì)體積含量。

基于以上背景，使用電學(xué)特性含水分析儀進(jìn)行原油含水分析時應(yīng)注意以下問題：第一，此類型分析儀僅可可靠測量已分散水分的含量，為保證測量效果，應(yīng)將設(shè)備安裝至垂直管段，提高水油分離效果。第二，若原有含水率已超過60%，應(yīng)選擇其他類型的分析儀，主要是由于自然乳化液中的含水率很難超過60%，若超過，會出現(xiàn)游離水、相轉(zhuǎn)變等問題。雖然目前市面上不少分析儀的測量范圍均在0～100%，但其有效量程并未達(dá)到該水平。若原有含水率超過60%，可在儀器之前安裝水油分離裝置，將乳化液含水率處理至50%以下后再進(jìn)行測量。

2.3.2 加強(qiáng)檢測條件監(jiān)控

介質(zhì)介電常數(shù)溫度敏感性較強(qiáng)，如20℃時，水的介電常數(shù)在80.1，當(dāng)溫度達(dá)到100℃時，介電常數(shù)降低至55.72。原油含水率測量中，不同類型原油的介電常數(shù)差異顯著，受測量條件及分析儀校驗條件的影響，可能出現(xiàn)乳化油介電常數(shù)變化的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致含水率測量誤差。針對該問題，可參考前文新型在線原油含水分析儀，在系統(tǒng)內(nèi)添加溫度補(bǔ)償，以有效消除溫度參數(shù)影響，盡可能使儀器校驗溫度與工況溫度相同。

3 結(jié)論

原油生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提升促使原油含水分析活動頻繁開展，對分析精度、效率及便捷性提出更高要求。充分了解電學(xué)特性原油含水分析儀的檢測原理和適用條件，并結(jié)合實際檢測需求進(jìn)行儀器改造設(shè)計，借助在線含水分析儀，實時、高效進(jìn)行原油含水率分析，以獲取更可靠的分析結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王少松，談得芳.新型在線含水分析儀在西北油田的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2019，46（12）：1051-1054.