原油含水在線檢測影響因素的研究

董鵬敏，徐新宇，葉子浩，田 航

（西安石油大學機械學院，陜西 西安 710065）

關鍵字：原油含水率；微波測量；影響參數(shù)；誤差校正；檢測精度

原油含水率這一參數(shù)可有效反映當前油田的開發(fā)狀態(tài)且是后續(xù)原油生產(chǎn)加工重要參考數(shù)據(jù)[1]。 油田方面通常采用搭建在輸油管線上傳感器對開采原油含水進行實時檢測,其按照檢測原理又可分為密度檢測、電容檢測以及放射檢測多種方法[2]。其中，微波在線檢測具有檢測精度高、范圍廣，以及檢測結果不易受油水形態(tài)影響等優(yōu)點[2]， 使之成為最為普遍采用的在線檢測方式。但基于微波原理的實時檢測極易受到開采環(huán)境因素影響，進而產(chǎn)生較大檢測誤差。因此，分析礦化度和溫度對于微波檢測影響原因和規(guī)律，對于提高檢測精度，校正檢測誤差具有重要意義。

1 微波檢測原理

微波檢測的基本原理在于微波通過不同介質(zhì)時會導致微波信號的衰減及相移變化，并且，不同物質(zhì)導致“變化”各不相同。以此原理，利用對非電量有敏感響應的微波傳感器將待測物件的非電量轉(zhuǎn)換成微波電參量的變化進行測量[3]。

通常情況下(常溫、常壓)，原油其相對介電常數(shù)為2～3，水的相對介電常數(shù)為80，兩者的相對介電常數(shù)相差巨大。因此，不同“比例”的含水原油通過油水介電常數(shù)的復雜運算，表現(xiàn)出不同的復合介電常數(shù)，其運算為[4]：

其中，εar為某含水率下含水原油的介電常數(shù)；a 為原油含水率；εrw為水的介電常數(shù)；εrν為油的介電常數(shù)；k 為僅與含水率有關的并聯(lián)系數(shù)[4]。

基于這一原理，通過測得微波在不同含水率原油中信號衰減及相移變化量，即可得到原油含水數(shù)據(jù)。

2 礦化度及溫度對原油含水影響機理

礦化度是指水中含鈣、鎂、鋁和錳等金屬的碳酸鹽、重碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽以及各種鈉鹽等的總和。一般用1L 水中含有各種鹽分的總量來表示，單位為mg/L 或者g/L,符號一般用M表示。

研究表明，油水混合液的相對介電常數(shù)與油水混合液體濃度存在如下關系：

式中：εeff為油水混合液的相對介電常數(shù)；εw為水的介電常數(shù)；c 為油水混合物的密度；a 為陽離子的化合價；μ 為油水混合物中陽離子對水的相對介電常數(shù)的影響系數(shù)；β 為陰離子的化合價；ν 為油水混合液體中陰離子對水的相對介電常數(shù)的影響系數(shù)。由上式可知，油水混合物中含有的礦物質(zhì)會導致液體內(nèi)陽離子和陰離子的化合價發(fā)生改變，導致油水混合液體相對介電常數(shù)εeff發(fā)生改變，從而導致測量發(fā)生誤差[5]。

另一方面，現(xiàn)有研究已揭示當原油含水率高時，溫度會對呈乳化狀態(tài)下的油水混合物的介電常數(shù)產(chǎn)生影響，并且在溫度升高時，水介電常數(shù)減小從而導致油水混合物介電常數(shù)降低，油的介電常數(shù)較小，水的介電常數(shù)較大，當油水混合物介電常數(shù)減小時，會造成“油多水少”的假象，造成含水率的測量值偏離實際值[6]。

3 試驗

3.1 目的

基于微波傳感含水檢測，通過實驗模擬實際開采環(huán)境下溫度以及礦化度對于傳感器檢測影響。分析數(shù)據(jù)，找出溫度、礦化度對于檢測精度的影響規(guī)律.

3.2 儀器和試劑

儀器：燒杯若干（500mL），玻璃棒，膠頭滴管，恒溫水浴鍋，微波含水檢測傳感器，電子秤。

試劑：蒸餾水，基礎油，OP-10 乳化劑，無水氯化鈣。

3.3 試驗方案

基礎油及蒸餾水配含水率 (含水率：50%、55%、60%...95%；梯度：5%) 油水混合物若干份，通過添加乳化劑使油水充分混合后使用恒溫水浴鍋將混合液加熱到20℃ (標定溫度值：20℃、40℃、60℃、80℃；梯度：20℃，共計4 類)，并在此溫度下向混合液中逐步添加無水氯化鈣配置混合液到標定礦化度（0 mg/kg、500 mg/kg、1000 mg/kg…10000 mg/kg；梯度：500 mg/kg 共計21組），最后通過傳感器獲取在溫度為20℃時混合液伴隨礦化度逐步遞增情況下傳感器檢測數(shù)據(jù)，如此反復，分別獲取40℃、60℃、80℃實時檢測數(shù)據(jù)。

3.4 試驗數(shù)據(jù)

通過如上標定數(shù)據(jù)，共計測得試驗數(shù)據(jù)742組（表1）。其試驗數(shù)據(jù)如下：

表中，n 為礦化度；t 為測量時溶液溫度；c 表示傳感器含水率測量值；δ 為含水率標定值。

表1 試驗數(shù)據(jù)

3.5 結果分析

在固定為某一標定溫度情況下（20℃、40℃、60℃、80℃），在CaCl2逐步添加情況下微波含水檢測數(shù)據(jù)伴隨礦化度變化趨勢如圖1～4 所示。

圖1 20℃環(huán)境含水率檢測值隨礦化度變化曲線

圖2 40℃環(huán)境含水率檢測值隨礦化度變化曲線

圖3 60℃環(huán)境含水率檢測值隨礦化度變化曲線

圖4 80℃環(huán)境含水率檢測值隨礦化度變化曲線

說明：圖1～圖4 分別為20℃、40℃、60℃、80℃四種溫度環(huán)境，標定含水率 (50%、55%、60%...95%) 油水混合物伴隨礦化度變化趨勢圖；共計40 條。其擬合公式見表2。

表2 含水率與礦化度二次擬合導函數(shù)

表2 中，為混合液礦化度濃度且;為擬合導函數(shù)函數(shù)值，雖部分擬合函數(shù)導數(shù)斜率＜0，但時，擬合公式導函數(shù)的函數(shù)值＞0。由此可知，在某一固定溫度環(huán)境下，微波傳感器的檢測數(shù)值會隨著混合液中礦化度的增加而增大。同時，由圖1～圖4 和表2 可以知道，使用微波法測量配置的油水混合液，其檢測結果不僅受到混合液中礦化濃度的影響，同時也受到混合液溫度的影響，且兩者對于檢測結果的影響規(guī)律表現(xiàn)為復雜非線性關系，且傳感器檢測結果同實際含水率區(qū)別較大。

4 結語

通過試驗可以看出，就礦化度單一因素影響時，微波測量的含水數(shù)數(shù)值會伴隨混合液中礦化濃度的遞增而增高，且逐漸偏離了實際數(shù)值，兩者變化趨勢符合一定的二次函數(shù)形式。通過這一二次函數(shù)，可以得到某一油水混合液下微波傳感器測量值伴隨礦化度變化的變化規(guī)律，為運用于油田含水測量的微波傳感器的精度提供了校正參數(shù)和理論依據(jù)。