影響便攜式原油含水分析儀準(zhǔn)確性的研究

丁雅勤王小琳楊娟任志鵬

(1.長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，西安，710003；2.長(zhǎng)慶化工集團(tuán)有限公司研究所，西安，710003)

原油水含量測(cè)定在長(zhǎng)慶油田勘探、開發(fā)、集輸、以及重點(diǎn)井、探井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面，都起著重要的作用[1,2]。目前水含量測(cè)定現(xiàn)狀如下：(1)蒸餾法在廠級(jí)、作業(yè)區(qū)級(jí)實(shí)驗(yàn)室逐漸被離心法、便攜法代替；蒸餾法主要問(wèn)題是測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)人員技術(shù)性要求較高；(2)近三年離心法、便攜法的大規(guī)模使用，測(cè)定過(guò)程中存在的問(wèn)題逐漸凸顯，針對(duì)復(fù)雜原油樣品(含化學(xué)藥劑、破乳難、乳化層厚等)水含量測(cè)定，基層實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度仍然很低；(3)便攜式原油含水分析儀[3-5]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有權(quán)威實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證認(rèn)可，實(shí)驗(yàn)方法沒有標(biāo)準(zhǔn)參考；(4)基層實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)操作工人每天的樣品處理量巨大(常規(guī)作業(yè)區(qū)級(jí)實(shí)驗(yàn)室原油含水率測(cè)定數(shù)量在150～300次之間)，蒸餾法無(wú)法滿足做樣量要求，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)單井的含水率，離心法儀器太大，搬運(yùn)不便，無(wú)法在單井點(diǎn)開展含水率測(cè)定，而便攜法儀器自重僅為1.5kg，方便攜帶，因此全面分析影響便攜式原油含水測(cè)定儀準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)因素十分必要[6,7]，為后續(xù)該儀器在油田基層單位推廣、規(guī)模化應(yīng)用提供有力的技術(shù)數(shù)據(jù)支持。

便攜式原油含水分析儀的原理是基于油、水介電常數(shù)不同[8,9]，常溫下，油的介電常數(shù)約為2.2，水的介電常數(shù)約為80，兩者的介電常數(shù)差別很大，對(duì)高頻電磁波的吸收率不同，通過(guò)探測(cè)穿過(guò)原油樣品的電磁波強(qiáng)度變化和相位變化，可以準(zhǔn)確判斷出電磁波所穿過(guò)的原油樣品的含水率。

1 各種實(shí)驗(yàn)因素對(duì)便攜法測(cè)定準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)原油水含量測(cè)定值的影響[10]

實(shí)驗(yàn)條件：原油樣品均質(zhì)化處理10min，使樣品中油、水充分混合均勻，測(cè)定樣品總體積400mL，去離子水體積100mL，理論體積含水率為25.0%，結(jié)果如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)含水率的影響

1.2樣品的均質(zhì)化處理對(duì)原油水含量測(cè)定值的影響

實(shí)驗(yàn)條件：原油樣品均質(zhì)化處理10min，使樣品中油、水充分混合均勻，實(shí)驗(yàn)溫度38℃～40℃，含水率測(cè)定范圍為0%～99%，結(jié)果如圖2所示。

結(jié)果分析：均質(zhì)化處理后的原油便攜法含水率測(cè)定結(jié)果和理論含水率十分吻合，均質(zhì)化后的原油樣品含水率最大相對(duì)誤差為2.4%，未均質(zhì)化的原油樣品含水率的最大相對(duì)誤差為20.3%。因此，用便攜法開展含水率測(cè)定時(shí)，建議配套均質(zhì)化器，對(duì)樣品進(jìn)行均質(zhì)化前處理后再測(cè)定含水率。

圖2 均質(zhì)化處理對(duì)含水率的影響

1.3 液面深度對(duì)原油水含量測(cè)定值的影響

實(shí)驗(yàn)條件：原油樣品均質(zhì)化處理10min，使樣品中油、水充分混合均勻，實(shí)驗(yàn)溫度38℃～40℃，樣品測(cè)定深度范圍擴(kuò)大至8mm～130mm，樣品理論含水率16.6%，結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果分析：當(dāng)樣品深度低于28mm時(shí)，含水率有急速上升趨勢(shì)，當(dāng)深度高于30mm后，含水率值趨于穩(wěn)定，因此，用便攜法開展含水率測(cè)定時(shí)，建議樣品測(cè)量深度高于30mm。

圖3 液面深度對(duì)含水率的影響

1.4 氣體對(duì)原油水含量測(cè)定值的影響[12]

實(shí)驗(yàn)條件：原油樣品均質(zhì)化處理10min，使樣品中油、水充分混合均勻，實(shí)驗(yàn)溫度38℃～40℃，樣品測(cè)定體積400mL～450mL，結(jié)果如表1所示。

結(jié)果分析：利用便攜法時(shí)，油、氣、水三相混合時(shí)，氣體會(huì)使樣品體積發(fā)生變化，從而影響原油含水率，實(shí)驗(yàn)值和理論值最大絕對(duì)誤差為4.38%，在實(shí)驗(yàn)室開展含水率值測(cè)定時(shí)，需對(duì)樣品進(jìn)行排氣處理。

表1 氣體對(duì)原油水含量測(cè)定值的影響

1.5 乳化劑對(duì)原油水含量測(cè)定值的影響

實(shí)驗(yàn)條件：原油樣品均質(zhì)化處理10min，使樣品中油、水充分混合均勻，實(shí)驗(yàn)溫度38℃～40℃，液面深度85mm，op-10 3滴，結(jié)果如圖4所示。

結(jié)果分析：乳化劑的加入對(duì)結(jié)果的影響較大，不同原油含水率樣品測(cè)定的實(shí)驗(yàn)值和理論值存在較大誤差，其絕對(duì)誤差范圍為2.1%～49.9%。因此，在利用便攜法開展含水率測(cè)定時(shí)，要確保樣品中沒有其他化學(xué)藥劑的加入，否則采用均質(zhì)化后蒸餾法測(cè)定樣品中的水含量。

圖4 乳化劑對(duì)原油樣品含水率值的影響關(guān)系

1.6 單一礦化度CaCl2對(duì)原油水含量測(cè)定值的影響[13,14]

實(shí)驗(yàn)條件：原油樣品均質(zhì)化處理10min，使樣品中油、水充分混合均勻，實(shí)驗(yàn)溫度38℃～40℃，液面深度85mm，模擬地層水配置濃度范圍0g/L～100g/L，結(jié)果如圖5所示。

結(jié)果分析：兩個(gè)樣品的實(shí)測(cè)含水率均隨礦化度的增大而升高，理論含水率38.5%的測(cè)定曲線斜率大于16.6%的樣品，解釋為電導(dǎo)率越高，介電常數(shù)值越大，含水率值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且礦化度對(duì)理論含水率為38.5%的樣品比16.6%的樣品影響更大。

圖5 礦化度變化對(duì)原油含水率值的影響

1.7 雙礦化度MgCl2 CaCl2對(duì)原油水含量測(cè)定值的影響[15-17]

1.7.1實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)條件：原油樣品均質(zhì)化處理10min，使樣品中油、水充分混合均勻，實(shí)驗(yàn)溫度38℃～40℃，液面深度85mm，模擬地層水配置濃度范圍0g/L～60g/L，結(jié)果如圖6～圖10所示。

圖6 CaCl2:MgCl2=1∶9礦化度對(duì)含水率的影響

圖7 CaCl2:MgCl2=3∶7礦化度對(duì)含水率的影響

結(jié)果分析：當(dāng)配制樣品的理論含水率值一定時(shí)，無(wú)論CaCl2、MgCl2配比有何不同，含水率測(cè)定結(jié)果均隨礦化度增加而逐漸增大。當(dāng)CaCl2∶MgCl2配比相同時(shí)，斜率隨含水率增大而增大，但曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，哪個(gè)影響因素對(duì)含水率值的影響更大些，從圖中無(wú)法直接查看，由此可見，礦化度濃度、理論含水率值、CaCl2、MgCl2配比對(duì)結(jié)果的影響呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系。

圖8 CaCl2:MgCl2=5∶5礦化度對(duì)含水率的影響

圖9 CaCl2:MgCl2=7∶3礦化度對(duì)含水率的影響

1.7.2MatlabBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬數(shù)值分析

BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是全程基于誤差反向傳播算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即是一種誤差反向傳播算法的學(xué)習(xí)過(guò)程，形象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11所示，該過(guò)程由信息的正向傳播和誤差的反向傳播組成[18]。

雙礦化度對(duì)原油含水率的影響[19-21]非單一因素影響的線性關(guān)系，而是較為復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系，利用Matlab BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬，可以有效的分析礦化度濃度、MgCl2CaCl2配比、含水率變化三者自變量和實(shí)測(cè)含水率值因變量之間的非線性函數(shù)關(guān)系，同時(shí)可直觀給出每個(gè)自變量單獨(dú)變化對(duì)測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性的影響程度。數(shù)值模擬包括以下兩部分：

1)數(shù)據(jù)的歸一化處理

因各變量量綱不同 ，故需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到[0，1]區(qū) 間的數(shù)值 ，歸 一化公式 為 ：

2)網(wǎng)絡(luò)初始化網(wǎng)絡(luò)仿真測(cè)試

假設(shè)原油理論含水率為自變量x1，礦化度為自變量x2，水中Ca、Mg比例為自變量x3，便攜法測(cè)得的含水率為因變量y，共計(jì)35組數(shù)據(jù)，其中將30組作為訓(xùn)練樣本，5組作為預(yù)測(cè)樣本(所有訓(xùn)練及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)參見圖6～圖10)，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖12所示，利用Matlab BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬，分別將x1、x2、x3人為變化3%、5%、10%，得到對(duì)y的影響，即參數(shù)敏感性分析，如圖13所示。

本BP網(wǎng)絡(luò)采用函數(shù)newff()對(duì)數(shù)值進(jìn)行初始化訓(xùn)練，得到網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值，具體調(diào)用形式如下：

net = newff(pn_train,tn_train,7)，式中pn-train、tn-train為輸入元素的最大值和最小值的矩陣，7為隱含層個(gè)數(shù)；

相關(guān)參數(shù)：訓(xùn)練次數(shù)1000次，訓(xùn)練精度0.001，迭代10次，學(xué)習(xí)速率0.1；

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)：net = train(net,pn_train,tn_train);

網(wǎng)絡(luò)仿真測(cè)試：tn_sim = sim(net,pn_test);

訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的均方誤差為0.0055763，R2為0.97817E = mse(tn_sim - tn_test);

3)結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，發(fā)現(xiàn)模擬網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練良好，R2約為0.98，見圖12所示，影響雙礦化度樣品含水率準(zhǔn)確性的3個(gè)因素的主次因關(guān)系為理論含水率的影響>礦化度的影響>離子配比的影響，同時(shí)，理論含水率、礦化度對(duì)測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性影響為正相關(guān)、離子配比的影響為負(fù)相關(guān)，見圖13。該結(jié)論可以解釋為在實(shí)際基層原油含水率測(cè)定時(shí)，除非樣品明水體積超過(guò)30%，同時(shí)該區(qū)域地層水礦化度異常高，需要對(duì)儀器進(jìn)行重新標(biāo)定，否則可以不考慮地層水礦化度和配比對(duì)含水率值的影響。

2 便攜式原油含水分析儀的測(cè)定方法及應(yīng)用條件

通過(guò)前期實(shí)驗(yàn)相關(guān)因素分析，發(fā)現(xiàn)便攜式原油含水分析儀的應(yīng)用范圍及條件如下。應(yīng)用地點(diǎn)：重點(diǎn)單井、班站、作業(yè)區(qū)化驗(yàn)室；選樣條件：?jiǎn)尉汀⒕C合站原油樣品均可測(cè)定，但該方法不適用于原油計(jì)量交接；測(cè)量范圍：現(xiàn)場(chǎng)便攜式含稅測(cè)定儀的含水率建議測(cè)定范圍為5%～95%(其他范圍建議使用蒸餾法)；溫度選擇：所有樣品進(jìn)行預(yù)處理加熱，加熱溫度建議40℃～45℃；儀器配置：現(xiàn)場(chǎng)建議配備機(jī)械混調(diào)器或者高速攪拌器，對(duì)原油樣品進(jìn)行均質(zhì)化處理；樣品量：總樣品量要求進(jìn)入便攜式含水測(cè)定儀的深度為大于等于30mm；其他因素干擾：(氣體)樣品測(cè)定前如果對(duì)含水率精度要求較高，建議進(jìn)行排氣處理；(礦化度)如果測(cè)定區(qū)域礦化度較高(大于30g/L)，單井含水較高(30%以上)，測(cè)定前，必須用該區(qū)域地層水進(jìn)行儀器標(biāo)定，否則選用蒸餾法。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)蒸餾法比對(duì)試驗(yàn)及相關(guān)試驗(yàn)因素分析，結(jié)果表明推廣使用便攜式原油含水分析儀，可為探井、重點(diǎn)試驗(yàn)井、班站及作業(yè)區(qū)化驗(yàn)室的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面提供數(shù)據(jù)支持，具有較好的市場(chǎng)推廣應(yīng)用價(jià)值。