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摘 要： 綜述了原油含水率的測量方法，包括人工離線和在線測量兩大類。傳統(tǒng)的離線方法通過化驗室樣品分析來測量原油含水率，常見的技術(shù)包括蒸餾法、離心法、電脫法和卡爾-費休法。蒸餾法精度高，過程復雜耗時；離心法操作簡便，適合高含水原油，易受二次污染；電脫法速度快，適應(yīng)性強，準確性較差；卡爾-費休法適用于低含水率，技術(shù)要求高，適用范圍有限。隨著技術(shù)發(fā)展，在線測量儀器得到廣泛應(yīng)用，提升了測量頻率、速度和時效性。主要在線測量方法包括接觸式和非接觸式兩類。接觸式方法如密度計法、電容法、射頻法和電導率法，測量過程與原油接觸，有測量直接、實時的優(yōu)點，受溫度、結(jié)垢等影響較大。非接觸式方法如電磁波法、超聲波法、紅外光譜法等，測量過程不直接接觸被測介質(zhì)，更安全，易受到外部因素的干擾，且設(shè)備較復雜。對比分析認為不同方法有各自的優(yōu)缺點，一般開發(fā)初期含水較低，隨著開發(fā)進行含水逐漸升高，選擇適當?shù)臏y量技術(shù)需根據(jù)油田的特點，綜合考慮測量精度、設(shè)備成本、適用范圍及環(huán)境影響等因素。

 

關(guān)鍵詞： 原油含水率； 測量方法； 綜合對比分析

 

1 概述

原油含水率作為油田原油生產(chǎn)的一個重要指標，是判定采油井水淹程度，分析油藏油水分布狀況，研究油水運移規(guī)律的重要依據(jù)。如何科學評價油田開發(fā)效果、總結(jié)油藏開發(fā)規(guī)律和深入挖掘油田開發(fā)潛力以及引導油田開發(fā)更加合理高效，都要依靠準確的原油含水率參數(shù)來實現(xiàn)。單井原油含水率數(shù)據(jù)反映了采油井生產(chǎn)狀況，可以據(jù)此確定采油井出水情況，估算原油產(chǎn)量，提高采油井生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，而且還是注水開發(fā)油藏進行水驅(qū)開發(fā)效果油藏描述的重要評價指標。油田進入開發(fā)中后期階段時，準確及時掌握油井生產(chǎn)狀況顯得尤為重要，這為生產(chǎn)管理提供真實可靠的信息，同時也是優(yōu)化和匹配地面油水處理負荷的基礎(chǔ)。常用測原油含水率的方法可分兩類：一類是手工離線測定，另一類是儀器儀表在線測定[1?3]。在原油生產(chǎn)經(jīng)營管理越來越精細的情況下，對原油含水率的測量要求也更加嚴格。受各種因素的制約，穩(wěn)定、準確、可靠、及時、經(jīng)濟的原油含水率測量方式仍是一個世界性難題。

 

2 原油含水率人工離線測量方法

人工線下測量主要采用蒸餾法、離心法、電脫法和卡爾-費休法[1?4]，人工線下測量的核心就是通過井口取樣，在化驗室油水分離后，分別測量原油量和水量來計算原油含水率。在實驗室進行油水分離主要有蒸餾法、離心法、電脫法三種方法。卡爾-費休法不需要事先進行油水分離，直接在原油樣品中加入試劑，通過測試試劑消耗量來推算原油含水率。

2.1 蒸餾法

蒸餾法的原理是利用油和水的沸點(冷凝點)不同，通過蒸餾含水原油樣品再冷凝實現(xiàn)油和水的分離，然后分別測量原油量和水量來計算原油含水率[4]。蒸餾法的優(yōu)點是測量結(jié)果精度高，缺點是蒸餾過程復雜，分析耗時長。

2.2 離心法

離心法的原理是基于油和水的密度差異，含水原油在離心機內(nèi)部進行高速離心，使油水乳化液發(fā)生破乳分離[4]。在離心機的收集管中，油因密度較小浮于頂部，而水因密度較大沉于底部，隨后可以分別測量原油量和水量來計算原油含水率。優(yōu)點是離心分離裝置體積小，簡單易行，便于操作，破乳效率高，分析速度快；其缺點是不封閉的油水離心分離裝置導致二次污染比較容易，測量精度也比較受影響。

2.3 電脫法

電脫法的原理在高壓電場的作用下乳化液中的水極化，使水滴成為帶電水滴，一端帶正電荷，另一端帶負電荷[3]。極化水滴相互吸引，在帶電水中形成較大的帶電水珠，并且在極化水滴與帶電水珠之間形成較大的電位差，從而使更多水滴繼續(xù)被極化，然后又與其他帶電水滴相互吸引聚結(jié)。由此循環(huán)，小水滴不斷長大成大水珠，水珠聚結(jié)長大到一定程度在重力作用下就會沉降，邊沉降邊聚結(jié)變大，最終水滴聚集在容器底部，這樣就實現(xiàn)了油水分離，然后分別測量原油量和水量來計算原油含水率。電脫法適用于高含水原油，優(yōu)點是以電脫法為主要特征的原油脫水法，設(shè)備使用維護簡單，技術(shù)要求不高，操作簡便易行，分析速度快，適應(yīng)油田現(xiàn)場需求，缺點是準確性、可靠性差。

2.4 卡爾-費休法

卡爾-費休法的原理是利用化學反應(yīng)方程式和質(zhì)量守恒定律來推算原油含水率，不需要事先進行油水分離[3]。直接在原油樣品中加入卡爾-費休試劑，試劑中在常態(tài)下不發(fā)生化學反應(yīng)的SO2和I2在水的參與下發(fā)生氧化還原反應(yīng)SO2+I2+2H2O=2HI+H2SO4，通過測定出試劑中SO2和I2的消耗量，計算出反應(yīng)過程中水的消耗量，推算原油含水率?？?費休法適用于原油含水低的情況(0.02%～5%)，優(yōu)點是準確性高，不受原油乳化影響，缺點是技術(shù)要求高，適用范圍窄。比較人工離線測量的幾種方法，卡爾-費休法在油田現(xiàn)場適用性較差，前3種方法適合油田日常計量需要。考慮經(jīng)濟性和方便性離心法和電脫法兩種簡易法能夠滿足油田生產(chǎn)需要。比較復雜的蒸餾法適用性和性價比適中，可用來定期校驗離心法和電脫法兩種簡易方法。人工離線測量是傳統(tǒng)含水計量方法，準確性受取樣制約，取樣過程不連續(xù)，隨機性大，不能代表油井實際生產(chǎn)狀況，也不能適應(yīng)自動化管理，耗費時間與人力。

 

3 原油含水率在線測量方法

隨著技術(shù)不斷進步，在原油含水率測量方面，各種形式的在線檢測儀器被開發(fā)出來應(yīng)用到了油田，一方面測量頻度、速度和時效性有了很大提高，另一方面也節(jié)省人力，降低了人力成本，提高了檢測效率。原油含水率在線測量也順應(yīng)了油田自動化管理的潮流。按儀器與測試介質(zhì)的接觸關(guān)系將在線原油含水率測量法又分為密度計法、測重法、電容法、射頻法、電導率法等接觸式測量方法和電磁波法、短波法、微波法、紅外光譜法、同軸線相位法、射線法、超聲波法等非接觸式測量方法[1?39]。

3.1 密度計測量法（密度測量法或測重法）

密度計測量法的原理是以油、水密度差異為依據(jù)測量原油含水率的方法[4]。其方法為：含水原油在通過兩相分離器后，對排出的油水混合液用液體密度測定儀或質(zhì)量流量計連續(xù)測量混合液密度，因為穩(wěn)定生產(chǎn)的原油和地層水具有各自穩(wěn)定的密度值，一般采油井在一定生產(chǎn)階段內(nèi)能滿足這一條件，由此計算含水率。密度計測量法具有計量相對準確的優(yōu)點。該方法的缺點是接觸法固有的，在地層水礦化度較高或者原油含蠟和膠質(zhì)成分較高時，儀器表面易結(jié)垢、蠟，粘覆雜質(zhì)，儀器測量精度和使用壽命都會受影響。

3.2 電容法

電容法的原理就是利用含水原油混合物介電常數(shù)決定其諧振電路的電容量，諧振電路的電容量決定諧振電路的固有頻率，這樣通過測量諧振電路的振蕩頻率就可間接計算含水原油混合物介電常數(shù)[5?9]。混合物介電常數(shù)由油和水的比例關(guān)系(含水率)確定，因為針對確定的油水系統(tǒng)，油和水的相對介電常數(shù)不同，一般油的相對介電常數(shù)為2.3，水的相對介電常數(shù)為80。電容法測原油含水率的優(yōu)點是設(shè)備簡單，安裝、使用、維護都方便、性價比高、可靠性好，便于在線監(jiān)測，缺點是易受干擾，精度不高，適用測量范圍較窄，僅適合于低含水油田(不超過30%)。探頭因為長時間與測量介質(zhì)接觸，探頭表面易結(jié)垢、蠟，粘覆雜質(zhì)，儀器測量精度和使用壽命都會受影響。

3.3 射頻法

射頻法的原理是射頻原油含水分析儀探針產(chǎn)生色譜，通過天線發(fā)射色譜信號穿過介質(zhì)，介質(zhì)以含水原油為負載，負載不同射頻信號衰減變化程度也不同[10?16]。負載不同主要在于介質(zhì)中油水比例不同造成的介電常數(shù)不同，即射頻信號衰減后的幅值變化幅度和相位偏轉(zhuǎn)角度與油水比例(原油含水率)相對應(yīng)。而介電常數(shù)與電壓幅值變化之間不存在一一對應(yīng)關(guān)系，介電常數(shù)與終端電磁波相位偏移存在一一對應(yīng)關(guān)系。通過檢測終端電磁波衰減前后的相位偏移差就可間接求得含水原油的含水率。射頻法測原油含水率的優(yōu)點包括儀器體積小，便于安裝，良好的重復性、響應(yīng)迅速等，缺點是易受到外界電磁干擾和天然氣含量影響，在測量中等程度含水原油時易出現(xiàn)雙解，造成歧義結(jié)果。不同學者對射頻原油含水分析儀的發(fā)射頻率選擇有不同認識，從10～42 MHz各種選擇都有，射頻法天線結(jié)構(gòu)、測量電路和發(fā)射頻率的選取還有待于進一步研究優(yōu)化。

3.4 電導率法

電導率法的原理是利用原油和地層水電導率差異大的特性測原油含水率[17?23]。原油和純凈水幾乎不導電，地層水因為礦化度的原因?qū)щ娦詮姡偷碾妼嗜Q于原油和地層水的比例即含水率。不同油藏地層水電導率也有差異，但同一個油藏地層水電導率基本不變，因此可以用電導率法測原油含水率。將兩塊平行的電極板放置在含水原油中作為供電極，在兩塊供電電極板之間再放置兩塊平行電極板作為感應(yīng)端，當含水原油流過時，由感應(yīng)電極測得的感應(yīng)電壓求得含水原油電導率，再由麥克斯韋爾公式通過電導率求得原油含水率。電導率法測原油含水率的優(yōu)點是設(shè)備簡單、價格低廉，可以很方便地應(yīng)用于在線監(jiān)測，缺點是測量結(jié)果受溫度、原油乳化程度、離子濃度、礦化程度影響，易受雜質(zhì)干擾，精度不高。由于金屬電導環(huán)需要與油水混合液接觸，地層水結(jié)垢和原油結(jié)蠟降低測量的靈敏度。電導率法適用測量范圍有限，測量分辨率也相對較低。對于中高含水原油，通過麥克斯韋爾公式可計算出當水為連續(xù)相時的含水率，對低含水原油就不適用了。

3.5 電磁波法

電磁波法是以油和水對電磁波的吸收能力差異較大為基礎(chǔ)，發(fā)射固定能量的電磁波，并接受電磁波的一種非接觸式測量方法，通過檢測接收到的電磁波強度來確定原油的含水率大小。不同頻率的電磁波具有不同的特點，根據(jù)這一特性已開發(fā)出的原油含水率測試儀主要有短波法、微波法、紅外線法、x射線法以及γ射線法。無論短波法、微波法，都屬于電磁波法，只不過短波法對環(huán)境溫度的要求更高一些，對于溫度起伏較大的情況，就不適用了。而微波法比較復雜，抗干擾能力差，需要額外增加抗干擾設(shè)備，提高了成本。

3.5.1 短波法

短波法的原理是油和水對短波的吸收能力存在差異[24]。等量的含水原油，其短波能量的吸收程度取決于油水的比例，而不同的油水比例也會導致等量原油對短波能量的吸收有所不同，當油水的比例變化時，吸收的短波能量就會相應(yīng)地發(fā)生改變。在短波法含水率檢測儀接收器將變化差值放大后直接表明瞬時含水率，然后按最小的體積脈沖計算出平均含水率。短波法的優(yōu)點在于不受原油含鹽量的影響，且不受溫度、壓力以及介質(zhì)的黏度和密度等因素的干擾，測量范圍廣泛，同時能夠測量瞬時含水率，缺點是在其測量的特性曲線上，會出現(xiàn)介質(zhì)狀態(tài)由油包水向水包油轉(zhuǎn)變時的拐點，因而在測量中容易出現(xiàn)含水率雙解的現(xiàn)象，從而影響測量的準確度。

3.5.2 微波法

微波法的原理是利用微波(頻率為300 MHz～3 000 GHz的電磁波)在油和水的損耗上有很大的區(qū)別[25?35]。水對微波的吸收能力要比油對微波的吸收能力大得多，原油的含水率越高，微波在油水混合物中傳播能量的衰減也就越大。微波能量的衰減主要是由含水引起的，微波經(jīng)過油水混合介質(zhì)的含水率越大，介質(zhì)對微波的吸收也越多，微波能量衰減就越大。采用微波反射式結(jié)構(gòu)將水分子在油水混合物中產(chǎn)生的微波衰減量轉(zhuǎn)化為可見的電流信號輸出，在接收端測量微波能量的衰減值即可以計算出原油含水率。微波法測原油含水率的優(yōu)點是管外測量，測量元器件與被測介質(zhì)物不直接接觸，不受井筒、管線的溫度、礦化度、垢蠟等因素的影響，得到的含水率數(shù)值相對準確，缺點是性價比并不高，使用和維護難度也比較大。

3.5.3 同軸線相位法

同軸線相位法的原理是將油水混合介質(zhì)流過同軸傳感器的導體和外導體作為測試傳感器，利用電磁波在同軸傳播時產(chǎn)生的相位移和幅度衰減，通過測試電磁波在同軸傳播的相位特性，得到油水混合介質(zhì)的介電常數(shù)，經(jīng)過運算，再利用混合介質(zhì)等效介電常數(shù)模型，對原油的含水率進行計算[36]。油井高含水狀態(tài)的動態(tài)試驗在一定程度上減少了含水率波動的影響，同時由于試驗儀器會受到流量變化的影響，在低含水率階段對試驗的影響較大，通過傳感器的優(yōu)化降低了水礦化度的影響。此外還有學者開展了高頻電磁法的原油含水率測量方法研究。

3.5.4 射線法

射線法的原理是γ射線屬于電磁波的一種，原油與地層水對相同強度的γ射線具有不同的吸收系數(shù)[37]。在射線能量固定的情況下，介質(zhì)的特性決定了其對射線的吸收強度，進而影響射線能量的衰減程度。水吸收系數(shù)大于油吸收系數(shù)，即水對γ射線的吸收能力大于原油對γ射線吸收的能力。含水原油的等效吸收系數(shù)反映了該混合物對γ射線的吸收能力，這一能力與地層水與原油的比例有關(guān)。通過測定混合物對γ射線的等效吸收值，可計算出原油的含水率。射線法測量原油含水率的優(yōu)點在于其非接觸式特性，適用于在線監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的連續(xù)性，缺點在于安全性較差，由于內(nèi)部含有放射源，存在輻射風險，可能對人體健康造成危害，同時防護措施的成本也相對較高，日常維護成本高，造價不菲，使用和維修都較為困難。

3.5.5 紅外光譜法

紅外光譜法的原理是根據(jù)水分子的O—H鍵和原油的C—H鍵對近紅外光的吸收力不同，油和水對近紅外光的光譜吸收力在峰值發(fā)生變化的特性不同而產(chǎn)生的差異[38]。當含有水的原油投射出單色平行的光束時，被吸收的光能由O—H鍵與C—H鍵比例決定。分析紅外光通過含水原油后透射光功率的變化情況，就能得到O—H鍵和C—H鍵的比例關(guān)系，從而計算得到原油含水率。紅外光譜法測原油含水率優(yōu)點是成本低，無須對樣品進行預(yù)處理，測量環(huán)境要求低，現(xiàn)場在線分析可采用光纖，缺點是紅外技術(shù)的靈敏度比較低，測量精度不是很高。

3.6 超聲波法

超聲波法的原理是利用超聲波在含水原油中傳播時產(chǎn)生衰減，超聲波能量在地層水和原油中傳播時產(chǎn)生不同程度的衰減，通過檢測接收端超聲波信號的強度，得到原油含水率[39]。吸能衰減、散射衰減以及模式轉(zhuǎn)換衰減等是超聲波在介質(zhì)中傳播時發(fā)生的3種主要衰減方式。超聲波在含水原油中傳播時，油和水都吸收超聲波能量，油和水的物理性質(zhì)密度、溫度、分子固有振動頻率不同，各自吸收衰減量不同。超聲波在含水原油中傳播時，油水分布不均勻?qū)е鲁暡ǖ膫鞑シ较虬l(fā)生變化，能量分散到各個方向造成散射衰減。在含水原油中傳播時，超聲波在油水分子分界面會發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，部分能量會轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，造成超聲波能量的損失，稱為模式轉(zhuǎn)換衰減。超聲波法測原油含水率優(yōu)點是非接觸式測量，不受混合物中水的礦化度影響，沒有輻射，對人體不會造成傷害，設(shè)備簡單、價格低廉、易于維護，方便在線監(jiān)測，實現(xiàn)對原油含水率的實時測量。缺點是超聲波在含水原油中的衰減機制繁多復雜，并且受到很多因素的影響，容易造成測量不準確。

 

4 原油含水率測量技術(shù)對比分析

總之，各種不同形式的含水率測試方法，由于測量原理和工藝技術(shù)不同，其測量精度、穩(wěn)定性、可重復性、可靠性、成本及適用性也不同。表1為各種含水率測量方法對比。

表1   各種含水率測量方法對比表

Tab. 1   Comparison of various moisture content measurement methods

 

5 結(jié)語

原油含水率測量方法選擇宜根據(jù)油田不同開發(fā)階段、不同含水率范圍及油田水礦化度選擇，視油田現(xiàn)場具體情況可以選擇離線測量、接觸式在線測量或者非接觸式在線測量方法。也可以根據(jù)不同方法的適用范圍選擇，對于測量含水很低的原油，微含水時可選用卡爾-費休法（此方法一般不采用，原油微含水在采油、輸油工程上通常認為不含水）。對于低含水原油可以考慮采用電容法、超聲波法或者射頻法，對于高含水原油可以考慮采用離心法、電脫法、電導率法或者射頻法。而蒸餾法、密度法、射線法、短波法、微波法、同軸線相位法、紅外光譜法和超聲波法適用范圍較廣，可用于各種含水率情況。如果精度要求比較高時可采用蒸餾法和密度法，由于蒸餾法是人工離線測量方法，密度法是接觸式在線測量法，可以用密度法作為日常測量方法，周期采用蒸餾法校驗。在油田實際生產(chǎn)中也可以幾種測量方法相互驗證。如果精度要求不高，成本控制要求高可采用紅外光譜法和超聲波法測量作為參考。在今后的油田含水計量方面，還需要研究新的原油含水率測量技術(shù)，開發(fā)新型傳感器，針對油田現(xiàn)場原油生產(chǎn)實際，研制高品質(zhì)儀表，使原油含水量測量技術(shù)再上一個新臺階。無論是在節(jié)省人力還是在連續(xù)計量方面考慮，在線計量都是未來原油含水率測量的發(fā)展方向。

 

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