新型原油含水率在线监测测试方法研究
[摘 要]原油含水率在线监测在提高油田的产量质量、检测油井状态、确定出水或出油的层位、减少能耗、降低成本、满足采油自动化管理等方面发挥着至关重要的作用。本文针对目前测量原油含水率不准确等问题，阐述了原油含水率常见的几种测试方法，并通过综合分析现有的测水技术，采用电脉冲分析法在线监测测试原油含水率，旨在提高测量的稳定性和准确性。
[关键词]新型原油含水率；在线监测；测试方法
中图分类号：TE622 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0034-01
在我国各大油田中，原油含水率的测量方法主要以离线测量法为主，离线测量法虽然操作简单，但是人为误差较大，样品代表性差，取样过程繁琐，劳动强度高，难以准确及时的反映原油中含水的变化，因而不能满足油田自动化管理的要求。文章通过大量文献调研与技术比较，提出了电脉冲分析法--一种新型的新型原油含水率在线监测测试方法。
一、 原油含水率测试方法比较
1.1微波法
微波测量技术正是把微波当做传输信息的载体，当微波接触到油水混合物时， 会发生反射，而水对微波有很强的吸收作用，通过信号传感器将反射回来的微波信号与发出的信号做对比，计算出微波衰减量， 再通过转换电路输出电流信号， 从而可以与含水率对应，直接在计算机上显示。
微波法测量原油含水率的优点在于不接触流场，因而不会对流场进行干扰。其代表美国生产的OW-101、OW-102 型含水分析仪，以及挪威生产的LC型含水分析仪。但是微波技术作为一种高新技术，其应用的对象非常复杂，微波与油水两相流体特性的关系还未被研究透彻，而且微波本身对环境以及自身的电路条件要求苛刻，仍然难以被广泛采用。
1.2电容法
电容法测量原油含水率的原理较为简单，油和水的介电常数差异较大，当不同含水率的原油流经特制的电容探头的两极时，其混合介电常数也不相同，就会产生不同的电容值，通过专业的电子线路与原件将电容值转变为电信号，从而实现对含水率的实时监测。对原油含水率的在线检测技术中，电容式含水分析仪相比于其他测量装置而言，具有成本低廉、装置简单、鲁棒性好、动态响应性能强等特点，因而被广泛采用。
1.3射频法
原油与水的介电常数相比差数倍，分别为 2.3与80，当原油中含水率发生改变时，其混合介电常数也发生改变。信号经转换后由接收器接收到电流信号，最终根据电流的改变量计算出油水中水的体积分。另外，该方法电路简单、工作可靠、安装维护方便，如果再复合电导率测量电路，就能进一步扩展测试范围。以射频法为代表的分析仪有美国研制生产的CA-71-718 智能型以及中国研发的SH 型智能含水分析仪，由于设计条件的限制，该类产品一般只适用于50 含水率以下的油井。
1.4密度计法
油水混合物的密度通过振动管密度计来测量，其原理是振荡频率依据液体密度的改变而改变。根据已知的纯油与纯水的密度，与测得的油水两相混合物的密度作对比，确定油水混合物的含水率。该测量方法弊端是受外界条件限制较多，当测量低含水率油井时，由于原油与被测流体的密度差异不大，即使外界条件微弱的变化也会导致测量结果的不准确。
二、 新型原油含水率在线监测测试方法-电脉冲分析法
2.1基本原理
电脉冲分析法的基本原理是在介质电极加上一个窄脉冲电压， 在脉冲电场与介质相互作用时，介质水分子简化为电偶极子，介质由大量微小的电偶极子组成。当没有外电场时，由于石油中的水分子的无规则的热运动，电偶极子的排列是杂乱无章的，因而对外不显电性。当有外电场时，每个电偶极子都将受到一个力矩的作用。在此力矩的作用下，石油中的电偶极子将转向外电场的方向。由于分子的热运动，各电偶极子的排列并不是十分整齐，对于整个电场中的石油来说，在垂直于电场方向的两个表面上，也将产生极化电荷，这种电荷不能转移、移动和被带走。撤去外电场， 由于分子的无规则的热运动，电偶极子的排列又将变成杂乱无章。介质中的极性水分子受到这一脉冲电场力的作用而产生极化电荷，同时会在电容极板上感应出相应的等量异种电荷。当脉冲电场力撤出后，极化电荷会由于自身的热运动而恢复到原来杂乱无章的状态，而等量的异种电荷会经由电荷放大器处理并转化为电压信号送由单片机处理。在这里，极化电荷的多少与极性水分子的多少有一定关系。
2.2设计思路
对两块绝缘平行板加以频率很低的脉冲电压 （因为如果交变电场的频率足够低 ，取向极化能跟得上外加电场的变化，这时电介质的极化过程与静电场作用下的极化过程没有多大的区别），使两极板带有相同数量的相反电荷。把每个极板上的电荷叫Qfree，表面电荷密度叫作6free （即由 6free除以平板表面即所得 ）。 把由该电荷激发的电场称作 。。当进行水份测量时， 被测原油在电场中的部分激发出两层极化电荷。把这些极化电荷用6free表示。极化电荷“自己”也激发电场， 此电场方向与原电场 方向相反。所以，净电场为： （1）
因此从数量上看，E比小（即电场变弱了）， 即：E= Efree- Eind （2）
由此可知， 当加在两平行极板间的电压 V不变时（一般V 等于极板内的全电场E乘以极板间距离d），铝板间的全电场E不会变化，因此，Qfree和Efree 必定会上升。从而可知，极化电荷又与铝板上的自由电荷存在一定关系。至此，确定原油中水分的含量与铝板上的部分电荷也存在一定比例关系。
电荷转移的实现：从以上的分析看出，电场中原油的含水量的变化会引起极板上部分自由电荷的变化。由于极板间加的是脉冲电压，很难通过直接的方法对这部分自由电荷进行测量，所以引进了电荷泵的原理。通过电荷泵我们将自由电荷进行转移测量，这样既可以精准测量电荷的数量，又降低了测量电荷对极板 电场的影响。
电荷泵的基本原理是利用电容对电荷的积累效应。被测电荷经二极管输入 到电容的A 端，被电容存储起来。二极管的作用是防止输入电荷消失后，存储在电容上的电荷经输入端跑掉。电荷经过一段时间的积累，在电容A 和B两端会产生一定压差，这个压差就是我们要测量的信号。
2.3数据分析
原油含水量实验数据分析：在获取大量实验数据后 使用 Origin 软件对数据进行分析处理。从 大量数据中我们发现，石油含水率与计数率之间的函数关系呈现很强的规律性。经过尝试，最终选择了与多项式拟舍稍差一些的对数函式拟合。在确定对数拟合后，又对各种对数函式拟合结果进行比较，最后确定拟合函式为：Y=a-b*in（x+c）.
从对实验室数据的分析 中，得出结论： 石油中水分的含量与其在 电场下产生的极化 电荷呈对数关 系。而且大量的数据表明，拟合函式中的参数b 在-4左右。由于试验条件的限制，无法确定参数a和 c与定量之间的对应关系， 但目前数据表明，这两个参数也只在固定范围内变化。
电荷脉冲分析法与 DTS石 油含水电脱分析仪对比测试结果如表1。
对测得的数据进行回归分析，并计算测量值与实际值之间的偏差，得到表 1所示的数据。从整体来看，测量偏差范围在 1.12%以内。这表明使用电荷脉冲分析法的水份测量仪用于原油含水率的在线测量是完全可行的。
参考文献
[1]王艳菊，康岳屹，王怀玉.基于数据融合的原油含水率在线测量方法研究[J].压电与声光， 2013（05）
[2]周晓涛，熊小念，郭锋.浅析原油含水量检测准确性的提高方法[J].中国化工贸易， 2013（04）