摘 要： 综述了原油含水率的测量方法，包括人工离线和在线测量两大类。传统的离线方法通过化验室样品分析来测量原油含水率，常见的技术包括蒸馏法、离心法、电脱法和卡尔-费休法。蒸馏法精度高，过程复杂耗时；离心法操作简便，适合高含水原油，易受二次污染；电脱法速度快，适应性强，准确性较差；卡尔-费休法适用于低含水率，技术要求高，适用范围有限。随着技术发展，在线测量仪器得到广泛应用，提升了测量频率、速度和时效性。主要在线测量方法包括接触式和非接触式两类。接触式方法如密度计法、电容法、射频法和电导率法，测量过程与原油接触，有测量直接、实时的优点，受温度、结垢等影响较大。非接触式方法如电磁波法、超声波法、红外光谱法等，测量过程不直接接触被测介质，更安全，易受到外部因素的干扰，且设备较复杂。对比分析认为不同方法有各自的优缺点，一般开发初期含水较低，随着开发进行含水逐渐升高，选择适当的测量技术需根据油田的特点，综合考虑测量精度、设备成本、适用范围及环境影响等因素。

 

关键词： 原油含水率； 测量方法； 综合对比分析

 

1 概述

原油含水率作为油田原油生产的一个重要指标，是判定采油井水淹程度，分析油藏油水分布状况，研究油水运移规律的重要依据。如何科学评价油田开发效果、总结油藏开发规律和深入挖掘油田开发潜力以及引导油田开发更加合理高效，都要依靠准确的原油含水率参数来实现。单井原油含水率数据反映了采油井生产状况，可以据此确定采油井出水情况，估算原油产量，提高采油井生产效率和产量，而且还是注水开发油藏进行水驱开发效果油藏描述的重要评价指标。油田进入开发中后期阶段时，准确及时掌握油井生产状况显得尤为重要，这为生产管理提供真实可靠的信息，同时也是优化和匹配地面油水处理负荷的基础。常用测原油含水率的方法可分两类：一类是手工离线测定，另一类是仪器仪表在线测定[1‒3]。在原油生产经营管理越来越精细的情况下，对原油含水率的测量要求也更加严格。受各种因素的制约，稳定、准确、可靠、及时、经济的原油含水率测量方式仍是一个世界性难题。

 

2 原油含水率人工离线测量方法

人工线下测量主要采用蒸馏法、离心法、电脱法和卡尔-费休法[1‒4]，人工线下测量的核心就是通过井口取样，在化验室油水分离后，分别测量原油量和水量来计算原油含水率。在实验室进行油水分离主要有蒸馏法、离心法、电脱法三种方法。卡尔-费休法不需要事先进行油水分离，直接在原油样品中加入试剂，通过测试试剂消耗量来推算原油含水率。

2.1 蒸馏法

蒸馏法的原理是利用油和水的沸点(冷凝点)不同，通过蒸馏含水原油样品再冷凝实现油和水的分离，然后分别测量原油量和水量来计算原油含水率[4]。蒸馏法的优点是测量结果精度高，缺点是蒸馏过程复杂，分析耗时长。

2.2 离心法

离心法的原理是基于油和水的密度差异，含水原油在离心机内部进行高速离心，使油水乳化液发生破乳分离[4]。在离心机的收集管中，油因密度较小浮于顶部，而水因密度较大沉于底部，随后可以分别测量原油量和水量来计算原油含水率。优点是离心分离装置体积小，简单易行，便于操作，破乳效率高，分析速度快；其缺点是不封闭的油水离心分离装置导致二次污染比较容易，测量精度也比较受影响。

2.3 电脱法

电脱法的原理在高压电场的作用下乳化液中的水极化，使水滴成为带电水滴，一端带正电荷，另一端带负电荷[3]。极化水滴相互吸引，在带电水中形成较大的带电水珠，并且在极化水滴与带电水珠之间形成较大的电位差，从而使更多水滴继续被极化，然后又与其他带电水滴相互吸引聚结。由此循环，小水滴不断长大成大水珠，水珠聚结长大到一定程度在重力作用下就会沉降，边沉降边聚结变大，最终水滴聚集在容器底部，这样就实现了油水分离，然后分别测量原油量和水量来计算原油含水率。电脱法适用于高含水原油，优点是以电脱法为主要特征的原油脱水法，设备使用维护简单，技术要求不高，操作简便易行，分析速度快，适应油田现场需求，缺点是准确性、可靠性差。

2.4 卡尔-费休法

卡尔-费休法的原理是利用化学反应方程式和质量守恒定律来推算原油含水率，不需要事先进行油水分离[3]。直接在原油样品中加入卡尔-费休试剂，试剂中在常态下不发生化学反应的SO2和I2在水的参与下发生氧化还原反应SO2+I2+2H2O=2HI+H2SO4，通过测定出试剂中SO2和I2的消耗量，计算出反应过程中水的消耗量，推算原油含水率。卡尔-费休法适用于原油含水低的情况(0.02%～5%)，优点是准确性高，不受原油乳化影响，缺点是技术要求高，适用范围窄。比较人工离线测量的几种方法，卡尔-费休法在油田现场适用性较差，前3种方法适合油田日常计量需要。考虑经济性和方便性离心法和电脱法两种简易法能够满足油田生产需要。比较复杂的蒸馏法适用性和性价比适中，可用来定期校验离心法和电脱法两种简易方法。人工离线测量是传统含水计量方法，准确性受取样制约，取样过程不连续，随机性大，不能代表油井实际生产状况，也不能适应自动化管理，耗费时间与人力。

 

3 原油含水率在线测量方法

随着技术不断进步，在原油含水率测量方面，各种形式的在线检测仪器被开发出来应用到了油田，一方面测量频度、速度和时效性有了很大提高，另一方面也节省人力，降低了人力成本，提高了检测效率。原油含水率在线测量也顺应了油田自动化管理的潮流。按仪器与测试介质的接触关系将在线原油含水率测量法又分为密度计法、测重法、电容法、射频法、电导率法等接触式测量方法和电磁波法、短波法、微波法、红外光谱法、同轴线相位法、射线法、超声波法等非接触式测量方法[1‒39]。

3.1 密度计测量法（密度测量法或测重法）

密度计测量法的原理是以油、水密度差异为依据测量原油含水率的方法[4]。其方法为：含水原油在通过两相分离器后，对排出的油水混合液用液体密度测定仪或质量流量计连续测量混合液密度，因为稳定生产的原油和地层水具有各自稳定的密度值，一般采油井在一定生产阶段内能满足这一条件，由此计算含水率。密度计测量法具有计量相对准确的优点。该方法的缺点是接触法固有的，在地层水矿化度较高或者原油含蜡和胶质成分较高时，仪器表面易结垢、蜡，粘覆杂质，仪器测量精度和使用寿命都会受影响。

3.2 电容法

电容法的原理就是利用含水原油混合物介电常数决定其谐振电路的电容量，谐振电路的电容量决定谐振电路的固有频率，这样通过测量谐振电路的振荡频率就可间接计算含水原油混合物介电常数[5‒9]。混合物介电常数由油和水的比例关系(含水率)确定，因为针对确定的油水系统，油和水的相对介电常数不同，一般油的相对介电常数为2.3，水的相对介电常数为80。电容法测原油含水率的优点是设备简单，安装、使用、维护都方便、性价比高、可靠性好，便于在线监测，缺点是易受干扰，精度不高，适用测量范围较窄，仅适合于低含水油田(不超过30%)。探头因为长时间与测量介质接触，探头表面易结垢、蜡，粘覆杂质，仪器测量精度和使用寿命都会受影响。

3.3 射频法

射频法的原理是射频原油含水分析仪探针产生色谱，通过天线发射色谱信号穿过介质，介质以含水原油为负载，负载不同射频信号衰减变化程度也不同[10‒16]。负载不同主要在于介质中油水比例不同造成的介电常数不同，即射频信号衰减后的幅值变化幅度和相位偏转角度与油水比例(原油含水率)相对应。而介电常数与电压幅值变化之间不存在一一对应关系，介电常数与终端电磁波相位偏移存在一一对应关系。通过检测终端电磁波衰减前后的相位偏移差就可间接求得含水原油的含水率。射频法测原油含水率的优点包括仪器体积小，便于安装，良好的重复性、响应迅速等，缺点是易受到外界电磁干扰和天然气含量影响，在测量中等程度含水原油时易出现双解，造成歧义结果。不同学者对射频原油含水分析仪的发射频率选择有不同认识，从10～42 MHz各种选择都有，射频法天线结构、测量电路和发射频率的选取还有待于进一步研究优化。

3.4 电导率法

电导率法的原理是利用原油和地层水电导率差异大的特性测原油含水率[17‒23]。原油和纯净水几乎不导电，地层水因为矿化度的原因导电性强，含水原油的电导率取决于原油和地层水的比例即含水率。不同油藏地层水电导率也有差异，但同一个油藏地层水电导率基本不变，因此可以用电导率法测原油含水率。将两块平行的电极板放置在含水原油中作为供电极，在两块供电电极板之间再放置两块平行电极板作为感应端，当含水原油流过时，由感应电极测得的感应电压求得含水原油电导率，再由麦克斯韦尔公式通过电导率求得原油含水率。电导率法测原油含水率的优点是设备简单、价格低廉，可以很方便地应用于在线监测，缺点是测量结果受温度、原油乳化程度、离子浓度、矿化程度影响，易受杂质干扰，精度不高。由于金属电导环需要与油水混合液接触，地层水结垢和原油结蜡降低测量的灵敏度。电导率法适用测量范围有限，测量分辨率也相对较低。对于中高含水原油，通过麦克斯韦尔公式可计算出当水为连续相时的含水率，对低含水原油就不适用了。

3.5 电磁波法

电磁波法是以油和水对电磁波的吸收能力差异较大为基础，发射固定能量的电磁波，并接受电磁波的一种非接触式测量方法，通过检测接收到的电磁波强度来确定原油的含水率大小。不同频率的电磁波具有不同的特点，根据这一特性已开发出的原油含水率测试仪主要有短波法、微波法、红外线法、x射线法以及γ射线法。无论短波法、微波法，都属于电磁波法，只不过短波法对环境温度的要求更高一些，对于温度起伏较大的情况，就不适用了。而微波法比较复杂，抗干扰能力差，需要额外增加抗干扰设备，提高了成本。

3.5.1 短波法

短波法的原理是油和水对短波的吸收能力存在差异[24]。等量的含水原油，其短波能量的吸收程度取决于油水的比例，而不同的油水比例也会导致等量原油对短波能量的吸收有所不同，当油水的比例变化时，吸收的短波能量就会相应地发生改变。在短波法含水率检测仪接收器将变化差值放大后直接表明瞬时含水率，然后按最小的体积脉冲计算出平均含水率。短波法的优点在于不受原油含盐量的影响，且不受温度、压力以及介质的黏度和密度等因素的干扰，测量范围广泛，同时能够测量瞬时含水率，缺点是在其测量的特性曲线上，会出现介质状态由油包水向水包油转变时的拐点，因而在测量中容易出现含水率双解的现象，从而影响测量的准确度。

3.5.2 微波法

微波法的原理是利用微波(频率为300 MHz～3 000 GHz的电磁波)在油和水的损耗上有很大的区别[25‒35]。水对微波的吸收能力要比油对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传播能量的衰减也就越大。微波能量的衰减主要是由含水引起的，微波经过油水混合介质的含水率越大，介质对微波的吸收也越多，微波能量衰减就越大。采用微波反射式结构将水分子在油水混合物中产生的微波衰减量转化为可见的电流信号输出，在接收端测量微波能量的衰减值即可以计算出原油含水率。微波法测原油含水率的优点是管外测量，测量元器件与被测介质物不直接接触，不受井筒、管线的温度、矿化度、垢蜡等因素的影响，得到的含水率数值相对准确，缺点是性价比并不高，使用和维护难度也比较大。

3.5.3 同轴线相位法

同轴线相位法的原理是将油水混合介质流过同轴传感器的导体和外导体作为测试传感器，利用电磁波在同轴传播时产生的相位移和幅度衰减，通过测试电磁波在同轴传播的相位特性，得到油水混合介质的介电常数，经过运算，再利用混合介质等效介电常数模型，对原油的含水率进行计算[36]。油井高含水状态的动态试验在一定程度上减少了含水率波动的影响，同时由于试验仪器会受到流量变化的影响，在低含水率阶段对试验的影响较大，通过传感器的优化降低了水矿化度的影响。此外还有学者开展了高频电磁法的原油含水率测量方法研究。

3.5.4 射线法

射线法的原理是γ射线属于电磁波的一种，原油与地层水对相同强度的γ射线具有不同的吸收系数[37]。在射线能量固定的情况下，介质的特性决定了其对射线的吸收强度，进而影响射线能量的衰减程度。水吸收系数大于油吸收系数，即水对γ射线的吸收能力大于原油对γ射线吸收的能力。含水原油的等效吸收系数反映了该混合物对γ射线的吸收能力，这一能力与地层水与原油的比例有关。通过测定混合物对γ射线的等效吸收值，可计算出原油的含水率。射线法测量原油含水率的优点在于其非接触式特性，适用于在线监测，能够实现良好的连续性，缺点在于安全性较差，由于内部含有放射源，存在辐射风险，可能对人体健康造成危害，同时防护措施的成本也相对较高，日常维护成本高，造价不菲，使用和维修都较为困难。

3.5.5 红外光谱法

红外光谱法的原理是根据水分子的O—H键和原油的C—H键对近红外光的吸收力不同，油和水对近红外光的光谱吸收力在峰值发生变化的特性不同而产生的差异[38]。当含有水的原油投射出单色平行的光束时，被吸收的光能由O—H键与C—H键比例决定。分析红外光通过含水原油后透射光功率的变化情况，就能得到O—H键和C—H键的比例关系，从而计算得到原油含水率。红外光谱法测原油含水率优点是成本低，无须对样品进行预处理，测量环境要求低，现场在线分析可采用光纤，缺点是红外技术的灵敏度比较低，测量精度不是很高。

3.6 超声波法

超声波法的原理是利用超声波在含水原油中传播时产生衰减，超声波能量在地层水和原油中传播时产生不同程度的衰减，通过检测接收端超声波信号的强度，得到原油含水率[39]。吸能衰减、散射衰减以及模式转换衰减等是超声波在介质中传播时发生的3种主要衰减方式。超声波在含水原油中传播时，油和水都吸收超声波能量，油和水的物理性质密度、温度、分子固有振动频率不同，各自吸收衰减量不同。超声波在含水原油中传播时，油水分布不均匀导致超声波的传播方向发生变化，能量分散到各个方向造成散射衰减。在含水原油中传播时，超声波在油水分子分界面会发生反射、折射等现象，部分能量会转换为其他形式的能量，造成超声波能量的损失，称为模式转换衰减。超声波法测原油含水率优点是非接触式测量，不受混合物中水的矿化度影响，没有辐射，对人体不会造成伤害，设备简单、价格低廉、易于维护，方便在线监测，实现对原油含水率的实时测量。缺点是超声波在含水原油中的衰减机制繁多复杂，并且受到很多因素的影响，容易造成测量不准确。

 

4 原油含水率测量技术对比分析

总之，各种不同形式的含水率测试方法，由于测量原理和工艺技术不同，其测量精度、稳定性、可重复性、可靠性、成本及适用性也不同。表1为各种含水率测量方法对比。

表1   各种含水率测量方法对比表

Tab. 1   Comparison of various moisture content measurement methods

 

5 结语

原油含水率测量方法选择宜根据油田不同开发阶段、不同含水率范围及油田水矿化度选择，视油田现场具体情况可以选择离线测量、接触式在线测量或者非接触式在线测量方法。也可以根据不同方法的适用范围选择，对于测量含水很低的原油，微含水时可选用卡尔-费休法（此方法一般不采用，原油微含水在采油、输油工程上通常认为不含水）。对于低含水原油可以考虑采用电容法、超声波法或者射频法，对于高含水原油可以考虑采用离心法、电脱法、电导率法或者射频法。而蒸馏法、密度法、射线法、短波法、微波法、同轴线相位法、红外光谱法和超声波法适用范围较广，可用于各种含水率情况。如果精度要求比较高时可采用蒸馏法和密度法，由于蒸馏法是人工离线测量方法，密度法是接触式在线测量法，可以用密度法作为日常测量方法，周期采用蒸馏法校验。在油田实际生产中也可以几种测量方法相互验证。如果精度要求不高，成本控制要求高可采用红外光谱法和超声波法测量作为参考。在今后的油田含水计量方面，还需要研究新的原油含水率测量技术，开发新型传感器，针对油田现场原油生产实际，研制高品质仪表，使原油含水量测量技术再上一个新台阶。无论是在节省人力还是在连续计量方面考虑，在线计量都是未来原油含水率测量的发展方向。

 

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来源：化学分析计量

关键词： 石油原油 含水率