CN105675522A - 一种原油含水率检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种原油含水率测量装置，包括：流通池、光源、分光片、硅光电探测器、光谱仪和信号处理电路。采用具有连续光谱的光源，在光谱信息的过程中，检测变量更多，稳定性更好，检测精度也更高，并且采用光学方法来对原油的含水率进行检测，不会受到原油密度、乳化程度、盐度和粘稠度的影响，抗干扰能力更强，可以检测含水率从0至100％全部范围内的液体，测量范围更宽，并且通过采用化学计量学的分析方法，在数据处理过程中稳定性更高，测量结果也更可靠，可以满足对原油含水率精确测量的要求。

Description

一种原油含水率检测装置

技术领域

本发明涉及原油检测领域，具体而言，涉及一种原油含水率检测装置。

背景技术

监控油井原油含水率对于试井分离器、集油站、原油处理设备和原油销售罐区都至关重要。及时掌握并控制原油的含水率可提高采油效率，可以最大限度地减少产出水的处理量，通过改进原油脱水工艺而最大限度地提高原油的质量。原油含水率监测对于油藏管理和生产优化是十分重要的，能够可靠与连续地估算原油净产量，对油井出现的问题做出正确的诊断并进行维护，以便对油藏的开采模式进行必要的调整。现有的含水率检测装置一般采用称重法、电容法、微波法或者光学法。但采用这些方法的装置在检测过程中容易受到杂质的干扰，检测范围有限，且检测精度低。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种原油含水率测量装置，可以解决上述问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种原油含水率测量装置，包括：流通池、光源、分光片、硅光电探测器、光谱仪和信号处理电路，其中：

所述流通池浸没在待测原油中；

所述光源用于生成具有连续光谱的检测光束；

所述分光片用于对所述检测光束进行分光，分光成第一光束和第二光束，所述第一光束传导至所述硅光电探测器，所述第二光束传导至所述流通池；

所述硅光电探测器用于接收所述第一光束，生成第一光源能量参考值；

所述光谱仪用于接收经过所述流通池中的待测原油吸收后的第二光束，并获取所述第二光束的光谱信息；

所述信号处理电路分别与所述硅光电探测器和光谱仪相连接，用于根据所述第一光源能量参考值和所述第二光束的光谱信息计算所述待测原油的含水率。

进一步的，所述光谱仪还用于在所述流通池未浸入到所述待测原油中前，预先采集一组空白光谱信息；

所述硅光电探测器还用于在所述光谱仪采集空白光谱信息的同时，获取所述第一光束的光源能量，作为第二光源能量参考值；

所述信号处理电路根据所述空白光谱信息、所述第一光源能量参考值和第二光源能量参考值对光源所述光源的光谱信息进行修正。

进一步的，所述信号处理电路根据所述第一光源能量参考值和所述第二光束的光谱信息计算所述待测原油的含水率包括：

根据修正后的所述光源的光谱信息和所述第二光束的光谱信息计算待测原油的总吸光度；

对所述总吸光度进行光谱吸光度解混合运算，得到水分对所述总吸光度的贡献值；

将所述水分对所述总吸光度的贡献值转换为含水率数值。

进一步的，还包括：

光束准直镜，用于对所述第二光束进行准直，并控制准直后的第二光束进入所述流通池；

进一步的，还包括：

光束会聚镜，用于对经过所述待测原油吸收后的第二光束进行会聚，并传导至所述光谱仪；

进一步的，经过所述光束会聚镜会聚的第二光束通过传导光纤传导至所述光谱仪。

优选地，所述光源的光谱范围为400至2000nm。

优选地，所述光源为卤素灯光源。

优选地，所述分光片为铅晶质玻璃或石英玻璃。

优选地，所述流通池为开放式流通池。

与现有技术相比，在本申请实施例中，采用具有连续光谱的光源，在光谱信息的过程中，检测变量更多，稳定性更好，检测精度也更高，并且采用光学方法来对原油的含水率进行检测，不会受到原油密度、乳化程度、盐度和粘稠度的影响，抗干扰能力更强，可以检测含水率从0至100％全部范围内的液体，测量范围更宽，并且通过采用化学计量学的分析方法，在数据处理过程中稳定性更高，测量结果也更可靠，可以满足对原油含水率精确测量的要求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图：

图1为本发明较佳实施例提供的原油含水率检测装置的示意图；

图2为本发明较佳实施例提供的原油和水吸收光谱的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

常用的原油含水率测量方法有称重法、电容法、微波法和光学法。称重法根据油和水的密度差来测量含水率，该方法容易受到油水混合液中其它杂物的干扰，特别是存在气体时，测量准确性低。电容法测量是根据油水混合液的介电常数与含水率之间的相关性来测定含水率，该方法仅适用于低含水率的原油含水率测量，对于含水率较大的原油无法准确测量。微波法测量容易受到盐度和气体的影响，并且不适合高含水率原油的测量。采用近红外吸收特性的光学法，具有不受原油密度、粘稠度、盐度、气体等的影响，可测量0～100％含水率范围等优点，是目前最为先进的测量方法之一。现有的技术采用近红外光吸光度测量油水混合液的含水率，该方法存在如下问题：(1)采用光谱波段数量少，定标精度较低，容易受到油水混合液中杂质造成的散射光的干扰；(2)采用分离的光电探测器，多个光电探测器分别采集信号响应不一致性和放大电路不一致性导致测量精度下降。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种原油含水率测量装置，如图1所示，包括：流通池101、光源102、分光片103、硅光电探测器104、光谱仪105和信号处理电路106。

所述光源102可以用于生成具有连续光谱的检测光束。光源102可以提供光束作为检测原油中含水量的光线来源，在本申请实施例中，待测原油中水分含量的不同会对吸光度造成不同程度的影响，并且由于水分和原油组分在不同波长的光束光源102产生的检测光束被待测原油吸收的程度的不同，从而产生不同的吸光度数据，进而通过信号处理电路106的处理得到相应的含水率数据。

所述分光片103用于对所述检测光束进行分离，形成第一光束和第二光束，所述第一光束传导至所述硅光电探测器104，所述第二光束传导至所述流通池101。在本申请实施例中，检测操作时，流通池101需要浸没在待测原油中，分光片103将光源发出的检测光束分成了两部分，其中一部分(第一光束)传导至硅光电探测器104，另一部分(第二光束)传导至流通池101中，第二光束照射经过待测原油后会由于待测原油中不同的含水量而呈现出不同的光谱信息，通过对光谱信息的解析，即可获知含水率数据。

所述硅光电探测器104用于接收所述第一光束，生成第一光源能量参考值。在本申请实施例中，还设置了硅光电探测器104，硅光电探测器104并不接收经过待测原油吸光后的光束，而是接收光源经过分光片103分光后的一部分检测光束，在光谱仪105采集一次第二光束的光谱信息的同时，硅光电采集一次第一光束的光源能量参考值，记为Lt。

在本申请实施例中，所述光谱仪105还用于在所述流通池101未浸入到所述待测原油中前，预先采集一组空白光谱信息，即为Sr；所述硅光电探测器104还用于在所述光谱仪105采集空白光谱信息的同时，获取所述第一光束的光源能量，作为第二光源能量参考值，记为Lr；所述信号处理电路106根据所述空白光谱信息、所述第一光源能量参考值和第二光源能量参考值对光源所述光源102的光谱信息进行修正。

光源光谱修正为Sr·Lt/Lr。

在流通池101没有浸入到待测原油中之前，通过光谱仪105和硅光电探测器104的配合，获取空白光谱信息和第二光源能量参考值，以此对光源的光谱信息进行修正。由于在吸光度的计算过程中，需要依据光源的光谱信息，而光源的光谱信息可能会在每次检测过程中，由于检测环境的不同或光源的实际情况发生变化，通过对光源的光谱信息的修正，可以获取更精确的吸光度数值。

光谱仪105用于接收经过所述流通池101中的待测原油吸收后的第二光束，并获取所述第二光束的光谱信息。第二光束的光谱信息记为St。通过第二光束的光谱信息和硅光电探测器104得到的光源能量参考值，即可计算得到待测原油的总吸光度。

总吸光度A＝-log((St·Lr)/(Sr·Lt))

信号处理电路106用于根据所述第一光源能量参考值和所述第二光束的光谱信息计算所述待测原油的含水率。

具体的，在计算得到待测原油的总吸光度之后，可以进行光谱解混合运算，计算出水分对总吸光度的贡献。

待测原油是由油和水两种组分组成，这两种组分的纯吸光度用向量表示为A₁、A₂，两种组分的相对含量分别为c₁、c₂，则根据朗伯-比尔定律和加合定律，该混合物的吸光度x应等于两种组分的纯吸光度光谱与对应含量乘积之和，即x＝c₁A₁+c₂A₂+e，其中e为光谱仪105的量测误差。即：

x₁＝c₁a₁₁+c₂a₁₂+e₁

x₂＝c₁a₂₁+c₂a₂₂+e₂

…

x_m＝c₁a_m1+c₂a_m2+e_m

其中m为波长点数，x_m表示待测原油在检测光束的波长为m处的吸光度，a_m2表示第二种组分在波长m处的吸光度。

令x＝[x₁x₂…x_m]^T，c＝[c₁c₂…c_m]^T，e＝[e₁e₂…e_m]^T，则上式可表示为矩阵的乘积形式：

x＝cA+e。

上述线性混合模型中，假设附加噪声向量为零且波段数大于混合物组分个数，则c的非限制性最小二乘估计为：

$\hat{c}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}x$

通过上述公式可计算出水对总吸光度的贡献。

进而将计算出的水对总吸光度的贡献转化为油中水含量值并输出。

装置在使用前首先需要对内置算法参数进行标定，标定的过程即是寻找水对吸光度的贡献与油中水含量值的对应关系的过程。假设油中水含量值为y，水对总吸光度的贡献为c，那么，y＝f(c)。通常情况下，f(c)为一次线性函数f(c)＝bc+d或者二次函数f(c)＝kc²+bc+d，通过标定可确定参数k，b，d，并保存至系统中。使用仪器进行实际测量时，调用标定好的转换函数，从水对总吸光度的贡献得到油中水含量值。

转换函数参数标定过程如下：在实验室环境下配置至少3种不同含水量的油水混合液，分别记为y1，y2，y3，如水含量为100％(纯水)、水含量为50％(即油水比例为1:1)和水含量为0％的溶液(即纯油)。按照前述计算过程计算得到每种溶液中水对总吸光度的贡献，不同溶液计算得到的水对总吸光度的贡献依次记为c1、c2和c3，将(y1，c1)、(y2，c2)和(y3，c3)代入标定函数，利用最小二乘法进行多项式拟合，最终可确定参数k、b和d。

通过上述计算过程可以计算得到待测原油中的含水率。当然这样的计算方法也可用于计算其他混合液中的水分含量。

进一步的，还包括光束准直镜107，用于对所述第二光束进行准直，并控制准直后的第二光束进入所述流通池101。通过设置光束准直镜107可以对第二光束进行准直，使光谱仪105在对接收到的第二光束进行光谱信息的分析时获得的结果更精确。

另外，还可以设置光束会聚镜108，光束会聚镜108用于对经过所述待测原油吸收后的第二光束进行会聚，并传导至所述光谱仪105。通过设置光束会聚镜108可以将经过待测原油吸收的光束会聚起来，以使尽可能多的第二光束进入到光谱仪105中，提高光谱信息的分析和吸光度的计算精度。

更进一步的，经过所述光束会聚镜108会聚的第二光束通过传导光纤109传导至所述光谱仪105。

在本申请实施例中，采用具有连续光谱的光源，在光谱信息的过程中，检测变量更多，稳定性更好，检测精度也更高，并且采用光学方法来对原油的含水率进行检测，不会受到原油密度、乳化程度、盐度和粘稠度的影响，抗干扰能力更强，可以检测含水率从0至100％全部范围内的液体，测量范围更宽，并且通过采用化学计量学的分析方法，在数据处理过程中稳定性更高，测量结果也更可靠，可以满足对原油含水率精确测量的要求。

优选的，所述光源102的光谱范围为400至2000nm。所述光源102可以选用卤素灯光源。所述分光片103为铅晶质玻璃或石英玻璃。分光片103采用平行玻璃片实现对检测光束的分光。所述流通池101为开放式流通池101。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种原油含水率测量装置，其特征在于，包括：流通池、光源、分光片、硅光电探测器、光谱仪和信号处理电路，其中：

所述流通池浸没在待测原油中；

所述光源用于生成具有连续光谱的检测光束；

所述分光片用于对所述检测光束进行分光，分光成第一光束和第二光束，所述第一光束传导至所述硅光电探测器，所述第二光束传导至所述流通池；

所述硅光电探测器用于接收所述第一光束，生成第一光源能量参考值；

所述光谱仪用于接收经过所述流通池中的待测原油吸收后的第二光束，并获取所述第二光束的光谱信息；

所述信号处理电路分别与所述硅光电探测器和光谱仪相连接，用于根据所述第一光源能量参考值和所述第二光束的光谱信息计算所述待测原油的含水率。

2.根据权利要求1所述的原油含水率测量装置，其特征在于，所述光谱仪还用于在所述流通池未浸入到所述待测原油中前，预先采集一组空白光谱信息；

所述硅光电探测器还用于在所述光谱仪采集空白光谱信息的同时，获取所述第一光束的光源能量，作为第二光源能量参考值；

所述信号处理电路根据所述空白光谱信息、所述第一光源能量参考值和第二光源能量参考值对光源所述光源的光谱信息进行修正。

3.根据权利要求2所述的原油含水率测量装置，其特征在于，所述信号处理电路根据所述第一光源能量参考值和所述第二光束的光谱信息计算所述待测原油的含水率包括：

根据修正后的所述光源的光谱信息和所述第二光束的光谱信息计算待测原油的总吸光度；

对所述总吸光度进行光谱吸光度解混合运算，得到水分对所述总吸光度的贡献值；

将所述水分对所述总吸光度的贡献值转换为含水率数值。

4.根据权利要求1所述的原油含水率测量装置，其特征在于，还包括：

光束准直镜，用于对所述第二光束进行准直，并控制准直后的第二光束进入所述流通池。

5.根据权利要求1所述的原油含水率测量装置，其特征在于，还包括：

光束会聚镜，用于对经过所述待测原油吸收后的第二光束进行会聚，并传导至所述光谱仪。

6.根据权利要求5所述的原油含水率测量装置，其特征在于，经过所述光束会聚镜会聚的第二光束通过传导光纤传导至所述光谱仪。

7.根据权利要求1所述的原油含水率测量装置，其特征在于，所述光源的光谱范围为400至2000nm。

8.根据权利要求1所述的原油含水率测量装置，其特征在于，所述光源为卤素灯光源。

9.根据权利要求1所述的原油含水率测量装置，其特征在于，所述分光片为铅晶质玻璃或石英玻璃。

10.根据权利要求1所述的原油含水率测量装置，其特征在于，所述流通池为开放式流通池。