基于超声波声速法的原油含水率检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声波声速法的原油含水率检测方法。超声波声速法利用超声波在含水原油样品中的传播速度来确定被测样品的含水率。超声波声速法在很大程度上受到温度变化的影响，因此对其进行温度补偿是提高检测精度的关键。本发明专利技术通过推导得到了包含温度补偿的原油含水率检测机理模型；通过实验得到不同含水率和不同温度下超声波在被测样品中的传播速度，利用机理模型得到含水率预测初步结果；将机理模型预测结果和温度作为输入变量、含水率真实值作为输出变量，采用支持向量回归的方法得到优化后的含水率检测模型。本发明专利技术通过机理建模与数据驱动建模相结合的混合建模方法有效地提升了超声波声速法在不同温度下对原油含水率的检测精度。

【技术实现步骤摘要】
基于超声波声速法的原油含水率检测方法
本专利技术属于原油含水率检测
，特别涉及一种基于超声波声速法原油含水率检测方法。
技术介绍
在石油工业中，原油含水率是一项非常重要的指标，在开采、集输、计量、炼化等过程中，都对原油的含水率检测提出了要求。含水率的大小在很大程度上决定了原油的品质，因此准确地测量原油中的含水率对于石油行业有着非常重要的意义。现行的原油含水率检测方法通常分为两大类。第一类是离线测量方法，包括蒸馏法、电脱法和卡尔·费休滴定法等。蒸馏法和电脱法是基于油水分离，卡尔·费休滴定法是基于中和滴定时所消耗的卡尔·费休试剂量与被测样品中的水分含量有关。这类方法通常具有测量精度较高的优点，但都需要较为复杂的实验设备和专业的实验操作，所需要的时间都比较长，不能满足现场快速检测的需要。第二类是在线检测的方法，主要包括：(1)电导率法在油水混合物中，油、水电导率差异很大，纯油几乎不导电，含水率对于油水混合物的电导率起到了决定性作用。在水为连续相时含水率可通过Maxwell公式进行计算，但含水率较低的原油产品中水为离散相，此时该方法无法使用。另外，该方法受介质的离子浓度、矿化程度的影响很大。(2)电容法电容法是基于油和水的介电常数差异很大，油水混合物的介电常数随含水率的变化非常灵敏，因此测量介质为油水混合物时的等效电容就可以测得含水率。电容法对于水作为离散相的油水混合物有着很好的测量效果，但当含水率较高时，水多在原油中开始连通，电容法便无法进行检测，因此仅适用于低含水率的检测。(3)电磁波法电磁波法是一种非接触式测量方法，这种方法基于油和水对于电磁波的吸收能力有着很大的差别，将固定能量的电磁波发射穿过油水混合物并进行接收，通过检测接收到的电磁波强度来确定油水混合物含水率的大小。短波法和微波法都是这种方法的分支，但短波法对于环境的温度要求较高，不可以有较大的温度波动，振荡器要产生稳定的振荡频率才能正常测量，而微波法比较复杂，需要很好的抗干扰设备，成本较高。(4)射线法射线法同样是一种非接触式的测量方法，其基本工作原理在于油和水对射线的吸收能力有很大的差异。射线法通常用于油井，油田计量站间的计量，其最大的缺点就是安全性较低，由于仪器中含有辐射源，防护措施成本较高，日常维护费用昂贵。超声波法作为一种非介入式的在线检测方法，通常有两种应用于原油含水率检测的解决方案，分别是衰减法和声速法。超声波衰减法基于油水两相的声学特性不同来进行测量，激发探头激发出一定频率和强度的超声波，穿过原油时经过油水两相的多种机制衰减，最终到达接收探头。在激发能量固定的情况下，接收端超声波信号强度的大小就可用于表征原油中含水率的大小。但超声波在油水混合物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。超声波声速法则是基于超声波在油、水两相物质中传播速度的不同，通过测量超声波穿过原油的渡越时间换算得到声速，进而得到含水率。超声波在两相混合物中的传播速度往往不仅仅取决于它在每一相中单独的传播速度，同时还可能与物质的密度和一些热力学参数有关。关于超声波在两相混合物中传播速度的混合方式已有不少研究，常见的声速混合模型有：时间平均模型、修正后的时间平均模型、Urick模型、修正后的Urick模型以及Kuster-模型。关于这些模型的比较工作在论文《Compositionmeasurementsofcrudeoilandprocesswateremulsionsusingthick-filmultrasonictransducers》中已有详细描述。论文得到的结论是Urick模型和Kuster-模型是较符合实验结果的两种模型。而根据本专利技术人的实验验证，Urick模型与实验结果更趋一致。超声波声速法的优点在于其含水率测量范围宽、设备简单、价格较为低廉且易于维护，同时作为一种非介入式的检测方法，可以很方便地应用于在线监测，实现对原油含水率的实时测量。但超声波声速法存在一个严重的弊端就是测量精度受温度的影响很大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于超声波声速法的原油含水率检测方法，意在用一种将机理模型和数据驱动模型相结合的混合建模方式实现原油含水率测量模型，提高超声波声速法的含水率检测精度。本专利技术的技术实施方案如下：基于超声波声速法的原油含水率检测方法。该方法的步骤如下：1)根据牛顿-拉普拉斯声速方程，无论是油水混合物还是其中一种物质，均存在以下关系式：v2＝(kρ)-1(1)式中，v表示超声波在物质中的传播速度，单位为m/s，ρ表示物质密度，单位为kg/m3，k表示物质的绝热压缩系数，k一般可由v和ρ通过公式(1)解出。根据Urick模型的描述，混合物的绝热压缩系数和密度与组成该混合物的两相介质的绝热压缩系数、密度以及两相比例有关。对于油水混合物来说，其绝热压缩系数k和密度ρ满足关系式：式中，α为油水混合物中的含水率，kw，ko分别为水和油的绝热压缩系数，ρw，ρo分别为水和油的密度，下标w和o分别表示水和油。将公式(2)代入公式(1)中，并做适当改写，可以得到关于含水率α的一元二次方程：A1α2+A2α+A3-v-2＝0(3)其中，A1，A2，A3为与油和水的绝热压缩系数和密度相关的系数：解这个关于含水率α的二元一次方程，可以得到含水率α的解析式为：式中，B1，B2，B3为与A1，A2，A3有关的参数：由于在实际应用中，A1的值总为负，A2的值总为负，则B1的值总为负。而在公式(4)的右半部分为一个根式，值一定为正，考虑到计算结果的实际物理意义(含水率不能为负)，公式(4)中的±号可以去掉负号，则公式(4)修正为：该式便为含水率的表达式。从表达式的推导过程可以看出，含水率与水、油的密度，以及超声波在水、油中的波速有关，而这些物理参数均受温度的影响。2)根据历史经验公式和实验的方法，可以得到超声波在水中的传播速度vw、水的密度ρw、超声波在原油中的传播速度vo和原油的密度ρo与温度T的关系。其中，超声波在水中的传播速度vw随温度变化的关系可通过文献资料获得，其关系式为：vw(T)＝∑kiTi(8)其中系数ki的取值可参照下表：表1温度系数ki水的密度ρw随温度的变化的关系同样可通过文献资料获得，其关系式为：超声波在原油中的传播速度vo随温度变化的关系通过实验的方法获得，其关系式为：vo(T)＝-0.0195T2-2.5296T+1529(10)原油的密度ρo随温度变化的关系同样通过实验的方法获得，其关系式为：ρo(T)＝-0.6T+0.9264(11)将公式(8)～(11)代入步骤1)中的参数B1～B3计算公式，并进行适当的简化处理，可以得到B1～B3对温度T的关系式为：B1(T)＝-1.847×10-4T3+2.198×10-2T2-0.9164T+10.36(12)B2(T)＝9921T3-1.193×106T2+5.098×107T-8.467×108(13)B3(T)＝-4.136×10-3T3+0.4902T2-20.5T+350.6(14)将使用公式(12)～(14)代替公式(7)中的B1～B3，便可得到：该表达式便为包含温度补偿的含水率检测机理模型。3)进行超声波声速法含水率检测实验，包括恒定温度下含水率变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超声波声速法的原油含水率检测方法，其特征在于该方法的步骤如下：1)根据牛顿‑拉普拉斯声速方程、Urick模型，以及原油和水两种介质中超声波声速和介质密度与温度的关系，推导出含水率与超声波在油水混合物中的传播速度以及温度之间关系的机理模型：

【技术特征摘要】
1.一种基于超声波声速法的原油含水率检测方法，其特征在于该方法的步骤如下：1)根据牛顿-拉普拉斯声速方程、Urick模型，以及原油和水两种介质中超声波声速和介质密度与温度的关系，推导出含水率与超声波在油水混合物中的传播速度以及温度之间关系的机理模型：式中，α表示被测油水混合物的含水率，v表示超声波在被测油水混合物中的传播速度，单位为m/s，T表示被测油水混合物的温度，单位为℃；B1,B2,B3为与油和水的绝热压缩系数、超声波在这两种介质中的波速，以及温度有关的参数；2)通过实验测量超声波在被测油水混合物样品中传播的渡越时间t，油水混合物样品的温度T，在传播距离恒定的条件下利用渡越时间t计算得到超声波在被测样品中的传播速度v；3)将传播速度v和温度T代入公式(1)中，得到含水率的初步预测结果α′；4)将初步预测结果α′和温度T作为输入变量，对应的含水率真实值作为输出变量，采用支持向量回归(SVR)的方法进行建模，通过调整参数获得含水率预测的最佳回归模型，则该模型为本方法的最终含水率检测温度补偿混合模型；5)将超声波在被测油水混合物样品中的传播速度v和温度T代入该混合模型，即可得到含水率最终检测结果。2.根据权利要求1所述的基于超声波声速法的原油含水率检测方法，其特征在于基于Urick模型，经过推导获得了包含温度补偿的含水率检测机理模型；具体的步骤如下：1)Urick模型中，根据牛顿-拉普拉斯公式给出了超声波在两相混合物中的传播速度与其绝热压缩系数和密度之间的关系：v2＝(kρ)-1(2)式中：v为超声波在该混合物中的传播速度，ρ表示混合物的密度，单位为kg/m3，k表示混合物的绝热压缩系数；而混合物的绝热压缩系数和密度又与组成该混合物的两相介质的绝热压缩系数、密度以及两相比例有关，对于油水混合物来说，混合物的绝热压缩系数和密度具有如下关系：kw，ko分别为水和油的绝热压缩系数，ρw，ρo分别为水和油的密度，α为混合物的含水率，下标w和o分别表示水和油，将混合物的绝热压缩系数和密度分别用油和水的绝热压缩系数和密度代入后，得到一个关于含水率α的一元...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜正杰，周洪亮，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33