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原油含水率测量技术综述-论文


第1 6卷 第 5期 

重 庆科 技学 院学 报 ( 自然科 学 版 )  

2 0 1 4年 1 0月  

原 油 含 水 率 测 量 技 术 综 述 
李清玲  彭 军  唐德 东   陈克 勤。   李太福 

( 1 . 重 庆科技 学院信 息工程 学院 ,重 庆 4 0 1

3 3 1 ; 2 . 重庆 市安全 生产 科 学研 究院 ,重 庆 4 0 1 3 3 1 ;  
3 . 中国石 油 西 南油 气 田公 司重 庆 气矿 ,重庆 4 0 0 0 2 1 )  
摘 要: 原油含水率是油 田生产 的一项 重要指标 , 水 的存在 会导致 油液乳 化浑浊 , 黏度 增加 , 设备腐 蚀 , 造成管道 运 

输不稳定 , 其 检 测 方 法 主 要 分 为 离线 测 量 和 在 线 测 量 两 大 类 。介 绍 国 内 外 原 油 含 水 率 的 主 要 测 量 方 法 、 测 量 原 理 及 

其优缺点 和适用 范围 , 为 了提高原 油含 水率测量 的准确性 和稳定 性 , 近年来 还 出现了利用 人工智 能 、 多传 感器信 息  融合 等新 的检测技术 。结合化学计 量学 和多 传 感器 信 息融 合 的原 油含 水 率在 线 测量 技 术将 是 未来 主 要 的发 展 
趋势 。   关键 词 : 原 油 ;含 水 率 ; 测量技术  中图分类号 : T E 1 2 2   文献 标 识 码 : A   文章编号 : 1 6 7 3—1 9 8 0 ( 2 0 1 4 ) 0 5—0 0 8 9— 0 4  

原油 的含 水 率在 油 田开 采 、 脱水 、 运输 、 销 售 等  环 节都 具有 极其 重要 的影 响 。水 的存 在会 导致 油 液 

卡 尔 一 费 休 法  测 量 原 理 : 原 油 经 混 合 器 混  合 均 匀后 , 称 取 一 定 量 的 试样 注入 到 卡尔 ~ 费休  库 仑仪 的 滴 定 池 中 , 在 阳 极 电解 生 成 用 于 卡 尔 一  费休库 仑反 应 的碘 。 当所有 的碘 被 滴 定 , 过 量 的碘  通 过 电量终 点 检测 器检 测 , 滴 定 结 束 。其 反 应方 程 
式 如下 :  
H2 O +I 2+S O2+3 C5 H5 N— C5 H5 N ?m +C5 H5 N ?S O3   C5 H5 N ?SO3+CH3 OH  C5 H5 N ?HS O4 CH3  

乳 化 浑浊 , 黏度 增 加 , 对 设 备 腐蚀 加 重 , 同时 也 加 大  了管道 的运 输功 耗 , 造成 管道 运输 不稳 定 。 目前 , 原 
油 含水 率 的 测 量 方 法 主 要 分 为 离 线 测 量 和 在 线 测  量 。离 线测 量通 常在 实 验 室 完 成 , 需 要 对 样 本 进 行  取样 。 由于取样 的 随机性 大 , 取样 不及 时 , 导致 油 品  性 质或 原 油含 水 率 可 能发 生 改 变 , 且 在 恶 劣 的天 气  情 况下 , 化 验 的劳 动强度 更 大 , 不 能较 好地 满 足油 田  生 产 自动 化管 理 的 需 求 J 。 因此 , 基 于原 油 样 品 的 
物 理 和化 学性 质 , 直 接 测 量 其 组 分 及含 量 的在 线 测 

此 方法 可 对 含 水 率 在 0 . 0 2 % 一5 . 0 0 % 范 围 内 
的原油 进行 全样 分析 , 不受 原油乳 化 程度 的影 响 , 测 

量 稳定 性好 。但 由于精确 度高 , 过于 敏感 , 有些 具 有  副反应 的物 质如 酮类 、 醛类 的测定 较 困难 , 需要 根据 


量 技术 得 到 了广 泛 的应用 。   近年来 , 国 内外许 多学 者 致 力 于 研 究 原 油 含 水  率 的在线 测量 技 术 , 研 制 新 型 传 感 器 等 。本 文 介 绍 

定 的经验 控制 反应 方 向。  

蒸 馏法 测量 原 理 : 当油 液 与无 水 溶 剂 混 合 蒸 馏  时, 由于溶剂 中的轻组 分会 首先气 化 , 在气化 过 程 中 
将 油 中的水 携 带 出去 并 在 冷凝 管 中冷 凝 , 如 此 反 复  气 化冷 凝 , 可将 油 中的水分 几乎 完全抽 至接 受 器 中 ,  

国 内外 测量 原油 中微 量水 和 较高 含水 率 的一些 测 量 
方 法及 研 究进 展 。  

1   原油含 水率测量技术现状 
1 . 1   原油 含水 率 离线 测量 

再 计算 接受 器 中 的水 量 及 所 取 油液 量 , 即可 测 出油 
中水分 的含量 。蒸 馏 法 的测量 精 度 高 , 但 是 操 作 步 

离 线 测量 的主 要 方法 有 卡 尔 一 费 休 、 蒸馏法 、  

骤 繁琐 , 分 离效果 受 油水乳 化液 状态 影响较 大 。   电脱法 是对 油 液 中的水 分 进 行 电解 , 水 被 电解 
成 氢 和氧 , 电解 电流值 反应 了油中水 分 的饱 和 程度 。   通 过此 方法 能测 量 出油 中游离 水和 溶解水 的含 量 。  

离心法 和 电脱 法 等 。卡 尔 一 费 休 法 是 我 国测 量 微 
量 水 的标 准方 法 , 蒸 馏 法 和 电脱 法 是 当前 油 田测 量  高含水 率 原油 的 主要测 量方 法 。  
收稿 日期 : 2 0 1 4— 0 4— 2 3  

基金项 目: 国家 自然科 学基金项 目( 5 1 3 7 5 5 2 0 ) ; 重庆市 自然科学 重点基金项 目( c s t c 2 0 1 2 j j B 0 0 9 5 ) ; 重庆高校创新 团队建设计划 
项 目( K J T D 2 0 1 3 2 4 )  

作者简介 : 李清玲 ( 1 9 9 0一) , 女, 重庆人 , 重庆科技学院在读硕士研究生 , 研究方 向为在线分析 。  
?

8 9?  

李清玲 , 等: 原 油含 水率 测量技 术 综述  离 心法是 将 等体积 的原 油和经 水饱 和 的 甲苯 溶 
液 装入 锥形 离心 管 中 , 离 心 机产 生 离 心 力对 溶 液 中  近年 来 , 近红外 光谱 广泛 应用 于各个领 域 , 也 取  得 了不少 成 果 。如在 测 量 油 中微 量 水 的含量 时 , 其 

溶 质进 行分 离 , 分 离后 读 出在 管底 部 的水 和沉 淀 物  积小 , 但油水 分离 设备 不封 闭 , 容 易造成 二次 污染 。  
由于原 油 的性 质 随温 度 、 环 境 等 条 件会 发 生 变 

分 析速度 快 、 效率较 高 、 无污染 , 对环 境要 求低 , 能做  建 立校 正模 型 , 其 模 型 建 立 的方 法 与 精 度都 会 影 响 
测 量精 度 。鉴于 光谱 法 测 量 的 众 多优 点 , 近 红 外 光  谱 在各行 各业 的定 性 与定 量 的监 测 、 分 析 中得 到 了 
广 泛 的应用 。  

的体积 _ 3   J 。此方法 的优点是分离效率高、 分离器体  到 对样 品 的无 损 测 量 J 。但 由 于该 方 法 需 要 预 先 

化, 因此传统 的方 法 即离线测 量法 , 并不 能及 时反 应  含水 率 的变 化情 况 , 也 不 能 满 足 油 田生 产 自动化 的 
管理需 求 。  
1 . 2 原油 含水 率在线 测量 

( 3 ) 电阻抗 法 。 当油气 水 三 相混 合 液穿 过 管 道  内两 电极之 间 时 , 其 电阻 和 电容 取 决 于 流体 的 电导 

原油含 水率 在线测 量是 在原 油管道 上安 装 在线 

率、 含水率 、 含气 率 和 介 电常 数 等 , 在流 态 给定 和传 
感 器 的几何 外形 确 定 的情 况 下 , 测 量 的电 阻抗 值 是 

仪表 , 使 用 密度 计 、 微波、 电 容法 等 软测 量 技术 对 原  油 中水 的含 量进 行实 时检测 和实 时反馈 。在线 测量  法 主要 有 电容 法 、 光谱 法 、 阻抗 法 、 密度法 、 射线法 、  
短 波 法及微 波法 。  
1 . 2 . 1 微 量水 的在 线测量 方法 

流体 组 成 相 分 率 的 直 接 函 数 , 从 而 测 得 各 相 比  率¨ 5   J 。其 优点 是 结 构 简 单 , 价格低廉 , 且 能 进 行 瞬 
态 测量 。但 测量 值 与 混合 液 的流 态有 关 , 容 易 受 温  度 和 杂质等 的影 响 。  
1 . 2 . 2   高含 水量 原 油的在 线测量 方 法 

微量水 在线 测 量方 法 有 电容 法 、 光 谱 法 和 电 阻  抗法 。 国外 主要 采用 电容 法和 电阻抗 法 。   ( 1 ) 电容 法 。 电容 法 的测量原 理如 图 1所示 。  

高含水 量原 油在 线测量 方法 有密 度法 、 短波 法 、   微 波法 和射 线法 。   ( 1 ) 密度 法 。在线 密 度 法测 量 原 理是 把 原 油看 

成 由纯 油 和纯 水 2部 分 组 成 的混 合 物 , 由于 水 与油 
的密度 不 同 , 测 量 油水 混 合 液 的 密度 即可 得 到 油水 
图 1 电容 法 测 量 原 理 图 

的含 量 , 其 原理 如下 :  
原油 的总质 量 :  
Mh= M。+Mw =   。+   ( P  一P 。 )   ( 2 )  

依据 油和水 的介 电 常数不 同 , 且 相差 较大 , 当水 
的含 量变化 时 , 会 导 致 油水 混 合 物 的介 电常 数 发生 

式中: M  一 油 水混 合液 的总 质量 ; M。 一 纯油 的 质  变化 , 从而相应的电容也会变化 , 将电容接人电磁谐  量 ; M  一 纯 水 的质量 ;' / h 一 油 水 混 合 液 的体 积 ;   振工 作 电路 中 , 从 谐 振 频率 的变 化 可测 出介 质 的含  纯水 的体积 ; P 。 一 纯 油 的密度 ; P  一 纯 水 的  水率 。在 油 中微 量水 的检 测 领域 中 , 电容 式 传 感 器  密度 。   具有 灵敏 度高 , 结构 简单 , 安装 与维 护方便 等 优点 而  故原 油体 积 比含 水率 为 :  


被广 泛应 用 。但 由于原 油成分 和测 量仪表 的不 稳 定  性, 会 引起 水质 矿化 度不 断变化 , 从 而改 变水 的介 电 
常数 , 带来 系 统 误 差 , 且 电 容 式 传 感 器 的 电 容 量 很  小, 外 界 环境 和 寄生 电容 的 变化 都 会 影 响 电容 传 感 
Y  =   =a p h一  
1  

( 3 )  

式中 : P  一 油 水 混 合 液 的 总 密 度 ; A = — 一 ,  
P   一P。  

器 的精 度 。因此 , 只有 加快 研 发 多 种传 感 器 的信 息  融合 技术 来提 高测 量精 度 。   ( 2 ) 近红 外 光 谱 法 。 由于 原 油 成 分 中 的 C — 
H、 N— H等和 水分 子对 近红外 光 的吸收频 率 不 同 ,  

B :   。   P   一 P。  

纯 油与 纯水 的 密度 P 。  

为 已知 , 故 只需 知 道 

混 合液 的密 度 即可 求 出含 水 率 。而混合 液 的总密 度 
P   可用 密度计 测量 。冯 志友等  人应 用密 度法 的测 

在 测得 的近 红外 光 谱 图 中 , 提取 对 水 分 吸 收敏 感 的  特 定波 长 , 通 过 监测 经 过 流 体 的投 射 光 强 随 含水 率  的变化 情况 , 得 到 对 应 的含 水 率 。待 测 样 品浓 度 与 

量 原理 进行 原油 含 水 率 的检 测 , 并 对 误 差 做 了简 单 

吸光度 的关系符合朗伯 一 比尔定律 :  
A =e e l   ( 1 )   式 中: A一 吸光 度 ;   一 被 测组 分 对 光能 的吸 收 系 

分析 , 当含水率较高时随机误差小 , 含水率较低时随  机 误差 大 。  
由于此 方法测 量原 油含水 率 是在理 想条 件下 推 
导 出来 的 , 在现场检测 时, 由于 受 到诸 多 因 素 的干  扰, 使 得测量 结果 误差 很大 。其误 差来 源 主要有 : 混 

数; C 一 组 分 的摩尔 浓度 ; Z 一 光 通过溶 液 的长度 。  


9 0?  

李清玲 , 等: 原 油含 水率测 量技 术综 述  合液温度、 压力 的影 响 ; 油 液 中含砂 、 含 气 会 使 密 度  2 . 3 基 于 多传感 器信 息融 合的检 测方 法 

计 等装 置结 垢 , 表现为“ 气增油 ” 和“ 砂吃油” 现象 ,   影 响测 量精 度 。因此 , 该 方法 用 于 对 误 差 要 求 不 高 
的油 田进行 测 量 是 可行 的 , 而 对 于低 含 水 油 田和 测 

多传 感器 信息 融合 是把 多个传 感器 测量 到 的信  息 进行分 析 和集成 , 提 取对象 的有 效信 息 , 以形成 某 


被测 对 象信 息 的全 面 和完 整 描 述 ¨  。通 常 传 感 

量 精度 较 高要求 的油 田 , 应避 免 使用 。  
( 2 ) 短 波法 及微 波 法 。将 电能 以电磁 波 的形 式 

器 都存 在交叉 灵 敏 度 , 表 现 在传 感 器 的输 出 值不 只  取 决 于 1个 参 量 , 当其 他 参 量 变化 时 输 出值 也要 发  生 变化 。因此传 感 器 的 性 能不 稳 定 , 测 量 精度 也 较  低 。为 了提 高 目标 参 量 的 测量 精 度 , 消 除 其他 干 扰  量 的影 响 , 提 高对 目标 参量 的辨识 能力 , 多传 感 器信 
息 融合 技术 开辟 了有 效 的途 径  。张 冬 至 等  人  采 用 多传感 器 对水 分 、 温 度 和矿 化 度 等参 量 进 行 了 

辐 射 到介质 时 , 根据 油 、 水对 短波 或微 波 的吸 收能 力 
不 同来 测 量油 中水 的含 量 。D a v i d   J   C   利用 无线 电  射 频 和微 波技 术研 制 了海 底 原 油 分 析 仪 , Ma r e l l i   J   Dl 9   开发 的微 波含 水测 量 仪 已成 功 用 于 海 洋管 道 的 

测 量 。短 波或 微波 法不 受温 度 、 压力 、 水质 矿 化度 等 

因素影响, 且测量范围宽 , 但 由于采用 了微波技术 ,  
维 护 和 使 用 比较 困 难 , 不 适 用 于 气 体 含 量 较 高 的 
原油 。  

测量 , 采用基于 L M 算 法 的神 经 网络 信 息 融 合 方 法  对 基 于 电磁 波谐 振 技 术 的 电容传 感 器 进 行 了校 正 ,   大大 提高 了原 油含水 率 的测量 精度 。  
2 . 4 基 于单片 机控 制的原 油含 水 率测量 技术 

( 3 ) ^ y 射 线法 。 由于 ^ y 射 线穿 过介 质 时 , 它 的强 
度 会 衰减 , 而 衰减程 度 取 决 于介 质 对 ^ y射线 的质 量 

单片机 控 制的智 能测 量系 统是 一种集 原油 含 水  率 实 时测量 、 显示、 打 印 与数据 通讯 于一体 的在 线 式  原油 含水率 测量 系统 , 并 且具有 压力 、 温度 和含 水 率  超 限时报 警等 功能 。王 德毓 等  人 在 采用 短 波 法 、  
韩秀 丽等  人利用 密度 法 的原 理结 合 单 片机 , 研 制  了一 种原 油含水 率实 时测 量 系统 。此单 片机控 制 的 

吸收 系数 、 介 质 的密度 、 种类 和 介 质 的组 分等  。  
射线 法 的主要 优 点 是 非 接 触 测 量方 式 , 适 合在 恶 劣  的环 境 和条件 下使 用 , 避免 了管 道 内结垢 、 结 蜡 对仪  表工 作 的影 响 , 且 仪 表 的稳 定 性 好 。但 内含 放 射 性 

物质 , 使用维修困难 , 会对人体造成伤害 。  

测量 系统 主要 优点是 成本 低 、 安 全环 保 、 便 于 维修 和 

2 原油含水率测量技 术的新进展 
鉴 于上述 不 同测 量 方 法 存 在 的各 种 问题 , 为 了  提高 仪 表 的准 确性 、 稳 定性 , 学 者们 研究 出 了多 种含  水率 测 量 的新 技 术 , 以满 足油 田实 际生 产 的需要 。  
2 . 1   可 同 时测量 流量 和 含水 率的传 感器 技 术 

测量 精度 满足 要求 等 , 具 有广 泛 的应用前 景 。  

3  结

论 

原油 含水 率 作 为 油 田生 产 原 油 的一 个 重 要 指 

标, 油 中含水 率 的准 确 测 量 直接 关 系 到 企业 的经 济 
效益 与发 展 , 因此 , 原油 含水率 的测 量得 到 了越来 越 

现 有 的测 量 方法 是用 2个 传感 器分 别测 量 液体  流量 和 含水率 。而大 庆油 田则 用 流体 阻抗传 感 器 同 

广泛 的重 视 。 由于受 到各 种 因素 的影 响 , 使 得 原 油 
含水 率 的准确 测量 成 为 一 个 世界 难 题 。今 后 , 将 多 

时测 量 流量 和含 水率 。其 优点 是将 流量 和 含水 率传  感器 合 二 为 一 , 可 同 时 进 行 流 量 和 含 水 率 的测 量 。   且传 感 器 结 构 简 单 、 无 可动 部 件 、 无 阻 流 组件 、 仪 表 
常 数稳 定 、 对 流 动无 干扰 、 维修 简 单 ¨  。  
2 . 2 基于 人工 智能 技术 的含 水率 预测 方法 

种传 感器 融合 技 术 、 数 据 处 理 以及 化 学 计 量学 方 法  等技 术 引入到 含 水 率 的在 线 测 量 当 中 , 研制 微 型 原 
油含 水率 在线 测量 仪 , 降低测 量难 度 , 提 高测 量 的精  度 与稳定 性 , 将有 力 地 推 进 原 油含 水 率 在 线测 量 技 

近 年来 , 人 工智 能 成 为 国际 上 非线 性 领 域 的研 
究热 点 , 在原 油 含 水 率 的测 量 中也 有 较 好 的应 用前  景, 其 中基 于人 工 神 经 网 络 的智 能测 量 方 法 的运 用  最 为广 阔  。小 波 神 经 网 络  , 模 拟 退 火 算 法 优  化 神经 网络  , 粒子群优化 R B F神 经 网络 ¨  等 智 

术 的发展 , 满 足油 田生产 自动 化管 理 的需 求 。  
参 考 文献 

[ 1 ] 张乃禄 , 薛朝妹 , 徐竞天, 等. 原 油含水率 测量技术及 其  进展 [ J ] . 石 油工业技 术监督 , 2 0 0 5 , 2 1 ( 1 1 ) : 2 5 - 2 8 .  

[ 2 ]G B / T   1 1 1 4 6— 2 0 0 9原油水含 量测定 卡 尔 ?费休库 仑 
滴定法『 S ] .  

能 方法 的使 用 , 对 在 线 测量 误 差 起 到 了 良好 的预 报  和修 正作用 , 有 效地 提高 了测 量精 度 和稳定 性 。  
支持 向量机 ( S V M) 采 用 结 构 风 险 最 小 化 原则 ,  

[ 3 ]G B / T   6 5 3 3原油 中水和沉淀物测定法( 离心法 ) [ s ] .   [ 4 ] 侯明明. 油 中微 量 水 分 的 近 红 外 光 谱 测 定 方 法研 究 

适 应 于小样 本 建 模 , 具 有 很 强 的泛 化 能 力 。也 用 于  原 油含水量 测量模型 的建立 , 且估算 准确度 较高¨  。  

[ D] . 重庆 :重庆工商大学, 2 0 1 2 .   [ 5 ]T u n c e r   E, S e r d y u k   Y   V, G u b a n s k i   S   M. D i e l e c t r i c   Mi x 一  
?

91 ?  

李 清玲 , 等: 原 油含水 率测 量技 术综述 
t u r e s : E l e c t r i c a l   P r o p e r t i e s   a n d   Mo d e l i n g [ J ] . I E E E   T r a n s —  
a c t i o n s   o n  Di e l e c t ic r s   a n d  El e c t r i c a l  I n s u l a t i o n, 2 0 0 2, 9  

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t e r mi n i n g   Wa t e r — c u t   F r a c t i o n   a n d  G a s  F r a c t i o n   i n   T h r e e  
P h a s e   Mi x t u r e s   o f   Oi l , Wa t e r   a n d   G a s :US   P a t e n t , 5 5 7 6 9 7 4  

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Te c hn i qu e   St a t us   a n d  De v e l o pm e nt   Tr e nd s   o f   Me a s u r i ng   W a t e r   Co n t e nt   i n   Cr ud e   0i l  
L /Q i n g l i n g   P E NG   J u n   T A N G   D e d o n g   C H E N  K e q i n   L I   T a  
( 1 . S c h o o l   o f   E l e c t r o n i c   a n d   I n f o r m a t i o n , C h o n g q i n g   U n i v e r s i t y   o f   S c i e n c e   a n d   T e c h n o l o g y , C h o n g q i n g   4 0 1 3 3 1 , C h i n a ;  
2. Ch o n g q i ng   Ac a d e my   o f   Sa f e t y   S c i e n c e   a n d   Te c h n o l o g y,Cho n g q i n g   401 3 31,Ch i n a;  

3 . C h o n g q i n g   G a s   F i e l d   o f   P e t r o C h i n a   S o u t h w e s t   O i l &G a s i f e l d   C o m p a n y ,C h o n g q i n g   4 0 0 0 2   1 , C h i n a )  
Ab s t r ac t : P e r c e n t a g e   o f   wa t e r   i n   c r u d e   o i l   i s   a n   i mp o r t a n t   i n d e x   o f   o i l   p r o du c t i o n.Th e   p r e s e n c e   o f   wa t e r   wi l l   c a us e  

t h e   o i l   e mu l s i o n   t u r b i d i t y,i n c r e a s i n g   v i s c o s i t y ,a n d   t h e   c o r r o s i o n   o f   e q u i p me n t ,r e s u l t i n g   i n   u n s t a b l e   p i p e l i n e   t r a n s —   p o r t a t i o n .T h e   d e t e c t i o n   me t h o d   i s   d i v i d e d   i n t o   o f l i n e   a n d   o n l i n e   d e t e c t i o n   o f   t w o   k i n d s   o f   me a s u r e me n t .T h i s   p a p e r  
r e v i e ws   t he   ma i n   me t h o d.d e t e c t i o n   o f   d o me s t i c   a n d   i n t e r na t i o n a l   c ud r e   o i l   mo i s t u r e   d e t e c t i o n   p r i n c i p l e   a n d   i t s   a d-   v a n t a g e s   a n d   d i s a d v a n t a g e s,i n   o r d e r   t o   i mp r o v e   t h e   me a s u r e me n t   o f   c r u d e   o i l   mo i s t u r e   c o n t e n t   a c c u r a c y   a nd   s t a b i l i —   t y .I t   h a s   e me r g e d   i n   r e c e n t   y e a r s   t he   u s e   o f   a r t i ic f i a l   i n t e l l i g e nc e,mu l t i   s e ns o r   i n f o r ma t i o n   f us i o n   a n d   o t h e r   ne w 

d e t e c t i o n   t e c h n i q u e .C o mb i n a t i o n   w i t h   S t o i e h i o me t r y   a n d   mu l t i   s e n s o r   i n f o r ma t i o n   f u s i o n   t e c h n o l o y  g f o r   o n —l i n e  
d e t e c t i o n   o f   p e r c e n t a g e   o f   wa t e r   i n   c ud r e   o i l   wi l l   b e   t h e   f u t u r e   d e v e l o p me n t   t r e n d   o f   t h e   ma i n s t r e a m.   Ke y   wo r d s: c r u d e   o i l ;wa t e r   c o n t e n t ;me a s u r e me n t   t e c h no l o g y  

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