★王艷云，劉淼，高亮，張慧英，陳冰（中國石油昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京102206）

摘要：傳統(tǒng)的原油含水檢測工藝采取人工井場取樣，室內(nèi)試驗(yàn)檢測手段，不僅耗時費(fèi)力，且數(shù)據(jù)的實(shí)效性及準(zhǔn)確度受到客觀條件的影響均存在不確定性。隨著國內(nèi)大部分主力油田進(jìn)入開發(fā)中后期，市場上多數(shù)含水率檢測裝置已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)高含水條件下精準(zhǔn)測量的要求。本次研究以微波法的測量原理為理論依據(jù)，通過硬件與算法的有效結(jié)合，設(shè)計研制出新型在線原油含水檢測儀。該新型在線原油含水檢測儀采用旁通加排氣結(jié)構(gòu)和微波檢測法，將流體性質(zhì)和管內(nèi)積蠟、腐蝕等影響降至最低，將含水率測量范圍提升至0~100%，無論是低含水時的“油包水”還是高含水下的“水包油”，甚至各種流態(tài)下都不會影響含水率的準(zhǔn)確性，使測量精度達(dá)到5%以內(nèi)。該新型含水儀量產(chǎn)后，將大幅度降低國內(nèi)油田對國外在線含水儀的依賴，為油田節(jié)約相關(guān)采購成本，解決業(yè)內(nèi)多數(shù)含水儀在高含水油田檢測精度低的瓶頸問題，推廣前景巨大。

關(guān)鍵詞：原油含水率；在線含水儀；微波吸收法；降本增效

1 引言

原油含水率是油田開發(fā)生產(chǎn)的重要參數(shù)之一，及時準(zhǔn)確地掌握油井含水率變化，對于油井的動態(tài)分析、工作制度調(diào)整及生產(chǎn)管理非常重要^[1、2]。隨著國內(nèi)主要油田逐步進(jìn)入開發(fā)后期，原油產(chǎn)量持續(xù)走低、綜合含水量不斷上升，準(zhǔn)確的含水率數(shù)值為準(zhǔn)確獲得油田產(chǎn)量提供重要依據(jù)^[3、4]。

目前，室內(nèi)蒸餾化驗(yàn)方法仍然是國內(nèi)油田最常用的原油含水率分析方法，具體步驟為采油工現(xiàn)場采集原油試樣，送達(dá)油田實(shí)驗(yàn)室由化驗(yàn)員進(jìn)行試驗(yàn)分析，對于偏遠(yuǎn)采油廠整個過程需要幾天的時間。該工藝存在著三個缺點(diǎn)：第一，需要的采油工、化驗(yàn)員等一眾人員，檢驗(yàn)周期長，可謂耗時耗力；第二，常規(guī)單井井口取樣，含水率檢測存在空檔期，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測與傳輸，導(dǎo)致油井生產(chǎn)情況和油藏動態(tài)信息無法及時掌握；第三，含水率檢測數(shù)值誤差大，現(xiàn)有室內(nèi)試驗(yàn)檢測方法容易受到運(yùn)輸距離，實(shí)驗(yàn)室位置，測試儀器設(shè)備精度，化驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)等影響，無法保障數(shù)據(jù)的精確度和準(zhǔn)確性^[5、6、7]。因此，針對行業(yè)內(nèi)原油含水率檢測現(xiàn)狀，研究并設(shè)計出測量精度較高的在線原油含水率檢測儀是目前一項(xiàng)科研重點(diǎn)工作。

2 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外現(xiàn)場使用的在線含水檢測分析儀種類繁多，常用的原油含水檢測及分析方法包括：γ射線法、密度法、微波（短波）吸收法、電容法、射頻法等。

原油含水率檢測受溫度、油水流態(tài)、流速、壓力、礦化度等影響較大，現(xiàn)有的原油含水率檢測技術(shù)存在著許多缺陷和制約，給測量帶來較大誤差。隨著我國大部分油田逐步進(jìn)入中、高含水期，對原油含水率檢測的準(zhǔn)確度要求愈加迫切隨著原油含水的逐漸升高，現(xiàn)有的含水率檢測設(shè)備在高含水條件下檢測結(jié)果與實(shí)際值的誤差較大。

因此，在當(dāng)前的原油含水率測量儀器和裝置難以達(dá)到油田開采現(xiàn)場對原油含水率準(zhǔn)確測量的要求的大背景下，對在線智能化含水率檢測技術(shù)提出了更高的要求。

3 工藝原理

常溫下油與水之間的損耗因子差異及介電常數(shù)間的差異均很大，損耗因子分別為0.004和29，介電常數(shù)分別為2和80^[8]。原油中含有的水量越高，微波在油水混相中傳播的速率就會相應(yīng)下降，傳播過程中消耗的能量就會提高，這樣傳導(dǎo)到接收端時，檢測到電流信號就相應(yīng)變小，由此可以根據(jù)電流變化計算得到相應(yīng)的原油含水率^[8]。

微波法測量通常是管外測量，油水混合物不接觸測量元件，溫度、礦化度、井筒及管線的垢蠟問題影響均非常小，因此得到含水率數(shù)值較為準(zhǔn)確。本次新型在線原油含水率檢測儀也是利用微波測量原理，通過分析計算微波信號在油水混合介質(zhì)中的傳輸能量變化，對頻率和功率等參數(shù)的變化進(jìn)行分析和計算，再將微型信號進(jìn)行多倍放大，最后通過獨(dú)特的數(shù)學(xué)模型迭代計算，準(zhǔn)確測得油氣水多相流介質(zhì)中的水含量。

4 裝置結(jié)構(gòu)及功能

4.1 硬件結(jié)構(gòu)

新型在線原油含水率檢測儀由三大部分組成，分別是傳感器部分、延長管部分和數(shù)據(jù)顯示部分，如圖1所示。

由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用微波效應(yīng)實(shí)現(xiàn)管外無接觸測量，流量范圍寬，將流體性質(zhì)和管內(nèi)積蠟、腐蝕等影響降至最低，無論是低含水時的“油包水”還是高含水下的“水包油”，甚至各種流態(tài)下都不會影響測量精度。

圖1 新型含水儀結(jié)構(gòu)圖

4.2 電路結(jié)構(gòu)

設(shè)備主要電路系統(tǒng)由多個電路板構(gòu)成，包括主板、高頻板及通訊電源板。電路結(jié)構(gòu)總體框架圖如圖2所示。

（1）主板包括CPU、顯示器及按鍵等，用于處理數(shù)據(jù)和用戶交互；

（2）高頻板主要用于微波信號處理；

（3）通訊電源板主要用于電源輸入和信號輸出。

圖2 電路結(jié)構(gòu)總體框架圖

4.3 主要功能

新型在線原油含水率檢測儀，通過微波探測的方法實(shí)時獲取原油中的含水情況，取得的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送到井場附近的接收設(shè)備。設(shè)置在油田后線辦公區(qū)的工作站，通過訪問服務(wù)器可以實(shí)時獲取含水?dāng)?shù)據(jù)，如需查詢歷史數(shù)據(jù)也可訪問歷史數(shù)據(jù)庫，做到了數(shù)據(jù)的精確查找和全程記錄。對于偏遠(yuǎn)荒漠、高寒地區(qū)等人工井口取樣較困難的油田，可以完全替代人工采樣化驗(yàn)的工作，大幅度降低人工和化驗(yàn)成本，并提高含水檢測效率。

5 主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

新型在線含水檢測儀能夠滿足溫度為0℃~85℃原油的含水檢測，工作溫度范圍：-20℃~85℃，壓力范圍：0MPa~5MPa，覆蓋了國內(nèi)大部分油田的需求。

含水測量范圍為0~100%，含水測量準(zhǔn)確度±3%，流量范圍為5~240m³/d，滿足了國內(nèi)多數(shù)油田開發(fā)后期高含水情況下，對原油含水檢測精度的要求。

6 數(shù)據(jù)采集與傳輸

工藝設(shè)備采用RS485總線方式進(jìn)行通訊，產(chǎn)品具有RS485通訊接口，串口設(shè)置固定為：波特率根據(jù)設(shè)置，數(shù)據(jù)位8，停止位1，無奇偶校驗(yàn)。每次修改波特率后需要重新啟動儀表。采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU協(xié)議，使用04功能碼，數(shù)據(jù)分配地址見表1。

通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)工藝流程圖，支持按時間查詢歷史曲線，顯示當(dāng)前含水曲線；可選定任意時間段，查詢該段時間平均含水率。

表1 數(shù)據(jù)分配地址表

當(dāng)在線原油含水率檢測儀接收到讀取數(shù)據(jù)的命令后，內(nèi)部運(yùn)算如圖2。此時，含水率檢測儀開始對原油含水率進(jìn)行檢測，并將檢測及計算得到的含水率數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示器，將數(shù)值展示出來。

7 應(yīng)用前景分析

新型原油在線含水檢測儀的研發(fā)成功填補(bǔ)了國內(nèi)的技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)了國外設(shè)備的替代，化解了國外設(shè)備水土不服且售價高昂的問題，有效解決了國內(nèi)高含水油田含水率檢測誤差大的技術(shù)瓶頸。

Roxar儀器公司研制出的原油微波含水率檢測儀，含水率測量范圍僅為0~60%，售價高達(dá)3.7萬美金^[9]。新型在線含水儀實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后，成本將大幅下降。

隨著國內(nèi)油田逐步進(jìn)入高含水階段，以大慶、長慶、新疆、勝利為代表的重點(diǎn)油田對含水儀的需求日益增加，按國內(nèi)重點(diǎn)油田現(xiàn)有總油井?dāng)?shù)10萬口計算，預(yù)計產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益近十億元，推廣前景良好。

8 結(jié)論

（1）隨著國內(nèi)主力油田逐漸進(jìn)入開發(fā)后期，原油含水逐漸升高，現(xiàn)有含水率檢測技術(shù)已不再適用高含水條件下的準(zhǔn)確檢測，導(dǎo)致檢測結(jié)果與實(shí)際情況誤差較大，急需開展高精確性含水檢測儀的研究。

（2）本次新型在線原油含水檢測儀的設(shè)計基于微波法的檢測原理，利用傳感器及數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)原油含水率的在線實(shí)時檢測及數(shù)據(jù)傳輸，取代了傳統(tǒng)人工取樣、室內(nèi)化驗(yàn)的方式，大幅度壓縮了勞動力成本，提高了檢測結(jié)果的精度，更重要的縮短了含水率數(shù)據(jù)檢測的間隔時間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測，為油藏動態(tài)及單井生產(chǎn)管理提供了可靠依據(jù)。

（3）新型在線原油含水檢測儀的問世，將大幅度降低國內(nèi)油田對國外在線含水儀的依賴，為油田節(jié)約相關(guān)采購成本，解決業(yè)內(nèi)多數(shù)含水儀在高含水油田檢測精度低的瓶頸問題，推廣前景巨大。

作者簡介:

王艷云（1980-），女，山東人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國石油昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，主要從事油氣物聯(lián)網(wǎng)科研管理工作。

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摘自《自動化博覽》2022年11月刊