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★王艷云，劉淼，高亮，張慧英，陳冰（中國(guó)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(cè)工藝采取人工井場(chǎng)取樣，室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)手段，不僅耗時(shí)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(guó)內(nèi)大部分主力油田進(jìn)入開發(fā)中后期，市場(chǎng)上多數(shù)含水率檢測(cè)裝置已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高含水條件下精準(zhǔn)測(cè)量的要求。本次研究以微波法的測(cè)量原理為理論依據(jù)，通過(guò)硬件與算法的有效結(jié)合，設(shè)計(jì)研制出新型在線原油含水檢測(cè)儀。該新型在線原油含水檢測(cè)儀采用旁通加排氣結(jié)構(gòu)和微波檢測(cè)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(cè)量范圍提升至0~100%，無(wú)論是低含水時(shí)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(huì)影響含水率的準(zhǔn)確性，使測(cè)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(guó)內(nèi)油田對(duì)國(guó)外在線含水儀的依賴，為油田節(jié)約相關(guān)采購(gòu)成本，解決業(yè)內(nèi)多數(shù)含水儀在高含水油田檢測(cè)精度低的瓶頸問(wèn)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(shí)準(zhǔn)確地掌握油井含水率變化，對(duì)于油井的動(dòng)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(guó)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(guó)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(chǎng)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(duì)于偏遠(yuǎn)采油廠整個(gè)過(guò)程需要幾天的時(shí)間。該工藝存在著三個(gè)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(zhǎng)，可謂耗時(shí)耗力；第二，常規(guī)單井井口取樣，含水率檢測(cè)存在空檔期，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與傳輸，導(dǎo)致油井生產(chǎn)情況和油藏動(dòng)態(tài)信息無(wú)法及時(shí)掌握；第三，含水率檢測(cè)數(shù)值誤差大，現(xiàn)有室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)方法容易受到運(yùn)輸距離，實(shí)驗(yàn)室位置，測(cè)試儀器設(shè)備精度，化驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)等影響，無(wú)法保障數(shù)據(jù)的精確度和準(zhǔn)確性^[5、6、7]。因此，針對(duì)行業(yè)內(nèi)原油含水率檢測(cè)現(xiàn)狀，研究并設(shè)計(jì)出測(cè)量精度較高的在線原油含水率檢測(cè)儀是目前一項(xiàng)科研重點(diǎn)工作。

2 研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)使用的在線含水檢測(cè)分析儀種類繁多，常用的原油含水檢測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)存在著許多缺陷和制約，給測(cè)量帶來(lái)較大誤差。隨著我國(guó)大部分油田逐步進(jìn)入中、高含水期，對(duì)原油含水率檢測(cè)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(cè)設(shè)備在高含水條件下檢測(cè)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(cè)量?jī)x器和裝置難以達(dá)到油田開采現(xiàn)場(chǎng)對(duì)原油含水率準(zhǔn)確測(cè)量的要求的大背景下，對(duì)在線智能化含水率檢測(cè)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(huì)相應(yīng)下降，傳播過(guò)程中消耗的能量就會(huì)提高，這樣傳導(dǎo)到接收端時(shí)，檢測(cè)到電流信號(hào)就相應(yīng)變小，由此可以根據(jù)電流變化計(jì)算得到相應(yīng)的原油含水率^[8]。

微波法測(cè)量通常是管外測(cè)量，油水混合物不接觸測(cè)量元件，溫度、礦化度、井筒及管線的垢蠟問(wèn)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(cè)儀也是利用微波測(cè)量原理，通過(guò)分析計(jì)算微波信號(hào)在油水混合介質(zhì)中的傳輸能量變化，對(duì)頻率和功率等參數(shù)的變化進(jìn)行分析和計(jì)算，再將微型信號(hào)進(jìn)行多倍放大，最后通過(guò)獨(dú)特的數(shù)學(xué)模型迭代計(jì)算，準(zhǔn)確測(cè)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(cè)儀由三大部分組成，分別是傳感器部分、延長(zhǎng)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(jì)，利用微波效應(yīng)實(shí)現(xiàn)管外無(wú)接觸測(cè)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(wú)論是低含水時(shí)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(huì)影響測(cè)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(gè)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(hào)處理；

（3）通訊電源板主要用于電源輸入和信號(hào)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(cè)儀，通過(guò)微波探測(cè)的方法實(shí)時(shí)獲取原油中的含水情況，取得的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸方式發(fā)送到井場(chǎng)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(guò)訪問(wèn)服務(wù)器可以實(shí)時(shí)獲取含水?dāng)?shù)據(jù)，如需查詢歷史數(shù)據(jù)也可訪問(wèn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，做到了數(shù)據(jù)的精確查找和全程記錄。對(duì)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(cè)效率。

5 主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

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

含水測(cè)量范圍為0~100%，含水測(cè)量準(zhǔn)確度±3%，流量范圍為5~240m³/d，滿足了國(guó)內(nèi)多數(shù)油田開發(fā)后期高含水情況下，對(duì)原油含水檢測(cè)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(wú)奇偶校驗(yàn)。每次修改波特率后需要重新啟動(dòng)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(guò)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)工藝流程圖，支持按時(shí)間查詢歷史曲線，顯示當(dāng)前含水曲線；可選定任意時(shí)間段，查詢?cè)摱螘r(shí)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(cè)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(shí)，含水率檢測(cè)儀開始對(duì)原油含水率進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)及計(jì)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(lái)。

7 應(yīng)用前景分析

新型原油在線含水檢測(cè)儀的研發(fā)成功填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)了國(guó)外設(shè)備的替代，化解了國(guó)外設(shè)備水土不服且售價(jià)高昂的問(wèn)題，有效解決了國(guó)內(nèi)高含水油田含水率檢測(cè)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(cè)儀，含水率測(cè)量范圍僅為0~60%，售價(jià)高達(dá)3.7萬(wàn)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(guó)內(nèi)油田逐步進(jìn)入高含水階段，以大慶、長(zhǎng)慶、新疆、勝利為代表的重點(diǎn)油田對(duì)含水儀的需求日益增加，按國(guó)內(nèi)重點(diǎn)油田現(xiàn)有總油井?dāng)?shù)10萬(wàn)口計(jì)算，預(yù)計(jì)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(guó)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(cè)技術(shù)已不再適用高含水條件下的準(zhǔn)確檢測(cè)，導(dǎo)致檢測(cè)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(cè)儀的研究。

（2）本次新型在線原油含水檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)基于微波法的檢測(cè)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(shí)檢測(cè)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(dòng)力成本，提高了檢測(cè)結(jié)果的精度，更重要的縮短了含水率數(shù)據(jù)檢測(cè)的間隔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，為油藏動(dòng)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(cè)儀的問(wèn)世，將大幅度降低國(guó)內(nèi)油田對(duì)國(guó)外在線含水儀的依賴，為油田節(jié)約相關(guān)采購(gòu)成本，解決業(yè)內(nèi)多數(shù)含水儀在高含水油田檢測(cè)精度低的瓶頸問(wèn)題，推廣前景巨大。

作者簡(jiǎn)介:

王艷云（1980-），女，山東人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國(guó)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(dòng)化博覽》2022年11月刊