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

摘要：傳統的原油含水檢測工藝采取人工井場(chǎng)取樣，室內試驗檢測手段，不僅耗時(shí)費力，且數據的實(shí)效性及準確度受到客觀(guān)條件的影響均存在不確定性。隨著(zhù)國內大部分主力油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，市場(chǎng)上多數含水率檢測裝置已經(jīng)無(wú)法實(shí)現高含水條件下精準測量的要求。本次研究以微波法的測量原理為理論依據，通過(guò)硬件與算法的有效結合，設計研制出新型在線(xiàn)原油含水檢測儀。該新型在線(xiàn)原油含水檢測儀采用旁通加排氣結構和微波檢測法，將流體性質(zhì)和管內積蠟、腐蝕等影響降至最低，將含水率測量范圍提升至0~100%，無(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 )影響含水率的準確性，使測量精度達到5%以?xún)?。該新型含水儀量產(chǎn)后，將大幅度降低國內油田對國外在線(xiàn)含水儀的依賴(lài)，為油田節約相關(guān)采購成本，解決業(yè)內多數含水儀在高含水油田檢測精度低的瓶頸問(wèn)題，推廣前景巨大。

關(guān)鍵詞：原油含水率；在線(xiàn)含水儀；微波吸收法；降本增效

1 引言

原油含水率是油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的重要參數之一，及時(shí)準確地掌握油井含水率變化，對于油井的動(dòng)態(tài)分析、工作制度調整及生產(chǎn)管理非常重要^[1、2]。隨著(zhù)國內主要油田逐步進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，原油產(chǎn)量持續走低、綜合含水量不斷上升，準確的含水率數值為準確獲得油田產(chǎn)量提供重要依據^[3、4]。

目前，室內蒸餾化驗方法仍然是國內油田最常用的原油含水率分析方法，具體步驟為采油工現場(chǎng)采集原油試樣，送達油田實(shí)驗室由化驗員進(jìn)行試驗分析，對于偏遠采油廠(chǎng)整個(gè)過(guò)程需要幾天的時(shí)間。該工藝存在著(zhù)三個(gè)缺點(diǎn)：第一，需要的采油工、化驗員等一眾人員，檢驗周期長(cháng)，可謂耗時(shí)耗力；第二，常規單井井口取樣，含水率檢測存在空檔期，無(wú)法實(shí)現數據實(shí)時(shí)監測與傳輸，導致油井生產(chǎn)情況和油藏動(dòng)態(tài)信息無(wú)法及時(shí)掌握；第三，含水率檢測數值誤差大，現有室內試驗檢測方法容易受到運輸距離，實(shí)驗室位置，測試儀器設備精度，化驗人員經(jīng)驗等影響，無(wú)法保障數據的精確度和準確性^{[5、6、7]}。因此，針對行業(yè)內原油含水率檢測現狀，研究并設計出測量精度較高的在線(xiàn)原油含水率檢測儀是目前一項科研重點(diǎn)工作。

2 研究現狀

目前，國內外現場(chǎng)使用的在線(xiàn)含水檢測分析儀種類(lèi)繁多，常用的原油含水檢測及分析方法包括：γ射線(xiàn)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，現有的原油含水率檢測技術(shù)存在著(zhù)許多缺陷和制約，給測量帶來(lái)較大誤差。隨著(zhù)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確度要求愈加迫切隨著(zhù)原油含水的逐漸升高，現有的含水率檢測設備在高含水條件下檢測結果與實(shí)際值的誤差較大。

因此，在當前的原油含水率測量?jì)x器和裝置難以達到油田開(kāi)采現場(chǎng)對原油含水率準確測量的要求的大背景下，對在線(xiàn)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間的差異均很大，損耗因子分別為0.004和29，介電常數分別為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 )相應下降，傳播過(guò)程中消耗的能量就會(huì )提高，這樣傳導到接收端時(shí)，檢測到電流信號就相應變小，由此可以根據電流變化計算得到相應的原油含水率^[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(xiàn)的垢蠟問(wèn)題影響均非常小，因此得到含水率數值較為準確。本次新型在線(xiàn)原油含水率檢測儀也是利用微波測量原理，通過(guò)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(guò)獨特的數學(xué)模型迭代計算，準確測得油氣水多相流介質(zhì)中的水含量。

4 裝置結構及功能

4.1 硬件結構

新型在線(xiàn)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(cháng)管部分和數據顯示部分，如圖1所示。

由于獨特的結構設計，利用微波效應實(shí)現管外無(wú)接觸測量，流量范圍寬，將流體性質(zhì)和管內積蠟、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 )影響測量精度。

圖1 新型含水儀結構圖

4.2 電路結構

設備主要電路系統由多個(gè)電路板構成，包括主板、高頻板及通訊電源板。電路結構總體框架圖如圖2所示。

（1）主板包括CPU、顯示器及按鍵等，用于處理數據和用戶(hù)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 電路結構總體框架圖

4.3 主要功能

新型在線(xiàn)原油含水率檢測儀，通過(guò)微波探測的方法實(shí)時(shí)獲取原油中的含水情況，取得的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸方式發(fā)送到井場(chǎng)附近的接收設備。設置在油田后線(xiàn)辦公區的工作站，通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器可以實(shí)時(shí)獲取含水數據，如需查詢(xún)歷史數據也可訪(fǎng)問(wèn)歷史數據庫，做到了數據的精確查找和全程記錄。對于偏遠荒漠、高寒地區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的工作，大幅度降低人工和化驗成本，并提高含水檢測效率。

5 主要技術(shù)參數指標

新型在線(xiàn)含水檢測儀能夠滿(mǎn)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，覆蓋了國內大部分油田的需求。

含水測量范圍為0~100%，含水測量準確度±3%，流量范圍為5~240m³/d，滿(mǎn)足了國內多數油田開(kāi)發(fā)后期高含水情況下，對原油含水檢測精度的要求。

6 數據采集與傳輸

工藝設備采用RS485總線(xiàn)方式進(jìn)行通訊，產(chǎn)品具有RS485通訊接口，串口設置固定為：波特率根據設置，數據位8，停止位1，無(wú)奇偶校驗。每次修改波特率后需要重新啟動(dòng)儀表。采用標準的MODBUS RTU協(xié)議，使用04功能碼，數據分配地址見(jiàn)表1。

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

表1 數據分配地址表

當在線(xiàn)原油含水率檢測儀接收到讀取數據的命令后，內部運算如圖2。此時(shí)，含水率檢測儀開(kāi)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據發(fā)送到顯示器，將數值展示出來(lái)。

7 應用前景分析

新型原油在線(xiàn)含水檢測儀的研發(fā)成功填補了國內的技術(shù)空白，實(shí)現了國外設備的替代，化解了國外設備水土不服且售價(jià)高昂的問(wèn)題，有效解決了國內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(jià)高達3.7萬(wàn)美金^[9]。新型在線(xiàn)含水儀實(shí)現量產(chǎn)后，成本將大幅下降。

隨著(zhù)國內油田逐步進(jìn)入高含水階段，以大慶、長(cháng)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，按國內重點(diǎn)油田現有總油井數10萬(wàn)口計算，預計產(chǎn)生經(jīng)濟效益近十億元，推廣前景良好。

8 結論

（1）隨著(zhù)國內主力油田逐漸進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，原油含水逐漸升高，現有含水率檢測技術(shù)已不再適用高含水條件下的準確檢測，導致檢測結果與實(shí)際情況誤差較大，急需開(kāi)展高精確性含水檢測儀的研究。

（2）本次新型在線(xiàn)原油含水檢測儀的設計基于微波法的檢測原理，利用傳感器及數字技術(shù)實(shí)現原油含水率的在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測及數據傳輸，取代了傳統人工取樣、室內化驗的方式，大幅度壓縮了勞動(dòng)力成本，提高了檢測結果的精度，更重要的縮短了含水率數據檢測的間隔時(shí)間，實(shí)現數據的連續監測，為油藏動(dòng)態(tài)及單井生產(chǎn)管理提供了可靠依據。

（3）新型在線(xiàn)原油含水檢測儀的問(wèn)世，將大幅度降低國內油田對國外在線(xiàn)含水儀的依賴(lài)，為油田節約相關(guān)采購成本，解決業(yè)內多數含水儀在高含水油田檢測精度低的瓶頸問(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，現就職于中國石油昆侖數智科技有限責任公司，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