井口原油含水率在線直測裝置研發及應用

于洋，田殿龍，李珍，程世東，黃天虎，樊晨

(長慶油田油氣工藝研究院 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西 西安 710021)

原油含水率既是油井重要的油藏數據，也是重要的生產參數，對于確定出水、出油層位,預估產量，預測油井的開發壽命以及油田的產量和質量控制，油井狀態檢測，降低成本具有重要的意義和實用價值。

某油田開發逐漸步入中后期，部分油井因含水率上升已接近經濟開采極限，需要及時掌握這部分油井的含水率變化，制訂合理的開采方案。但在含水率計量方面，該油田仍采用人工定期取樣化驗的方法，該方法誤差大、效率低、實時性差，為解決這些弊端，研發了一種基于電磁波透射法的井口原油含水率在線直測裝置，實現了井口原油含水率的實時監測。該裝置的使用可大幅減少人工井口取樣化驗次數，減少現場人員和車輛的動用次數，降低勞動強度、安全風險及生產成本，提升油田生產管理數字化、精細化水平。

1 電磁波透射法測量含水率原理

根據電磁波的物理特性，同一強度的電磁波通過不同介質時，介質所吸收的電磁波的強度是不同的，吸收多少可用電磁波吸收度A來表示：

(1)

式中：I0——入射電磁波強度；I——透射電磁波強度；μ——吸收常數，與入射電磁波強度及通過的介質有關；c——介質濃度；l——介質厚度。

對于油、氣、水混合介質，則有

(2)

2 裝置結構及工作流程

井口原油含水率在線直測裝置由測量傳感器和分析處理單元組成。測量傳感器主要由探頭、射頻信號發生器和接收器構成；分析處理單元主要由室外防爆接線箱內的中心處理器、A/D數據采集芯片、數據存儲器、通信接口和嵌入式軟件構成。井口原油含水率在線直測裝置結構如圖1所示。

圖1 井口原油含水率在線直測裝置結構示意

測量傳感器垂直安裝到輸油管線三通處，探頭充分沒入原油，并向原油中發射由射頻信號發生器產生的恒幅穩頻電磁波，透過原油的電磁波強度隨水的體積分數變化而變化，變化的電磁波信號被射頻信號接收器接收，經信號放大運算電路及信號轉換電路處理后轉換成為電流信號。直測裝置的分析處理單元安裝在井場室外防爆箱內，測量傳感器處理后的電流信號先由A/D轉換器轉換為數字信號，再經中心處理器綜合處理、通信接口轉換為RS-485信號后，由井場RTU傳輸至站內中控系統，由系統處理后進行含水率數值顯示。井口原油含水率在線直測裝置的信號傳輸及處理流程如圖2所示。

圖2 井口原油含水率在線直測裝置數據處理流程示意

3 裝置的先進性

1) 探頭采用流線型幾何形狀設計，保證其能夠與原油充分接觸。考慮到探頭在管線內受泥沙沖擊、酸堿腐蝕等影響，在探頭表面添加了耐磨損、腐蝕的瓷材料涂層；同時探頭中心部位鑲嵌微型加熱管，定時加熱，有效降低了探頭表面結垢、結蠟程度。

2) 射頻信號發生器及接收器分別采用JA8和LM124A軍品級集成電路芯片，工作溫度-55～125 ℃，采樣速率達到毫秒級。同時設計了熱敏電阻進行溫度補償，消除了電路元器件溫度漂移帶來的誤差，提高了測量精度，保證含水信號連續穩定的輸出。

3) 分析處理單元中心處理器運用AVR單片機技術，運行效率高；24位無失碼A/D轉換器，實現電流信號到數字信號的高精度轉換；存儲器采用I2C 兼容的存儲芯片， 內部存儲容量1 MB；通信接口采用RS-485總線，傳輸距離遠，具有防雷及干擾信號隔離功能。

4) 裝置測量范圍為含水率0～100%全量程，適用于各類油井；裝置采用測量傳感器與分析處理單元分離的方式，同一井場多井共用1套數據分析處理單元，降低了裝置成本，提升經濟效益。

4 現場應用情況

在某油田某井組5口油井上進行了現場試驗，井口取樣共25個，將該裝置測量值與人工化驗值做對比，見表1所列，25個樣本中，絕對誤差小于5%，即測量合格的樣本數為20個，測量合格率達到80%。除井2因含氣量大，井口間歇出液導致測量精度低外，其他4口井試驗效果顯著，能夠實時、準確反映井口原油含水率的變化。

表1 井口原油含水率在線直測裝置現場試驗數據對比

5 結束語

針對油井井口原油含水率人工取樣化驗方式存在的諸多弊端，研發了基于電磁波透射法的井口原油含水率在線直測裝置，該裝置具備全量程測量、精度高、穩定性好的優勢，且受溫度、結蠟結垢影響小。通過近6個月現場運行，數據反饋表明： 對于含氣量小的油井，該裝置能夠實時準確反映井口原油含水率，

所得數據可應用于現場生產指導。對于含氣量大的油井，因井口間歇出液，測量誤差大，測量結果無法滿足生產需求，需要對氣體影響做進一步優化。

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