微波法監測原油含水率影響因素分析與策略

梁新玉，張乃祿，姚景超，王文濤，孟智彬

（1.西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065；2.陜西省油氣井測控技術重點實驗室，陜西 西安 710065；3.西安海聯石化科技有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

在原油的開采過程中原油含水率是一個重要的參數，可以有效反應當前油田的開發狀態，對優化油田生產規劃、降低開采成本、提高生產效率等具有重要意義[1]。以往的人工測量法、密度法、γ射線法、電導法等在測量的可靠性、實時性和精度方面已無法滿足原油含水率監測的需要[2]。微波的穿透能力強，具有測量精度高、可靠性強、測量范圍廣等優點，已逐步成為國內外各大油田普遍采用的監測方式。但由于油井實際生產過程和工作環境的復雜性，給微波法實時監測原油含水率的準確性和可靠性帶來了極大影響，溫度變化、監測儀及油井的井況等因素對微波法監測含水率均有較大的影響[2-3]。

本文通過分析和研究微波法含水率監測儀器的研制機理及現場的實際應用情況，將從監測原理、含水率監測儀、油井井況3個方面，對影響微波法監測原油含水率的因素進行分析和研究，并有針對性的提出相應的解決措施。

1 微波法監測原油含水率原理

微波法原油含水率監測的基本原理在于微波在不同介質中傳播時，會發生信號幅度的衰減和相位移。油井生產過程中，產出液的成分主要是油和水，通常情況下，油、水的介電常數相對穩定，影響原油的等效介電常數主要是不同比例的油水混合液體，即含水率。

油的介質常數、水的介質常數、原油的等效介質常數和含水率之間存在以下關系[4]：

式中：ε為混合介質的介電常數；εw為水的介電常數；εoil為油的介電常數；d為原油的含水率。通過測量ε，即可得到原油的含水率d。

微波在傳播過程中的傳播常數由介質的介電常數和電導率決定，在導電介質中，其衰減常數α和相位常數β的表達式方程[4]為：

式中：ω為微波的角頻率（rad/s）；μ為混合介質的磁導率（H/m）；σ為混合介質的電導率（S/m）；α為微波的衰減量（Np/m）；β為相移常數（rad/m）。

由式（2）和式（3）可知，當微波頻率達到一定量時，電導率的影響可以忽略不計，此時測量微波的衰減量和相位移量都可以得到原油的等效介電常數，因此可采用測量微波相位量變化的方法來測量含水率[2]。

微波在原油中傳播的相位移變化量Δψ的表達式為：

式中，ΔL為微波在混合介質中的傳播距離，其大小等于傳感器的長度。

通過對測量原理及過程的分析，可知微波的相位移量及介電常數是測量的關鍵。

2 油井井口含水率監測影響因素分析與對策

2.1 監測原理因素

通過對微波法監測原油含水率原理進行分析可知，測得微波在原油中的信號衰減及相位變化量后，可以得到原油的混合介電常數，進而測量出原油的含水率。介電常數是導致微波法測量含水率時相位移發生變化的主要原因，而介電常數又受溫度和礦化度的影響較大[5]，因此溫度和礦化度是影響微波法原油含水率監測結果是否準確的重要因素。

（1）溫度的影響。通過實驗表明，油的介電常數通常在2.0～3.0之間，受溫度的影響較小，與溫度之間無直接對應關系。水的介電常數受溫度的影響較大，其介電常數會隨溫度的升高而減小。在溫度升高時，油的介電常數變化不大，水的介電常數減小，導致原油的等效介電常數減小，當原油的含水率減小時，將導致含水率的測量值偏離實際值。根據國際化學應用學會給出的純水介電常數與溫度對應數值關系的參考標準[6]，可以得到純水介電常數、純油介電常數與溫度趨勢圖，如圖1所示。

圖1 不同溫度下純水、純油介電常數趨勢圖

（2）電導率和礦化度的影響。油田井下的水中含有礦物鹽，不同地區的礦化度差異很大，礦化度的變化會導致介質的介電常數、電導率等發生相應變化，從而引入含水率測量誤差。主要表現在兩個方面：隨著礦化度的增加，原油的電導率會增大，對相位常數的影響也逐漸增大，造成基于相位常數測量的相位偏移誤差變大；原油中含有的礦物質會導致油水混合液體內陽離子和陰離子的化合價發生變化，使原油的混合介電常數發生變化，導致原油含水率監測值誤差增大[7-8]。

2.2 監測原理因素解決對策

2.2.1 溫度因素的對策

通過對圖1中的數據用最小二乘法進行擬合處理，可以得到介電常數與溫度的關系式：

式中，A與b是常數，通過大量實驗發現A=87.853 1，b=0.004 5時，介電常數的測量精度較高，在0～100 ℃范圍內，誤差小于0.03。可以在含水率監測儀中增加溫度傳感器模塊，輔助測量原油溫度，并根據現場實際環境的溫度變化，按照式（5）對溫度進行補償和實時修正。

定期校對含水率監測儀，對新安裝的含水率監測儀對照人工化驗的數據進行校驗，進一步保證原油含水率測量的需求。當氣候變化溫度較低時，對儀器采取相應的保溫措施，保障儀器可靠運行。

2.2.2 礦化度影響的對策

在傳感器導體外側鍍一層介電常數較大的絕緣材料，這樣微波在原油中傳播時，由于介質的絕緣效果，能大幅度降低原油電導率的影響，電阻率對相位偏移系數的影響可以忽略不計。

由于礦化度和地域有關，定范圍內井下的礦化度變化較小，為減小由礦物質帶來的誤差，在含水率監測儀安裝后，按照實際應用狀態進行人工取樣化驗，對含水率儀進行地域性實驗標定，對相關參數進行修正，從而提高測量精度。

2.3 監測儀器因素

2.3.1 監測儀器因素影響分析

微波傳感器作為測量微波信號的幅度衰減和相位變化量，并實現含水率相關參數測量的關鍵器件，在微波法含水率監測過程中起著決定性的作用。但由于井場實際工作環境比較復雜，溫度變化、壓力變化及腐蝕性氣體都會嚴重影響微波傳感器的靈敏度，導致無法準確測量微波的相位移量，影響測量結果的準確性。

天線是含水率監測儀的重要組成部分，負責微波信號的處理。傳統的單根天線及電流互感器測量原油含水率時，因測量過程中采集的電壓及電流的變化無固定的參考值，因此會給測量結果帶來偏差。實驗及現場應用表明，在監測儀中安置兩根天線分別進行微波信號的收發，能提高微波法測量含水率的準確性。但當兩天線的間距較小時，兩者之間會存在交變的電場，導致天線之外幾乎無能量輻射，嚴重影響天線的效率，進而影響到原油含水率測量的可靠性。

2.3.2 監測儀器因素解決對策

微波傳感器影響的對策。現有的做法是在微波傳感器的外表面鍍一層薄薄的導電率足夠小而介電常數足夠大的絕緣材料，例如聚四氟乙烯，它是一種具有穩定物理及化學特性以及較好耐腐蝕性和耐熱性的絕緣材料，不僅能夠最大限度避免出現傳感器的腐蝕現象，同時還能降低原油對傳感器的黏性，確保微波傳感器對相位移量測量的靈敏度和準確度。

天線影響的對策。采用雙天線結構的傳感器作為測量原油混合介電常數的傳感器，發射天線發出特定頻率的微波信號，一路在原油中傳播，一路為接收天線提供穩定的相位參考值，以確保原油混合介電常數測量的準確性，進而確保原油含水率測量的準確性。測量模型如圖2所示。

圖2 原油含水率測量模型

根據油田輸油管道的實際尺寸，適當增大發射天線和接收天線之間的間距，在確保微波信號輻射質量的同時減小兩天線之間的相互耦合和微波的多次反射。當導線的長度L與波長接近時，導線上的電流輻射場將大大增強。選擇合適的天線長度，根據天線相關理論可知[10]，當天線的長度為微波工作頻率對應波長的1/4時，天線在原油中的輻射效率最高。為天線外圍涂覆一層聚四氟乙烯材料，保障發射天線的輻射穩定性和接收天線的接收穩定性，從而確保天線能夠高效率工作，提高原油含水率測量的可靠性。

2.4 油井井況因素

2.4.1 油井井況因素影響分析

由于油田現場環境及井況的復雜性，在含水率監測過程中，測量精度會受到不同的影響。為提高測量的穩定性和可靠性，對油井井況影響因素的分析必不可少。含水率監測儀井口安裝結構如圖3所示。

圖3 含水率監測儀井口安裝結構

乳化度及流態影響。不同井口或不同階段，在原油開采的中后期，原油的含水率非常高，此時油水已經不能充分乳化，導致開采的原油中存在大量的游離水。油水在管道中的流態處于一種非定流態，油和水的分布極不均勻，給測量帶來了極大困難。同時也會導致人工取樣的誤差明顯增大，不利于含水率的化驗，給后期含水率監測儀的標定帶來影響。

伴生氣影響。若原油中含有大量的伴生氣，在含水率的測量過程中氣體會以氣泡的形式存在，由于氣體的介電常數很小，會改變原油的等效介電常數，從而導致含水率的測量值偏低，含水率誤差增大。

原油結蠟影響。對于稠油、凝油和疏松砂巖油藏，這類油田的原油粘度大，結蠟現象比較嚴重。監測儀中的微波傳感器在長時間運行后出現嚴重的結蠟結垢現象，會降低微波傳感器的靈敏度，嚴重影響測量效果。

2.4.2 油井井況因素解決對策

原油乳化度及流態影響的對策。目前，國內外尚無有效的辦法消除高含水原油含水率測量過程中因乳化不均勻、液體非均勻流動帶來的影響。相關研究表明，在油田實際原油含水率測量過程中，向含水率監測儀中加入整流器，可以使得原油在管道中的流態處于相對穩定的狀態，不僅能夠有效提高含水率監測的可靠性和穩定性，同時也能夠提高人工取樣和化驗的準確性。

伴生氣影響的對策。單一的微波法不能實現含水率在線測量的含氣率實時修正，因此采用兩種不同的方法實現修正，如采用微波法測量含水率，采用電導法測量含氣率，對原油含水率在線測量的含氣率進行實時修正，提高測量的準確性。

結蠟影響的對策。針對開采原油粘度比較大和結蠟比較嚴重的油井，為有效消除結蠟結垢對含水率監測儀的影響，應定期用清蠟劑對含水率監測儀進行清洗和維護。

3 結 語

微波法含水率監測儀是原油含水率實時動態監測的有效方法，但油井現場的實際生產流程及現場環境比較復雜，微波法實時動態監測含水率的準確性和可靠性會受到很多因素的影響。

微波法監測原油含水率的監測原理、含水率監測儀、油井井況等因素是影響監測結果準確性和可靠性的主要因素。可通過在監測儀中加入溫度補償、優化天線結構化設計、在傳感器及天線外側鍍一層電導率足夠小，介電常數足夠大的絕緣材料，定期對監測儀進行維護等對策，以最大限度減小和消除這些因素對微波法測量含水率的影響，有效提高微波監測原油含水率的精度。