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★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取樣，室內試驗檢測手段，不僅耗時費力，且數據的實效性及準確度受到客觀條件的影響均存在不確定性。隨著國內大部分主力油田進入開發中后期，市場上多數含水率檢測裝置已經無法實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，通過硬件與算法的有效結合，設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構和微波檢測法，將流體性質和管內積蠟、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”，甚至各種流態下都不會影響含水率的準確性，使測量精度達到5%以內。該新型含水儀量產后，將大幅度降低國內油田對國外在線含水儀的依賴，為油田節約相關采購成本，解決業內多數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生產的重要參數之一，及時準確地掌握油井含水率變化，對于油井的動態分析、工作制度調整及生產管理非常重要^[1、2]。隨著國內主要油田逐步進入開發后期，原油產量持續走低、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采集原油試樣，送達油田實驗室由化驗員進行試驗分析，對于偏遠采油廠整個過程需要幾天的時間。該工藝存在著三個缺點：第一，需要的采油工、化驗員等一眾人員，檢驗周期長，可謂耗時耗力；第二，常規單井井口取樣，含水率檢測存在空檔期，無法實現數據實時監測與傳輸，導致油井生產情況和油藏動態信息無法及時掌握；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，實驗室位置，測試儀器設備精度，化驗人員經驗等影響，無法保障數據的精確度和準確性^[5、6、7]。因此，針對行業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原油含水率檢測儀是目前一項科研重點工作。

2 研究現狀

目前，國內外現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、流速、壓力、礦化度等影響較大，現有的原油含水率檢測技術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際值的誤差較大。

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

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相應下降，傳播過程中消耗的能量就會提高，這樣傳導到接收端時，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、井筒及管線的垢蠟問題影響均非常小，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中的傳輸能量變化，對頻率和功率等參數的變化進行分析和計算，再將微型信號進行多倍放大，最后通過獨特的數學模型迭代計算，準確測得油氣水多相流介質中的水含量。

4 裝置結構及功能

4.1 硬件結構

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，利用微波效應實現管外無接觸測量，流量范圍寬，將流體性質和管內積蠟、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”，甚至各種流態下都不會影響測量精度。

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

新型在線原油含水率檢測儀，通過微波探測的方法實時獲取原油中的含水情況，取得的數據通過無線傳輸方式發送到井場附近的接收設備。設置在油田后線辦公區的工作站，通過訪問服務器可以實時獲取含水數據，如需查詢歷史數據也可訪問歷史數據庫，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 主要技術參數指標

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，滿足了國內多數油田開發后期高含水情況下，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總線方式進行通訊，產品具有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，無奇偶校驗。每次修改波特率后需要重新啟動儀表。采用標準的MODBUS RTU協議，使用04功能碼，數據分配地址見表1。

通過組態軟件實現工藝流程圖，支持按時間查詢歷史曲線，顯示當前含水曲線；可選定任意時間段，查詢該段時間平均含水率。

表1 數據分配地址表

當在線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，含水率檢測儀開始對原油含水率進行檢測，并將檢測及計算得到的含水率數據發送到顯示器，將數值展示出來。

7 應用前景分析

新型原油在線含水檢測儀的研發成功填補了國內的技術空白，實現了國外設備的替代，化解了國外設備水土不服且售價高昂的問題，有效解決了國內高含水油田含水率檢測誤差大的技術瓶頸。

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3.7萬美金^[9]。新型在線含水儀實現量產后，成本將大幅下降。

隨著國內油田逐步進入高含水階段，以大慶、長慶、新疆、勝利為代表的重點油田對含水儀的需求日益增加，按國內重點油田現有總油井數10萬口計算，預計產生經濟效益近十億元，推廣前景良好。

8 結論

（1）隨著國內主力油田逐漸進入開發后期，原油含水逐漸升高，現有含水率檢測技術已不再適用高含水條件下的準確檢測，導致檢測結果與實際情況誤差較大，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計基于微波法的檢測原理，利用傳感器及數字技術實現原油含水率的在線實時檢測及數據傳輸，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間，實現數據的連續監測，為油藏動態及單井生產管理提供了可靠依據。

（3）新型在線原油含水檢測儀的問世，將大幅度降低國內油田對國外在線含水儀的依賴，為油田節約相關采購成本，解決業內多數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，主要從事油氣物聯網科研管理工作。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2022年11月刊