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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2022）12-075-03中圖分類號：TP29

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

摘要：原油含水率能夠反映出一口油井的生產狀態，是分析儲層生產動態的重要依據，也是調整注水工藝和生產計劃的參考條件。根據含水率的變化對油井生產動態進行及時調整，從而延長油井開發壽命，實現提高油藏整體采收率的目的。從國內油田單井含水檢測的實際需求以及油田的現場工況入手，結合物聯網技術，筆者研發并設計出有較寬的測試范圍及準確的測試結果，費用低廉且擁有含水率自動測量功能的智能檢測系統。該系統在國內M油田Y采油廠開展現場試驗，取得了較好的效果，儀器自動檢測與人工取樣室內化驗結果間平均誤差小于1.75%。此外，智能原油含水在線檢測裝置上線后，可為采油廠年節約取樣及化驗費用近500萬，具備良好的推廣和應用價值。

關鍵詞：物聯網；原油含水率；在線檢測；現場應用；降本增效

傳統原油含水率檢測通常以人工取樣化驗為主，工作量大、費用高，含水率數據上報延誤導致油井生產及油藏開發動態分析不及時，且人工記錄導致數據錯誤的情況時有發生，給油田的高效開發帶來負面影響^[1-3]。此外，原油含水率容易受多個因素影響，各因素的影響又不具備一定的關聯性，目前還無法使用統一的模型或數學公式去表征^[4]；現有含水率測量方法也受到多種干擾因素的影響，常規測量方法已經很難保證測量精度^[4-6]。

在國內油田逐步進入高含水開發后期的大背景下，在開采、油水處理等生產環節，當前的原油含水率測量儀器已難以達到準確測量的要求，現階段對含水率檢測技術手段與智能化提出了更高要求。

1 傳統含水檢測儀技術現狀

蒸餾法、密度法、電容法，微波法射頻法和射線法等原油含水率測量方法是一些常規的方法，其中最常用的方法仍為蒸餾法。主要原因是其測量是通過人工現場取樣，室內化驗，因此測量結果是較為可靠的。然而，人工取樣化驗同樣帶來了采樣周期長、人為影響因素大的問題，測試結果存在一定的隨機性。

隨著傳感器應用技術的發展，在線含水率測量方法應運而生，正逐漸受到業內人士的認可和關注。國內測量原油含水率的檢測產品眾多，其測量產品的加工技術與制造工藝仍存在著一定的差距，測量精度、準確度和測量范圍也有待提高。國外含水率分析儀器性能好，在線校準能力強，但由于儀器結構復雜導致價格昂貴，不適合國內油田高含水階段的含水率檢測實際需要^[7]。

2 新型在線原油含水檢測系統

隨著國內多數油田開發進入中后期階段，含水不斷上升，且石油特性復雜多變，某些油井流體中高含氣和高礦化度，對在線原油含水率檢測精度提出了新的要求。在對標比較國內外含水率計算方案及在線檢測技術的基礎上，結合國內油田中高含水率檢測的實際需要，我們攻關新型含水率計算模型，推出自主研發的微波型含水檢測儀。

微波型原油含水在線分析儀基于高頻微波（300MHz）的原理，通過對射頻信號在油氣水混合介質中的傳輸特性進行建模，分析對比信號頻率、相位和功率的變化，獲得被測介質中含水率。產品可測量全量程含水率（0-99%），適用于高含氣率井況，計量精度受礦化度、積蠟、腐蝕和復雜流體形態影響較小，可以部署在單井、計量間及接轉站等場景。

基于物聯網的實時、準確、可靠的油井含水率在線檢測技術能夠提高含水檢測精度，實時、準確地獲取含水率數據，為準確預測油井的開發壽命和預估產油量提供依據，對提高油井采收率和實現油田穩產具有重大現實意義。

3 技術創新

3.1 新型復雜架構天線設計

由于單井流形流態復雜多變，存在含氣、高礦化度情況，現有含水儀產品適用范圍有限，亟需解決復雜流形流態和高含氣井況下的單井含水計量精度問題。

采用新型復雜架構天線的傳感器，可以有效避免原來的一字型結構傳感器設計遇到的油水分層的影響。新型復雜架構天線可以精確確定油水分層界面，從而對含水率數據進行校正，進而得到更加準確的含水率數據。

3.2復雜流形識別

對于自噴井、抽油機和螺桿泵等單井來說，常見的井內流型包括彈狀流、段塞流和環狀流，通常狀態下幾種流型隨著壓力及產液量的變化而發生交替變化。

對于油井集輸管線來說，氣液兩相流一般有六種流型，如圖1所示。

由于微波檢測具有探頭體積小，適合多層多點同時檢測的特點，因此，通過采用特定的優化算法，實現多相流的流態分析，對各種不同的復雜流形和高含氣率的工況都可以采用不同的校正補償，使得儀器進一步滿足高含氣油井含水率檢測的需要。

圖1 氣液兩相管流形態圖

4 現場應用

4.1 應用場景

國內西北M油田Y采油廠地處沙漠腹地，現有油井1025口，計量站91座。作業地域跨度大，單井布局分散。因自然環境限制，Y采油廠建設初期即采用包含計量站的三站層級管理和人工巡檢相結合的生產管理模式，在自動計量方面大量采用計量站單井量油作為判斷單井生產狀況的主要依據。隨著油田管理模式和生產工藝模式的扁平化要求，單井生產狀況，特別是產出含水狀況的數據獲取方式選擇就顯得尤為重要。智能含水儀在Y采油廠應用的價值在于利用現有計量站倒井計量流程，部署單臺含水儀測試多口單井不同流態和組分環境下的含水率，節省了大量人工和費用。

4.2 倒井檢測計量工藝

M油田針對原油計量所采用的“雙容積式倒井計量”是依托現場計量站內安裝的多通閥，將計量站周圍的多口采油井以管道形式連接至雙容積計量容器；通過現場的RTU控制多通閥的選井，并對計量間內的各類儀表和液位計信號進行接收，計算出各個單井的日產液量。倒井計量工藝示意圖如圖2所示。

4.3 設備運行及維護

Y采油廠某作業區的B計量站采用“雙容積式倒井計量”，對下轄11口單井進行輪換計量。

在數據傳輸方面，智能原油含水分析儀具有RS485接口，可滿足基于Modbus協議的數據傳輸。完成含水儀數據接入現場計量RTU系統的工作后，設備實現了在計量流程中實時查看含水率，以及在計量報表中查看含水率數值的功能。原油含水率實時監測及數據報表如圖3所示。

圖3 原油含水率實時監測及數據報表

在后期維護工作上，因智能原油含水分析儀的工藝設計精巧，內部線路工整，后期維護工作相較于傳統含水分析裝置更加便捷。對于可能出現的一般故障都可以進行快速的排故，最大限度地保障生產運行。含水率在線監測數值與化驗數值比較表如表1所示。

表1 含水率在線監測數值與化驗數值比較表

5 經濟效益評價

以油田每天人工取500個試樣進行效益估算，新型智能含水率分析裝置上線后，每天可節約取樣瓶材料費約400元，每年約15萬元；減少取樣用車4輛，節約費用每年約50萬元；減少井口人工取樣和室內化驗的工作量，減少取樣用工人數20人和含水檢測實驗員10人，減少人力成本每年400萬元。綜合經濟效益近500萬元/年。

6 結論

（1）新型智能原油含水在線檢測分析裝置采用高頻微波測量原理，利用微波信號在不同介質（包括混合介質）中的傳輸特性，對信號頻率、速度和功率等的變化進行分析對比，再經過信號轉換放大處理，最后通過獨特的數學模型處理，準確測得流體中水含量。

（2）產品具有RS485通訊接口，中文顯示，配接觸摸顯示屏，通過組態軟件可實現工藝流程圖，支持按時間查詢歷史曲線，顯示當前含水曲線；也可選定任意時間段，查詢該時間段內平均含水率，實現了智能化及信息化功能。

（3）新型在線含水分析儀在油田得到了較好應用，室內化驗數據平均誤差控制在1.75%以內，實現了原油含水率的在線取樣，并通過數學模型實現了準確計量，不但解決了采油工井口取樣帶來的數據滯后問題，而且減少了實驗室化驗費用，在大幅度降低相關花費的同時為中高含水油田解決了含水率檢測的技術瓶頸，具有良好的推廣價值。

作者簡介：

劉淼（1982-），女，陜西人，高級工程師，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相關科研及產品推廣工作。

參考文獻：

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[3] 于海麗. 原油含水測量中含水分析儀的應用研究[J]. 中國市場, 2016, (2) : 52- 53．

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[6] 王少松, 談得芳. 新型在線含水分析儀在西北油田的應用[J]. 化工自動化及儀表, 2019, (12) : 1051 - 1053.

[7] 成慧敏. 油井在線含水率自動檢測儀的研究[D]. 西安石油大學碩士論文, 2019, 6.

摘自《自動化博覽》2022年12月刊