井口原油含水率在線直測(cè)裝置研發(fā)及應(yīng)用

于洋，田殿龍，李珍，程世東，黃天虎，樊晨

(長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院 低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

原油含水率既是油井重要的油藏?cái)?shù)據(jù)，也是重要的生產(chǎn)參數(shù)，對(duì)于確定出水、出油層位,預(yù)估產(chǎn)量，預(yù)測(cè)油井的開(kāi)發(fā)壽命以及油田的產(chǎn)量和質(zhì)量控制，油井狀態(tài)檢測(cè)，降低成本具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

某油田開(kāi)發(fā)逐漸步入中后期，部分油井因含水率上升已接近經(jīng)濟(jì)開(kāi)采極限，需要及時(shí)掌握這部分油井的含水率變化，制訂合理的開(kāi)采方案。但在含水率計(jì)量方面，該油田仍采用人工定期取樣化驗(yàn)的方法，該方法誤差大、效率低、實(shí)時(shí)性差，為解決這些弊端，研發(fā)了一種基于電磁波透射法的井口原油含水率在線直測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了井口原油含水率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該裝置的使用可大幅減少人工井口取樣化驗(yàn)次數(shù)，減少現(xiàn)場(chǎng)人員和車輛的動(dòng)用次數(shù)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、安全風(fēng)險(xiǎn)及生產(chǎn)成本，提升油田生產(chǎn)管理數(shù)字化、精細(xì)化水平。

1 電磁波透射法測(cè)量含水率原理

根據(jù)電磁波的物理特性，同一強(qiáng)度的電磁波通過(guò)不同介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)所吸收的電磁波的強(qiáng)度是不同的，吸收多少可用電磁波吸收度A來(lái)表示：

(1)

式中：I0——入射電磁波強(qiáng)度；I——透射電磁波強(qiáng)度；μ——吸收常數(shù)，與入射電磁波強(qiáng)度及通過(guò)的介質(zhì)有關(guān)；c——介質(zhì)濃度；l——介質(zhì)厚度。

對(duì)于油、氣、水混合介質(zhì)，則有

(2)

2 裝置結(jié)構(gòu)及工作流程

井口原油含水率在線直測(cè)裝置由測(cè)量傳感器和分析處理單元組成。測(cè)量傳感器主要由探頭、射頻信號(hào)發(fā)生器和接收器構(gòu)成；分析處理單元主要由室外防爆接線箱內(nèi)的中心處理器、A/D數(shù)據(jù)采集芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、通信接口和嵌入式軟件構(gòu)成。井口原油含水率在線直測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井口原油含水率在線直測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意

測(cè)量傳感器垂直安裝到輸油管線三通處，探頭充分沒(méi)入原油，并向原油中發(fā)射由射頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的恒幅穩(wěn)頻電磁波，透過(guò)原油的電磁波強(qiáng)度隨水的體積分?jǐn)?shù)變化而變化，變化的電磁波信號(hào)被射頻信號(hào)接收器接收，經(jīng)信號(hào)放大運(yùn)算電路及信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后轉(zhuǎn)換成為電流信號(hào)。直測(cè)裝置的分析處理單元安裝在井場(chǎng)室外防爆箱內(nèi)，測(cè)量傳感器處理后的電流信號(hào)先由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)中心處理器綜合處理、通信接口轉(zhuǎn)換為RS-485信號(hào)后，由井場(chǎng)RTU傳輸至站內(nèi)中控系統(tǒng)，由系統(tǒng)處理后進(jìn)行含水率數(shù)值顯示。井口原油含水率在線直測(cè)裝置的信號(hào)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(cè)裝置數(shù)據(jù)處理流程示意

3 裝置的先進(jìn)性

1) 探頭采用流線型幾何形狀設(shè)計(jì)，保證其能夠與原油充分接觸。考慮到探頭在管線內(nèi)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(shí)探頭中心部位鑲嵌微型加熱管，定時(shí)加熱，有效降低了探頭表面結(jié)垢、結(jié)蠟程度。

2) 射頻信號(hào)發(fā)生器及接收器分別采用JA8和LM124A軍品級(jí)集成電路芯片，工作溫度-55～125 ℃，采樣速率達(dá)到毫秒級(jí)。同時(shí)設(shè)計(jì)了熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，消除了電路元器件溫度漂移帶來(lái)的誤差，提高了測(cè)量精度，保證含水信號(hào)連續(xù)穩(wěn)定的輸出。

3) 分析處理單元中心處理器運(yùn)用AVR單片機(jī)技術(shù)，運(yùn)行效率高；24位無(wú)失碼A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的高精度轉(zhuǎn)換；存儲(chǔ)器采用I2C 兼容的存儲(chǔ)芯片， 內(nèi)部存儲(chǔ)容量1 MB；通信接口采用RS-485總線，傳輸距離遠(yuǎn)，具有防雷及干擾信號(hào)隔離功能。

4) 裝置測(cè)量范圍為含水率0～100%全量程，適用于各類油井；裝置采用測(cè)量傳感器與分析處理單元分離的方式，同一井場(chǎng)多井共用1套數(shù)據(jù)分析處理單元，降低了裝置成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

在某油田某井組5口油井上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，井口取樣共25個(gè)，將該裝置測(cè)量值與人工化驗(yàn)值做對(duì)比，見(jiàn)表1所列，25個(gè)樣本中，絕對(duì)誤差小于5%，即測(cè)量合格的樣本數(shù)為20個(gè)，測(cè)量合格率達(dá)到80%。除井2因含氣量大，井口間歇出液導(dǎo)致測(cè)量精度低外，其他4口井試驗(yàn)效果顯著，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)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(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)油井井口原油含水率人工取樣化驗(yàn)方式存在的諸多弊端，研發(fā)了基于電磁波透射法的井口原油含水率在線直測(cè)裝置，該裝置具備全量程測(cè)量、精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，且受溫度、結(jié)蠟結(jié)垢影響小。通過(guò)近6個(gè)月現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，數(shù)據(jù)反饋表明： 對(duì)于含氣量小的油井，該裝置能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確反映井口原油含水率，

所得數(shù)據(jù)可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)指導(dǎo)。對(duì)于含氣量大的油井，因井口間歇出液，測(cè)量誤差大，測(cè)量結(jié)果無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，需要對(duì)氣體影響做進(jìn)一步優(yōu)化。

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