油井含水在線測量技術的研究進展

張紫琴1，檀朝東1，吳浩達，宋健

(1.中國石油大學(北京)，北京，102249；2.北京雅丹石油技術開發(fā)有限公司，北京，102200)

引言

油井是油田開發(fā)最重要的基本生產(chǎn)單元。油井含水率的在線準確計量對于確定油井出水、出油層位、估計原油產(chǎn)量、預測油井的開發(fā)壽命、油井的產(chǎn)量質(zhì)量控制、油井狀態(tài)檢測、數(shù)字化油田建設等具有重要意義。目前，原油含水率檢測有X射線、γ射線、α射線、超聲波、微波、電容、射頻等各種不同的測量原理和方法，但是由于現(xiàn)場環(huán)境復雜以及井口油氣水多相流的復雜性，這些測量方法受流體溫度、流態(tài)、原油物性、傳感器特性等多種因素影響，能夠運用到油井的原油含水率的測量儀器還是不多，在性價比、全程測量、安全環(huán)保、穩(wěn)定性、測量精度等方面存在著諸多問題[1]，目前很多油田油井含水仍然采用人工現(xiàn)場逐井錄取的方法，耗時耗力。近年來，許多學者為滿足現(xiàn)場含水率檢測要求，做了許多的研究工作并取得成果。本文對近年來油井含水率在線檢測技術的研究進展和發(fā)展方向進行論述。

1 油井含水在線檢測基本方法

目前，比較成熟的油井含水率在線測量儀原理大都是基于油水混合物的物性機理特性[2]，包括密度法，γ射線衰減法、電磁波法(微波、短波)、近紅外光譜吸收法、電容法、射頻法等。

1.1密度法

利用油水密度的差異特性，先通過實驗給出油和水的密度值，再通過壓力傳感器測試原油的差壓并計算原油的密度，最后計算原油的含水率。張貴林通過對簡單的相對誤差分析，在高含水階段，油的密度變化造成的誤差小，故密度法適用于高含水率的測量[3]。密度法測含水存在“氣增油”、“砂吃油”、“垢減油”等現(xiàn)象，對于“氣增油”，可通過實驗標定然后通過軟件修正來減小溶解氣給測量帶來的誤差。

1.2γ射線衰減法[4][5]

以雙能級能源射線衰減為基本原型，其原理是基于γ射線穿過不同油水比的流體管道時能量衰減程度不同。采用γ射線衰減法能夠測量任何油水比的情況,并且可以實現(xiàn)在線實時的非介入式測量。其缺點主要表現(xiàn)在放射源的隨機性與礦化物質(zhì)的敏感性，影響其測量精度，并且存在放射性，安全要求高，價格昂貴。目前國內(nèi)外有眾多能夠應用到生產(chǎn)現(xiàn)場的原油含水測量儀，基于射線法的原油含水率測量技術的成品較少，國內(nèi)有西安斯坦公司、蘭州柯慶公司生產(chǎn)，美國DE公司研制生產(chǎn)CM-3智能含水分析儀等。

1.3電磁波法(微波、短波)

將電能以電磁波的形式輻射到介質(zhì)，根據(jù)油、水對短波或微波的吸收能力不同來測量油中水的含量。利用微波進行水分測量的優(yōu)點是操作簡單，測量精度高，測量范圍廣，可以實現(xiàn)在線連續(xù)測量，在測量中不易受到物質(zhì)的結(jié)構等的影響，可靠性好，抗干擾能力強，因此有著極其廣闊的應用前景。生產(chǎn)基于微波法的原油含水率測量系統(tǒng)的國外公司有挪威Roxar公司、美國的Phrase Dynamic公司，日本生產(chǎn)的SK-100型原油含水測定儀采用高頻電磁波感應式測量技術，儀器檢測范圍大，分辨率高，<0.01%。國內(nèi)生產(chǎn)的YSH-ZB型原油含水測量儀屬于高頻電磁波在線原油含水率測量儀，測量范圍是0～99%；采用短波法的有SH-JK-1型短波射頻井口遠傳含水量計量系統(tǒng)；YS系列原油含水儀短波法，可以在0～100%量程內(nèi)測量管輸流體的含水率。

1.4近紅外光譜法

由于原油成分中的C-H、N-H等和水分子對近紅外光的吸收頻率不同，在測得的近紅外光譜圖中，提取對水分吸收敏感的特定波長，通過監(jiān)測經(jīng)過流體的投射光強隨含水率的變化情況，得到對應的含水率。王進旗等人基于近紅外光譜吸收原理和光纖傳感器技術提出用于原油低含水率測量系統(tǒng),具有綠色快速檢測、抗電磁干擾、儀器小型化等優(yōu)勢, 應用于體積含水率 0 %～ 5 %的測量范圍內(nèi),取得較好的測量精度[6]。

1.5電容法

電容法是建立在油水介電常數(shù)差異較大的基礎上的，常溫下，水的介電常數(shù)為2.3左右，而原油的介電常數(shù)為80左右。當含水率不同的流體流過電容的兩電極時，電極間介質(zhì)的介電常數(shù)就會發(fā)生變化，導致電容值發(fā)生變化，通過檢測電路將電容值的微小變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，由于原油乳化液的介電常數(shù)是含水率的函數(shù)，從而實現(xiàn)了原油含水率的檢測[7]。采用電容法的產(chǎn)品主要有加拿大滌塔公司的滌塔分析儀和國內(nèi)的YSG-74型原油含水分析儀，其中滌塔含水分析儀是最具代表性的產(chǎn)品。

1.6射頻阻抗法

水和油兩者的介電常數(shù)相差很大，因而所呈現(xiàn)的射頻阻抗特性差異也很大。當射頻信號經(jīng)天線傳到以油水混合液為介質(zhì)的負載時，該負載阻抗隨著混合液中不同的油水比而變化，通過電流互感器，檢測出由阻抗變化引起的電流變化，從而測出原油含水率。黨占榮等研究通過結(jié)合射頻法及電磁衰減法，建立基于射頻幅值法的原油含水率測量系統(tǒng)，消除傳統(tǒng)方法測量范圍有限、不連續(xù)測量的缺點，適用于測量我國現(xiàn)階段高含水油田的產(chǎn)出液含水率。設計已在油田生產(chǎn)中投入使用[8，9]。

2 原油含水率測量主要影響因素

井口油氣水多相流屬于一個復雜的非線性耗散動力系統(tǒng)，其含水率的動態(tài)檢測過程是一個受多種因素影響且相互作用的非線性問題，這使得各測量方法和儀表運用的效果都不好，影響因素主要包括這幾個方面原油介質(zhì)、工況條件、測量技術原理、測量儀表等，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

(1)原油成分變化對測量的影響。原油中的氣體、礦化物質(zhì)、油品成分的變化，這些因素都對原油的物性參數(shù)包括粘度、密度、介電常數(shù)帶來很大變化，使得各種測量原理方法精度和量程大大降低。如1%的礦化度變化會給油水比率的測量帶來百分之十幾的影響。

(2)溫度、壓力等環(huán)境因素。油和水的介電常數(shù)受溫度影響很大，不同品種原油的溫度系數(shù)也不同。測量環(huán)境與標定條件不同，儀表必須采用在線溫度和壓力補償，否則結(jié)果誤差非常大甚至出現(xiàn)錯誤。

(3)流態(tài)變化的影響。油水混合狀態(tài)復雜，出現(xiàn)油包水和水包油的狀態(tài)，發(fā)生箱變，連續(xù)介質(zhì)從水變?yōu)橛?，測量模型不適用，造成結(jié)果誤差大。

(4)測量儀表問題。測量模型不完善，常用一種模型來解釋全部的情況。儀表存在零漂、溫漂和長時間漂移的問題。

3 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的檢測方法

鑒于上述不同測量方法存在的各種問題，為了提高儀表測量的準確性、穩(wěn)定性，學者們以現(xiàn)有檢測手段為支撐, 將各種測試技術、數(shù)據(jù)融合方法、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等新技術引入到原油含水率在線測量的研究中，為了把含水率檢測的各種影響因素考慮進去，形成基于多傳感器數(shù)據(jù)融合模型和檢測方法。

多傳感器數(shù)據(jù)融合是指對不同知識源和傳感器采集的數(shù)據(jù)進行融合以實現(xiàn)對觀測現(xiàn)象更好地理解，可以提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，增加數(shù)據(jù)的可信度[10]。在通過各種測試方法得到各類傳感器信號，如差壓、射頻、電容、溫度等，融合這些信息建立模型，數(shù)據(jù)分析得到可靠的含水率。大致可分為兩類，第一類為運用上述原油含水率檢測方法中一種，如電容法，然后把其影響因素如溫度、礦化度等其他因素考慮進去，進行數(shù)據(jù)融合；第二類為，結(jié)合兩種檢測方法，如把電容法和密度法檢測的含水率信號結(jié)合，再考慮其他影響因素，然后進行數(shù)據(jù)融合。由于實際工況含有噪聲，信號波動大，進行數(shù)據(jù)融合前，首先要進行去噪處理，獲得信號的真實特征[11]，運用到的方法有EMD去燥法、小波去噪等。

(1)運用神經(jīng)網(wǎng)絡進行多傳感器數(shù)據(jù)融合。張博運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡把電容傳感器和電導傳感器以及溫度傳感器數(shù)據(jù)進行融合，在原油含水率測量的數(shù)據(jù)處理中達到了預期的目標[12]。王麗娜利用同軸線作為測量傳感器裝置，同軸線相位法，根據(jù)其內(nèi)部數(shù)據(jù)的相似性進行聚類，分為低含水段、中含水段和高含段，以含水傳感器和流量傳感器數(shù)據(jù)為基礎建立基于CPN神經(jīng)網(wǎng)絡的原油含水率預測模型，并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡法進行了比較，使用效果更好[13]。張冬至采用多傳感器對水分、溫度、礦化度進行測量或標定，采用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡方法以消除多因素的影響，提高測量精度[14]。

(2)多維回歸分析方法。張冬至[15]用于多源測量信息的融合，使含水率測量數(shù)據(jù)更趨于合理，有利于研究溫度、礦化度對含水率測量的影響關系，為克服溫度、礦化度對系統(tǒng)的影響提供了依據(jù)。左芳君[16]在傳統(tǒng)電容式水分傳感器的基礎上，對溫度傳感器數(shù)據(jù)和電容傳感器電壓運用曲面擬合算法建立被測目標與傳感器輸出量之間的關系，由采集的數(shù)據(jù)計算出當方差誤差最小時的回歸方法的系統(tǒng)。

(3)基于支持向量機的多傳感器數(shù)據(jù)融合。李志明[17]基于電導法工作原理，深入分析了原有估算方法準確度不高的原因,提出了采用軟測量方法提高估算準確度的思想。建立了基于SVM的原油含水率軟測量模型,仿真結(jié)果表明了軟測量技術對提高原油含水率估算準確度的有效性。

(4)多種數(shù)據(jù)模型對比研究。胡學濤[18]對近紅外光譜法縱向測量所得的光譜數(shù)據(jù)，分別用偏最小二乘法(PLS)和支持向量機(SVM)兩種方法進行建模分析，通過多個指標、和驗證集樣品的預測值進行分析可以看出，支持向量機的預測效果要略優(yōu)于偏最小二乘法的預測效果，后續(xù)可針對兩種建模方法進行比較研究。

4 結(jié)束語

油井油液的含水率是石油生產(chǎn)中的一個重要參數(shù)，及時、準確的測量對提高采油生產(chǎn)效率具有重要的意義。近年來，油井含水率在線檢測技術的研究和應用也得到了越來越廣泛的重視。但是由于受到很多因素的影響，原油含水率的準確測量仍然是一個世界難題。通過各種測試方法得到油井傳感器測量信號，如差壓、射頻、電容，溫度等，對這些信息進行融合建立模型，應用數(shù)據(jù)分析算法可以獲得可靠的含水率。把傳感器融合技術、數(shù)據(jù)處理等技術引入到含水率的在線測量當中，提高測量精度與穩(wěn)定性，將有力推動油井含水在線測試技術發(fā)展，滿足數(shù)字油田建設需要。