★王艳云，刘淼，高亮，张慧英，陈冰（中国石油昆仑数智科技有限责任公司，北京102206）

摘要：传统的原油含水检测工艺采取人工井场取样，室内试验检测手段，不仅耗时费力，且数据的实效性及准确度受到客观条件的影响均存在不确定性。随着国内大部分主力油田进入开发中后期，市场上多数含水率检测装置已经无法实现高含水条件下精准测量的要求。本次研究以微波法的测量原理为理论依据，通过硬件与算法的有效结合，设计研制出新型在线原油含水检测仪。该新型在线原油含水检测仪采用旁通加排气结构和微波检测法，将流体性质和管内积蜡、腐蚀等影响降至最低，将含水率测量范围提升至0~100%，无论是低含水时的“油包水”还是高含水下的“水包油”，甚至各种流态下都不会影响含水率的准确性，使测量精度达到5%以内。该新型含水仪量产后，将大幅度降低国内油田对国外在线含水仪的依赖，为油田节约相关采购成本，解决业内多数含水仪在高含水油田检测精度低的瓶颈问题，推广前景巨大。

关键词：原油含水率；在线含水仪；微波吸收法；降本增效

1 引言

原油含水率是油田开发生产的重要参数之一，及时准确地掌握油井含水率变化，对于油井的动态分析、工作制度调整及生产管理非常重要^[1、2]。随着国内主要油田逐步进入开发后期，原油产量持续走低、综合含水量不断上升，准确的含水率数值为准确获得油田产量提供重要依据^[3、4]。

目前，室内蒸馏化验方法仍然是国内油田最常用的原油含水率分析方法，具体步骤为采油工现场采集原油试样，送达油田实验室由化验员进行试验分析，对于偏远采油厂整个过程需要几天的时间。该工艺存在着三个缺点：第一，需要的采油工、化验员等一众人员，检验周期长，可谓耗时耗力；第二，常规单井井口取样，含水率检测存在空档期，无法实现数据实时监测与传输，导致油井生产情况和油藏动态信息无法及时掌握；第三，含水率检测数值误差大，现有室内试验检测方法容易受到运输距离，实验室位置，测试仪器设备精度，化验人员经验等影响，无法保障数据的精确度和准确性^[5、6、7]。因此，针对行业内原油含水率检测现状，研究并设计出测量精度较高的在线原油含水率检测仪是目前一项科研重点工作。

2 研究现状

目前，国内外现场使用的在线含水检测分析仪种类繁多，常用的原油含水检测及分析方法包括：γ射线法、密度法、微波（短波）吸收法、电容法、射频法等。

原油含水率检测受温度、油水流态、流速、压力、矿化度等影响较大，现有的原油含水率检测技术存在着许多缺陷和制约，给测量带来较大误差。随着我国大部分油田逐步进入中、高含水期，对原油含水率检测的准确度要求愈加迫切随着原油含水的逐渐升高，现有的含水率检测设备在高含水条件下检测结果与实际值的误差较大。

因此，在当前的原油含水率测量仪器和装置难以达到油田开采现场对原油含水率准确测量的要求的大背景下，对在线智能化含水率检测技术提出了更高的要求。

3 工艺原理

常温下油与水之间的损耗因子差异及介电常数间的差异均很大，损耗因子分别为0.004和29，介电常数分别为2和80^[8]。原油中含有的水量越高，微波在油水混相中传播的速率就会相应下降，传播过程中消耗的能量就会提高，这样传导到接收端时，检测到电流信号就相应变小，由此可以根据电流变化计算得到相应的原油含水率^[8]。

微波法测量通常是管外测量，油水混合物不接触测量元件，温度、矿化度、井筒及管线的垢蜡问题影响均非常小，因此得到含水率数值较为准确。本次新型在线原油含水率检测仪也是利用微波测量原理，通过分析计算微波信号在油水混合介质中的传输能量变化，对频率和功率等参数的变化进行分析和计算，再将微型信号进行多倍放大，最后通过独特的数学模型迭代计算，准确测得油气水多相流介质中的水含量。

4 装置结构及功能

4.1 硬件结构

新型在线原油含水率检测仪由三大部分组成，分别是传感器部分、延长管部分和数据显示部分，如图1所示。

由于独特的结构设计，利用微波效应实现管外无接触测量，流量范围宽，将流体性质和管内积蜡、腐蚀等影响降至最低，无论是低含水时的“油包水”还是高含水下的“水包油”，甚至各种流态下都不会影响测量精度。

图1 新型含水仪结构图

4.2 电路结构

设备主要电路系统由多个电路板构成，包括主板、高频板及通讯电源板。电路结构总体框架图如图2所示。

（1）主板包括CPU、显示器及按键等，用于处理数据和用户交互；

（2）高频板主要用于微波信号处理；

（3）通讯电源板主要用于电源输入和信号输出。

图2 电路结构总体框架图

4.3 主要功能

新型在线原油含水率检测仪，通过微波探测的方法实时获取原油中的含水情况，取得的数据通过无线传输方式发送到井场附近的接收设备。设置在油田后线办公区的工作站，通过访问服务器可以实时获取含水数据，如需查询历史数据也可访问历史数据库，做到了数据的精确查找和全程记录。对于偏远荒漠、高寒地区等人工井口取样较困难的油田，可以完全替代人工采样化验的工作，大幅度降低人工和化验成本，并提高含水检测效率。

5 主要技术参数指标

新型在线含水检测仪能够满足温度为0℃~85℃原油的含水检测，工作温度范围：-20℃~85℃，压力范围：0MPa~5MPa，覆盖了国内大部分油田的需求。

含水测量范围为0~100%，含水测量准确度±3%，流量范围为5~240m³/d，满足了国内多数油田开发后期高含水情况下，对原油含水检测精度的要求。

6 数据采集与传输

工艺设备采用RS485总线方式进行通讯，产品具有RS485通讯接口，串口设置固定为：波特率根据设置，数据位8，停止位1，无奇偶校验。每次修改波特率后需要重新启动仪表。采用标准的MODBUS RTU协议，使用04功能码，数据分配地址见表1。

通过组态软件实现工艺流程图，支持按时间查询历史曲线，显示当前含水曲线；可选定任意时间段，查询该段时间平均含水率。

表1 数据分配地址表

当在线原油含水率检测仪接收到读取数据的命令后，内部运算如图2。此时，含水率检测仪开始对原油含水率进行检测，并将检测及计算得到的含水率数据发送到显示器，将数值展示出来。

7 应用前景分析

新型原油在线含水检测仪的研发成功填补了国内的技术空白，实现了国外设备的替代，化解了国外设备水土不服且售价高昂的问题，有效解决了国内高含水油田含水率检测误差大的技术瓶颈。

Roxar仪器公司研制出的原油微波含水率检测仪，含水率测量范围仅为0~60%，售价高达3.7万美金^[9]。新型在线含水仪实现量产后，成本将大幅下降。

随着国内油田逐步进入高含水阶段，以大庆、长庆、新疆、胜利为代表的重点油田对含水仪的需求日益增加，按国内重点油田现有总油井数10万口计算，预计产生经济效益近十亿元，推广前景良好。

8 结论

（1）随着国内主力油田逐渐进入开发后期，原油含水逐渐升高，现有含水率检测技术已不再适用高含水条件下的准确检测，导致检测结果与实际情况误差较大，急需开展高精确性含水检测仪的研究。

（2）本次新型在线原油含水检测仪的设计基于微波法的检测原理，利用传感器及数字技术实现原油含水率的在线实时检测及数据传输，取代了传统人工取样、室内化验的方式，大幅度压缩了劳动力成本，提高了检测结果的精度，更重要的缩短了含水率数据检测的间隔时间，实现数据的连续监测，为油藏动态及单井生产管理提供了可靠依据。

（3）新型在线原油含水检测仪的问世，将大幅度降低国内油田对国外在线含水仪的依赖，为油田节约相关采购成本，解决业内多数含水仪在高含水油田检测精度低的瓶颈问题，推广前景巨大。

作者简介:

王艳云（1980-），女，山东人，工程师，硕士，现就职于中国石油昆仑数智科技有限责任公司，主要从事油气物联网科研管理工作。

参考文献：

[1] 马文涛, 郭文阁, 雍振, 张旋. 原油含水率测量技术综述[J]. 重庆科技学院学报(自然科学版), 2016, 18(03) : 46 - 49.

[2] 张勇军, 庄欣莉, 宋佳民. 基于优化神经网络预报的原油含水率测量[J]. 系统工程理论与实践, 2011, 31(06) : 1112 - 1117.

[3] 毛晨伟, 郭洋. 油水混合物含水率在线检测技术最新研究进展[J]. 当代化工研究, 2019 (03) : 37 - 38.

[4] 吴国忠, 穆磊, 张永攀. 无密度影响的微波测试原油含水率理论分析[J]. 油气田地面工程, 2009, 28(10) : 30 - 31.

[5] 高国旺, 王永超, 贾惠芹, 韩宏军, 孙娅娅. 一种高精度原油含水率在线测量系统的研究[J]. 国外电子测量技术, 2018, 37(08) : 62 - 66.

[6] 高宝元. 原油含水分析仪在线检定装置研发及应用[J]. 石油化工自动化, 2018, 54(3) : 54 – 57.

[7] 王国庆, 张健. 原油含水分析仪技术发展现状[J]. 油气田地面工程, 2004, 23(5) : 33.

[8] 成慧敏. 油井在线含水率自动检测仪的研究[D]. 西安: 西安石油大学, 2019.

[9] 于海丽. 原油含水测量中含水分析仪的应用研究[J]. 中国市场, 2016, (2) : 52 - 53.

摘自《自动化博览》2022年11月刊