文献标识码：B文章编号：1003-0492（2022）12-075-03中图分类号：TP29

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

摘要：原油含水率能够反映出一口油井的生产状态，是分析储层生产动态的重要依据，也是调整注水工艺和生产计划的参考条件。根据含水率的变化对油井生产动态进行及时调整，从而延长油井开发寿命，实现提高油藏整体采收率的目的。从国内油田单井含水检测的实际需求以及油田的现场工况入手，结合物联网技术，笔者研发并设计出有较宽的测试范围及准确的测试结果，费用低廉且拥有含水率自动测量功能的智能检测系统。该系统在国内M油田Y采油厂开展现场试验，取得了较好的效果，仪器自动检测与人工取样室内化验结果间平均误差小于1.75%。此外，智能原油含水在线检测装置上线后，可为采油厂年节约取样及化验费用近500万，具备良好的推广和应用价值。

关键词：物联网；原油含水率；在线检测；现场应用；降本增效

传统原油含水率检测通常以人工取样化验为主，工作量大、费用高，含水率数据上报延误导致油井生产及油藏开发动态分析不及时，且人工记录导致数据错误的情况时有发生，给油田的高效开发带来负面影响^[1-3]。此外，原油含水率容易受多个因素影响，各因素的影响又不具备一定的关联性，目前还无法使用统一的模型或数学公式去表征^[4]；现有含水率测量方法也受到多种干扰因素的影响，常规测量方法已经很难保证测量精度^[4-6]。

在国内油田逐步进入高含水开发后期的大背景下，在开采、油水处理等生产环节，当前的原油含水率测量仪器已难以达到准确测量的要求，现阶段对含水率检测技术手段与智能化提出了更高要求。

1 传统含水检测仪技术现状

蒸馏法、密度法、电容法，微波法射频法和射线法等原油含水率测量方法是一些常规的方法，其中最常用的方法仍为蒸馏法。主要原因是其测量是通过人工现场取样，室内化验，因此测量结果是较为可靠的。然而，人工取样化验同样带来了采样周期长、人为影响因素大的问题，测试结果存在一定的随机性。

随着传感器应用技术的发展，在线含水率测量方法应运而生，正逐渐受到业内人士的认可和关注。国内测量原油含水率的检测产品众多，其测量产品的加工技术与制造工艺仍存在着一定的差距，测量精度、准确度和测量范围也有待提高。国外含水率分析仪器性能好，在线校准能力强，但由于仪器结构复杂导致价格昂贵，不适合国内油田高含水阶段的含水率检测实际需要^[7]。

2 新型在线原油含水检测系统

随着国内多数油田开发进入中后期阶段，含水不断上升，且石油特性复杂多变，某些油井流体中高含气和高矿化度，对在线原油含水率检测精度提出了新的要求。在对标比较国内外含水率计算方案及在线检测技术的基础上，结合国内油田中高含水率检测的实际需要，我们攻关新型含水率计算模型，推出自主研发的微波型含水检测仪。

微波型原油含水在线分析仪基于高频微波（300MHz）的原理，通过对射频信号在油气水混合介质中的传输特性进行建模，分析对比信号频率、相位和功率的变化，获得被测介质中含水率。产品可测量全量程含水率（0-99%），适用于高含气率井况，计量精度受矿化度、积蜡、腐蚀和复杂流体形态影响较小，可以部署在单井、计量间及接转站等场景。

基于物联网的实时、准确、可靠的油井含水率在线检测技术能够提高含水检测精度，实时、准确地获取含水率数据，为准确预测油井的开发寿命和预估产油量提供依据，对提高油井采收率和实现油田稳产具有重大现实意义。

3 技术创新

3.1 新型复杂架构天线设计

由于单井流形流态复杂多变，存在含气、高矿化度情况，现有含水仪产品适用范围有限，亟需解决复杂流形流态和高含气井况下的单井含水计量精度问题。

采用新型复杂架构天线的传感器，可以有效避免原来的一字型结构传感器设计遇到的油水分层的影响。新型复杂架构天线可以精确确定油水分层界面，从而对含水率数据进行校正，进而得到更加准确的含水率数据。

3.2复杂流形识别

对于自喷井、抽油机和螺杆泵等单井来说，常见的井内流型包括弹状流、段塞流和环状流，通常状态下几种流型随着压力及产液量的变化而发生交替变化。

对于油井集输管线来说，气液两相流一般有六种流型，如图1所示。

由于微波检测具有探头体积小，适合多层多点同时检测的特点，因此，通过采用特定的优化算法，实现多相流的流态分析，对各种不同的复杂流形和高含气率的工况都可以采用不同的校正补偿，使得仪器进一步满足高含气油井含水率检测的需要。

图1 气液两相管流形态图

4 现场应用

4.1 应用场景

国内西北M油田Y采油厂地处沙漠腹地，现有油井1025口，计量站91座。作业地域跨度大，单井布局分散。因自然环境限制，Y采油厂建设初期即采用包含计量站的三站层级管理和人工巡检相结合的生产管理模式，在自动计量方面大量采用计量站单井量油作为判断单井生产状况的主要依据。随着油田管理模式和生产工艺模式的扁平化要求，单井生产状况，特别是产出含水状况的数据获取方式选择就显得尤为重要。智能含水仪在Y采油厂应用的价值在于利用现有计量站倒井计量流程，部署单台含水仪测试多口单井不同流态和组分环境下的含水率，节省了大量人工和费用。

4.2 倒井检测计量工艺

M油田针对原油计量所采用的“双容积式倒井计量”是依托现场计量站内安装的多通阀，将计量站周围的多口采油井以管道形式连接至双容积计量容器；通过现场的RTU控制多通阀的选井，并对计量间内的各类仪表和液位计信号进行接收，计算出各个单井的日产液量。倒井计量工艺示意图如图2所示。

4.3 设备运行及维护

Y采油厂某作业区的B计量站采用“双容积式倒井计量”，对下辖11口单井进行轮换计量。

在数据传输方面，智能原油含水分析仪具有RS485接口，可满足基于Modbus协议的数据传输。完成含水仪数据接入现场计量RTU系统的工作后，设备实现了在计量流程中实时查看含水率，以及在计量报表中查看含水率数值的功能。原油含水率实时监测及数据报表如图3所示。

图3 原油含水率实时监测及数据报表

在后期维护工作上，因智能原油含水分析仪的工艺设计精巧，内部线路工整，后期维护工作相较于传统含水分析装置更加便捷。对于可能出现的一般故障都可以进行快速的排故，最大限度地保障生产运行。含水率在线监测数值与化验数值比较表如表1所示。

表1 含水率在线监测数值与化验数值比较表

5 经济效益评价

以油田每天人工取500个试样进行效益估算，新型智能含水率分析装置上线后，每天可节约取样瓶材料费约400元，每年约15万元；减少取样用车4辆，节约费用每年约50万元；减少井口人工取样和室内化验的工作量，减少取样用工人数20人和含水检测实验员10人，减少人力成本每年400万元。综合经济效益近500万元/年。

6 结论

（1）新型智能原油含水在线检测分析装置采用高频微波测量原理，利用微波信号在不同介质（包括混合介质）中的传输特性，对信号频率、速度和功率等的变化进行分析对比，再经过信号转换放大处理，最后通过独特的数学模型处理，准确测得流体中水含量。

（2）产品具有RS485通讯接口，中文显示，配接触摸显示屏，通过组态软件可实现工艺流程图，支持按时间查询历史曲线，显示当前含水曲线；也可选定任意时间段，查询该时间段内平均含水率，实现了智能化及信息化功能。

（3）新型在线含水分析仪在油田得到了较好应用，室内化验数据平均误差控制在1.75%以内，实现了原油含水率的在线取样，并通过数学模型实现了准确计量，不但解决了采油工井口取样带来的数据滞后问题，而且减少了实验室化验费用，在大幅度降低相关花费的同时为中高含水油田解决了含水率检测的技术瓶颈，具有良好的推广价值。

作者简介：

刘淼（1982-），女，陕西人，高级工程师，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相关科研及产品推广工作。

参考文献：

[1] 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．

[2] 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．

[3] 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．

[4] 盛祖萍, 邓仕友, 吕京涛. 原油含水率自动监测仪在油田的应用[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2013, (4) : 64．

[5] 尚建林, 徐常鑫, 王国辉, 等．原油含水分析化验自动化系统开发及应用[J]. 新疆石油天然气, 2009, 5 (4) : 101 - 104．

[6] 王少松, 谈得芳. 新型在线含水分析仪在西北油田的应用[J]. 化工自动化及仪表, 2019, (12) : 1051 - 1053.

[7] 成慧敏. 油井在线含水率自动检测仪的研究[D]. 西安石油大学硕士论文, 2019, 6.

摘自《自动化博览》2022年12月刊