高寶元，韓婧婧

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安，710018；2. 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，710018)

井口原油含水率是采油生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要參數(shù)，及時(shí)掌握井口原油含水率的變化，對(duì)于油井的動(dòng)態(tài)分析、工作狀況及生產(chǎn)管理是非常重要的。一直以來(lái)，井口采油生產(chǎn)時(shí)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與計(jì)量技術(shù)一直處于空白，所以，在建立數(shù)字化油田的今天，井口采油生產(chǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與計(jì)量問(wèn)題變得越來(lái)越突出[1]。主要表現(xiàn)為： 在井口生產(chǎn)中，含水率目前仍然采用傳統(tǒng)的手工測(cè)定，該方法取樣、化驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，人力物力消耗多；傳統(tǒng)方法對(duì)井下地質(zhì)變化現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，因而指導(dǎo)采油生產(chǎn)滯后；手工三點(diǎn)取樣化驗(yàn)以點(diǎn)代面來(lái)計(jì)算平均含水率，不能代表整個(gè)單井生產(chǎn)中全部液體中的實(shí)際平均含水率，因此無(wú)法掌控全局；各地經(jīng)常發(fā)生井口盜油現(xiàn)象，給油田造成損失，給管理層管理帶來(lái)漏洞；傳統(tǒng)取樣口容易造成液體外濺，造成井口環(huán)境污染，清潔無(wú)法保證[2]。

因此，亟需開(kāi)展井口原油數(shù)字化含水分析裝置研究，代替目前仍然采用的手工測(cè)定方法[3]。

1 工作原理

原油中含有一定比例的水，油的介電常數(shù)約為2.3， 水的介電常數(shù)是80，兩者相差很大，因而所呈現(xiàn)的射頻阻抗特性差異也很大。根據(jù)比爾(Beer)定律和電磁波的物理特性，同一頻率的電磁波通過(guò)不同濃度的介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)吸收了部分能量，透射電磁波的強(qiáng)度產(chǎn)生相應(yīng)變化。若介質(zhì)厚度不變，介質(zhì)濃度越大，則電磁波強(qiáng)度的相應(yīng)變化越顯著，如式(1)所示：

(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)；cB——介質(zhì)濃度。

工作時(shí)，感應(yīng)單元中射頻信號(hào)發(fā)生器向原油中發(fā)射穩(wěn)頻恒幅的電磁波，電磁波穿透介質(zhì)，透射電磁波強(qiáng)度隨水含量變化而變化，透射電磁波由感應(yīng)單元中射頻信號(hào)接收器接收，經(jīng)分析處理單元接收電磁波轉(zhuǎn)換為含水率分析信號(hào)[4]。

2 井口原油數(shù)字化含水分析裝置構(gòu)成

井口原油數(shù)字化含水分析裝置如圖1所示，圖1中防爆接線盒與傳感器模塊單元、遠(yuǎn)程控制終端通過(guò)電信號(hào)連接[5]。

圖1 井口原油數(shù)字化含水分析裝置示意

該分析裝置主要由原油含水分析傳感器模塊和數(shù)字化遠(yuǎn)程控制終端組成。

2.1 原油含水分析傳感器模塊單元

原油含水分析傳感器模塊包括： 原油含水分析處理單元、射頻信號(hào)接收器、射頻信號(hào)發(fā)生器、傳感器探測(cè)探頭和錐形傳感器堵頭，安裝方式需從上至下依次連接。原油含水分析處理單元連接在傳感器殼體內(nèi)的一端，并與防爆接線盒連接；傳感器堵頭連接在殼體的另一端頭并延伸至傳感器殼體外；傳感器探測(cè)探頭與殼體側(cè)壁上所開(kāi)傳感器探測(cè)窗口位置對(duì)應(yīng)，傳感器堵頭圓面積小的一端與傳感器探測(cè)窗口連接。

該含水分析裝置處理單元包括： 分析處理器和通信電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器。安裝方式需從上至下依次連接，分析處理器和通信電路與防爆接線盒連接。

防爆接線盒是由一圓柱體和一底面敞口的中空柱狀體構(gòu)成的一體結(jié)構(gòu)，端面與原油含水分析處理單元連接。防爆軟管通過(guò)防爆軟管接頭與防爆接線盒連接。

2.2 數(shù)字化遠(yuǎn)程控制終端單元

數(shù)字化遠(yuǎn)程控制終端單元包括： 遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)、PLC、路由器和人機(jī)界面觸摸屏。遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)輸入接口與傳感器模塊輸出信號(hào)端通過(guò)電信號(hào)連接；遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)輸出端和路由器輸入端、PLC輸入端通過(guò)電信號(hào)連接，路由器輸出端和光纖電信號(hào)連接；PLC輸出端和人機(jī)界面觸摸屏輸入端通過(guò)電信號(hào)連接[6]。

3 井口原油數(shù)字化含水分析方法

該含水分析裝置使用24 V，0.5 A直流電壓，含水率測(cè)量范圍為0～100%，含水率測(cè)量精度平均為±0.8%，通信方式采用RS-485，工作壓力為4.0 MPa，工作溫度為-40～120 ℃，傳感器結(jié)構(gòu)為一體化，材質(zhì)采用316不銹鋼，外形尺寸長(zhǎng)為286 mm，直徑為60 mm，防爆等級(jí)為Exd ia ⅡBT4。

井口原油數(shù)字化含水分析步驟如下：

1)裝置安裝。關(guān)閉抽油機(jī)油井，停留3～5 min，關(guān)閉連接井口出油管、流油管和量油管上的閘閥，使油壓降至為零，將該含水分析裝置與井口出油管連接，將220 V電源線和信號(hào)線從防爆穿線軟管穿入，經(jīng)防爆軟管接頭，與該裝置電連接，并將傳感器外殼接地。

2)裝置啟動(dòng)。當(dāng)該裝置安裝完成后，將井口出油管上閘閥打開(kāi)，油井里原油進(jìn)入，關(guān)閉流油管上閘閥，打開(kāi)量油管上閘閥，給該裝置通入220 V電壓。

3)數(shù)據(jù)獲取。該裝置開(kāi)始工作后，原油含水分析傳感器模塊單元中，射頻信號(hào)發(fā)生器向原油中發(fā)射穩(wěn)頻恒幅的電磁波，電磁波穿透介質(zhì)，透射電磁波強(qiáng)度隨含水率變化而變化，透射電磁波由感應(yīng)單元中射頻信號(hào)接收器接收，經(jīng)分析處理單元轉(zhuǎn)換為含水率信號(hào)。人機(jī)界面觸摸屏通過(guò)PLC就地顯示單井原油含水率，監(jiān)測(cè)井口單井原油含水率變化情況[7]。

4)數(shù)據(jù)的記錄和傳輸。每隔20～30 s，數(shù)字化遠(yuǎn)程控制終端自動(dòng)采集檢測(cè)原油含水率并記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將當(dāng)天記錄單井原油含水率平均數(shù)作為該井的原油含水率，再由路由器通過(guò)光纖連接至遠(yuǎn)程控制終端對(duì)原油含水率進(jìn)行數(shù)字化實(shí)時(shí)分析處理。

5)分析停止。當(dāng)井口原油含水率分析或油井出現(xiàn)故障后，不需要停止井口原油數(shù)字化含水分析裝置工作，只需將井口出油管上閘閥打開(kāi)，流油管上閘閥打開(kāi)，量油管上閘閥關(guān)閉即可。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

筆者參與研發(fā)的井口原油數(shù)字化含水分析裝置[8]，2020年8月在長(zhǎng)慶油田某采油廠30多口油井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，每隔20～30 s，遠(yuǎn)程控制終端自動(dòng)采集檢測(cè)原油含水率并記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將當(dāng)天記錄單井原油含水率平均數(shù)作為該井的原油含水率，控制終端分析處理原油含水率，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控[9]。較好地解決了原油在流動(dòng)狀態(tài)下含水率的測(cè)量問(wèn)題，提高了原油計(jì)量水平，代替了人工取樣化驗(yàn)。該裝置含水率測(cè)量范圍為0～100%，含水率測(cè)量精度平均為±0.8%，使用成本比人工化驗(yàn)減少了約50%，比傳統(tǒng)化驗(yàn)方法快約100倍，無(wú)需人工化驗(yàn)、值守，節(jié)省大量人力物力。遠(yuǎn)程監(jiān)控有效預(yù)防了井口盜油事件的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了油田自動(dòng)化，大幅提高采油效率，滿足了目前油田發(fā)展的要求[10]。此外，該裝置還具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)比傳統(tǒng)化驗(yàn)方法精度高[11](含水率為0～3%時(shí)精度達(dá)到±0.1%，含水率為3%～100%時(shí)精度達(dá)到±1%)。

2)比傳統(tǒng)化驗(yàn)方法節(jié)約化驗(yàn)耗材，直接降低生產(chǎn)成本[12]。

3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下產(chǎn)液量和含水率，化繁為簡(jiǎn)，持續(xù)地獲取、傳遞和分析井口原油含水?dāng)?shù)據(jù)，方便快速管理采油生產(chǎn)，無(wú)人值守，節(jié)省人力[13]。

4)安裝位置與方向不限，對(duì)人體和環(huán)境沒(méi)有任何影響，屬于安全、環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品，符合安全環(huán)保要求[14]。

5 結(jié)束語(yǔ)

井口原油數(shù)字化含水分析裝置適合原油介質(zhì)含水率的分析范圍為0～100%，能快速準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井口原油含水率，方便快速管理采油生產(chǎn)，是監(jiān)測(cè)井口含水率的有效方法，解決了長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有可靠的原油含水分析儀的難題，在石油行業(yè)成功地進(jìn)行了推廣應(yīng)用[15]。