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文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2022）12-075-03中圖分類號：TP29

★劉淼，郭新冬，魯義，王艷云，陳冰（中國石油昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京102206）

摘要：原油含水率能夠反映出一口油井的生產(chǎn)狀態(tài)，是分析儲(chǔ)層生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的重要依據(jù)，也是調(diào)整注水工藝和生產(chǎn)計(jì)劃的參考條件。根據(jù)含水率的變化對油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，從而延長油井開發(fā)壽命，實(shí)現(xiàn)提高油藏整體采收率的目的。從國內(nèi)油田單井含水檢測的實(shí)際需求以及油田的現(xiàn)場工況入手，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，筆者研發(fā)并設(shè)計(jì)出有較寬的測試范圍及準(zhǔn)確的測試結(jié)果，費(fèi)用低廉且擁有含水率自動(dòng)測量功能的智能檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在國內(nèi)M油田Y采油廠開展現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了較好的效果，儀器自動(dòng)檢測與人工取樣室內(nèi)化驗(yàn)結(jié)果間平均誤差小于1.75%。此外，智能原油含水在線檢測裝置上線后，可為采油廠年節(jié)約取樣及化驗(yàn)費(fèi)用近500萬，具備良好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；原油含水率；在線檢測；現(xiàn)場應(yīng)用；降本增效

傳統(tǒng)原油含水率檢測通常以人工取樣化驗(yàn)為主，工作量大、費(fèi)用高，含水率數(shù)據(jù)上報(bào)延誤導(dǎo)致油井生產(chǎn)及油藏開發(fā)動(dòng)態(tài)分析不及時(shí)，且人工記錄導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的情況時(shí)有發(fā)生，給油田的高效開發(fā)帶來負(fù)面影響^[1-3]。此外，原油含水率容易受多個(gè)因素影響，各因素的影響又不具備一定的關(guān)聯(lián)性，目前還無法使用統(tǒng)一的模型或數(shù)學(xué)公式去表征^[4]；現(xiàn)有含水率測量方法也受到多種干擾因素的影響，常規(guī)測量方法已經(jīng)很難保證測量精度^[4-6]。

在國內(nèi)油田逐步進(jìn)入高含水開發(fā)后期的大背景下，在開采、油水處理等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，當(dāng)前的原油含水率測量儀器已難以達(dá)到準(zhǔn)確測量的要求，現(xiàn)階段對含水率檢測技術(shù)手段與智能化提出了更高要求。

1 傳統(tǒng)含水檢測儀技術(shù)現(xiàn)狀

蒸餾法、密度法、電容法，微波法射頻法和射線法等原油含水率測量方法是一些常規(guī)的方法，其中最常用的方法仍為蒸餾法。主要原因是其測量是通過人工現(xiàn)場取樣，室內(nèi)化驗(yàn)，因此測量結(jié)果是較為可靠的。然而，人工取樣化驗(yàn)同樣帶來了采樣周期長、人為影響因素大的問題，測試結(jié)果存在一定的隨機(jī)性。

隨著傳感器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，在線含水率測量方法應(yīng)運(yùn)而生，正逐漸受到業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可和關(guān)注。國內(nèi)測量原油含水率的檢測產(chǎn)品眾多，其測量產(chǎn)品的加工技術(shù)與制造工藝仍存在著一定的差距，測量精度、準(zhǔn)確度和測量范圍也有待提高。國外含水率分析儀器性能好，在線校準(zhǔn)能力強(qiáng)，但由于儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致價(jià)格昂貴，不適合國內(nèi)油田高含水階段的含水率檢測實(shí)際需要^[7]。

2 新型在線原油含水檢測系統(tǒng)

隨著國內(nèi)多數(shù)油田開發(fā)進(jìn)入中后期階段，含水不斷上升，且石油特性復(fù)雜多變，某些油井流體中高含氣和高礦化度，對在線原油含水率檢測精度提出了新的要求。在對標(biāo)比較國內(nèi)外含水率計(jì)算方案及在線檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)油田中高含水率檢測的實(shí)際需要，我們攻關(guān)新型含水率計(jì)算模型，推出自主研發(fā)的微波型含水檢測儀。

微波型原油含水在線分析儀基于高頻微波（300MHz）的原理，通過對射頻信號在油氣水混合介質(zhì)中的傳輸特性進(jìn)行建模，分析對比信號頻率、相位和功率的變化，獲得被測介質(zhì)中含水率。產(chǎn)品可測量全量程含水率（0-99%），適用于高含氣率井況，計(jì)量精度受礦化度、積蠟、腐蝕和復(fù)雜流體形態(tài)影響較小，可以部署在單井、計(jì)量間及接轉(zhuǎn)站等場景。

基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的油井含水率在線檢測技術(shù)能夠提高含水檢測精度，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取含水率數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確預(yù)測油井的開發(fā)壽命和預(yù)估產(chǎn)油量提供依據(jù)，對提高油井采收率和實(shí)現(xiàn)油田穩(wěn)產(chǎn)具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 新型復(fù)雜架構(gòu)天線設(shè)計(jì)

由于單井流形流態(tài)復(fù)雜多變，存在含氣、高礦化度情況，現(xiàn)有含水儀產(chǎn)品適用范圍有限，亟需解決復(fù)雜流形流態(tài)和高含氣井況下的單井含水計(jì)量精度問題。

采用新型復(fù)雜架構(gòu)天線的傳感器，可以有效避免原來的一字型結(jié)構(gòu)傳感器設(shè)計(jì)遇到的油水分層的影響。新型復(fù)雜架構(gòu)天線可以精確確定油水分層界面，從而對含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，進(jìn)而得到更加準(zhǔn)確的含水率數(shù)據(jù)。

3.2復(fù)雜流形識別

對于自噴井、抽油機(jī)和螺桿泵等單井來說，常見的井內(nèi)流型包括彈狀流、段塞流和環(huán)狀流，通常狀態(tài)下幾種流型隨著壓力及產(chǎn)液量的變化而發(fā)生交替變化。

對于油井集輸管線來說，氣液兩相流一般有六種流型，如圖1所示。

由于微波檢測具有探頭體積小，適合多層多點(diǎn)同時(shí)檢測的特點(diǎn)，因此，通過采用特定的優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)多相流的流態(tài)分析，對各種不同的復(fù)雜流形和高含氣率的工況都可以采用不同的校正補(bǔ)償，使得儀器進(jìn)一步滿足高含氣油井含水率檢測的需要。

圖1 氣液兩相管流形態(tài)圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 應(yīng)用場景

國內(nèi)西北M油田Y采油廠地處沙漠腹地，現(xiàn)有油井1025口，計(jì)量站91座。作業(yè)地域跨度大，單井布局分散。因自然環(huán)境限制，Y采油廠建設(shè)初期即采用包含計(jì)量站的三站層級管理和人工巡檢相結(jié)合的生產(chǎn)管理模式，在自動(dòng)計(jì)量方面大量采用計(jì)量站單井量油作為判斷單井生產(chǎn)狀況的主要依據(jù)。隨著油田管理模式和生產(chǎn)工藝模式的扁平化要求，單井生產(chǎn)狀況，特別是產(chǎn)出含水狀況的數(shù)據(jù)獲取方式選擇就顯得尤為重要。智能含水儀在Y采油廠應(yīng)用的價(jià)值在于利用現(xiàn)有計(jì)量站倒井計(jì)量流程，部署單臺(tái)含水儀測試多口單井不同流態(tài)和組分環(huán)境下的含水率，節(jié)省了大量人工和費(fèi)用。

4.2 倒井檢測計(jì)量工藝

M油田針對原油計(jì)量所采用的“雙容積式倒井計(jì)量”是依托現(xiàn)場計(jì)量站內(nèi)安裝的多通閥，將計(jì)量站周圍的多口采油井以管道形式連接至雙容積計(jì)量容器；通過現(xiàn)場的RTU控制多通閥的選井，并對計(jì)量間內(nèi)的各類儀表和液位計(jì)信號進(jìn)行接收，計(jì)算出各個(gè)單井的日產(chǎn)液量。倒井計(jì)量工藝示意圖如圖2所示。

4.3 設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)

Y采油廠某作業(yè)區(qū)的B計(jì)量站采用“雙容積式倒井計(jì)量”，對下轄11口單井進(jìn)行輪換計(jì)量。

在數(shù)據(jù)傳輸方面，智能原油含水分析儀具有RS485接口，可滿足基于Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。完成含水儀數(shù)據(jù)接入現(xiàn)場計(jì)量RTU系統(tǒng)的工作后，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了在計(jì)量流程中實(shí)時(shí)查看含水率，以及在計(jì)量報(bào)表中查看含水率數(shù)值的功能。原油含水率實(shí)時(shí)監(jiān)測及數(shù)據(jù)報(bào)表如圖3所示。

圖3 原油含水率實(shí)時(shí)監(jiān)測及數(shù)據(jù)報(bào)表

在后期維護(hù)工作上，因智能原油含水分析儀的工藝設(shè)計(jì)精巧，內(nèi)部線路工整，后期維護(hù)工作相較于傳統(tǒng)含水分析裝置更加便捷。對于可能出現(xiàn)的一般故障都可以進(jìn)行快速的排故，最大限度地保障生產(chǎn)運(yùn)行。含水率在線監(jiān)測數(shù)值與化驗(yàn)數(shù)值比較表如表1所示。

表1 含水率在線監(jiān)測數(shù)值與化驗(yàn)數(shù)值比較表

5 經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)

以油田每天人工取500個(gè)試樣進(jìn)行效益估算，新型智能含水率分析裝置上線后，每天可節(jié)約取樣瓶材料費(fèi)約400元，每年約15萬元；減少取樣用車4輛，節(jié)約費(fèi)用每年約50萬元；減少井口人工取樣和室內(nèi)化驗(yàn)的工作量，減少取樣用工人數(shù)20人和含水檢測實(shí)驗(yàn)員10人，減少人力成本每年400萬元。綜合經(jīng)濟(jì)效益近500萬元/年。

6 結(jié)論

（1）新型智能原油含水在線檢測分析裝置采用高頻微波測量原理，利用微波信號在不同介質(zhì)（包括混合介質(zhì)）中的傳輸特性，對信號頻率、速度和功率等的變化進(jìn)行分析對比，再經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換放大處理，最后通過獨(dú)特的數(shù)學(xué)模型處理，準(zhǔn)確測得流體中水含量。

（2）產(chǎn)品具有RS485通訊接口，中文顯示，配接觸摸顯示屏，通過組態(tài)軟件可實(shí)現(xiàn)工藝流程圖，支持按時(shí)間查詢歷史曲線，顯示當(dāng)前含水曲線；也可選定任意時(shí)間段，查詢該時(shí)間段內(nèi)平均含水率，實(shí)現(xiàn)了智能化及信息化功能。

（3）新型在線含水分析儀在油田得到了較好應(yīng)用，室內(nèi)化驗(yàn)數(shù)據(jù)平均誤差控制在1.75%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了原油含水率的在線取樣，并通過數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確計(jì)量，不但解決了采油工井口取樣帶來的數(shù)據(jù)滯后問題，而且減少了實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)費(fèi)用，在大幅度降低相關(guān)花費(fèi)的同時(shí)為中高含水油田解決了含水率檢測的技術(shù)瓶頸，具有良好的推廣價(jià)值。

作者簡介：

劉淼（1982-），女，陜西人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國石油昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，主要從事油氣物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)科研及產(chǎn)品推廣工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年12月刊