原油含水率在线监测装置研究

原油含水率是原油生产中的重要数据，研究油田开发的重要参数指标，同时也是每个油田地质化验室的必测项目。目前油田原油含水率测量主要采用井口取样、化验室蒸馏化验的方法[1]。人工取样化验测含水率时间长，操作复杂，准确率不高，对人体有一定的危害性等问题。开展低成本井口原油含水率在线监测技术研究，减少人工化验工作量，提高原油含水率测量准确度，具有重要的意义。

JS 油田的油井大多液量少，含水高，含气量高，矿化度高，易腐蚀结垢，对于在线检测原油含水率的装置要求也高。目前，主要成熟的原油含水率检测方法有：电容法、射线法、电导法、射频法、密度法、微波法等[2]。电容法是一种直接接触测量方法，利用不同含水率原油的电容值，但当油水混合物中油的含量与水的含量之比小于 2.4 时，原油含水率过高时，其物理性质表现为电导性，电容法无法测量含水率。射线法是利用水和油吸收伽马射线能量的性能不同的非接触式测量技术，但这种方法具有放射性有着对人体造成危害，价格高昂，使用和维护不便等缺点。密度法是通过含水原油中水和油的密度不同来测得含水率，但当含气和砂时，测量结果会有偏差。微波法是一种利用油水混合物中油和水的复合介电常数不同，反算出油和水的比率，微波法是目前为数不多的可以在高含水情况下实现含水率测量的方法之一，微波具有良好的穿透力，检测速度高、时间短、可靠性高等优点[3]。综合对比以上的含水率测量方法，选择微波法作为原油在线检测含水率的主要方法。

1 微波法测含水原理

微波一种频率大小在 300MHz 到 300GHz 之间，波长在 1 米到 1 毫米之间的电磁波。根据麦克斯韦方程，微波的传输速度表达式为：

式中：v 为微波在介质中的传播速度， m/s ；c 为光在真空中的传播速度， m/s ；ε 为介电常数，F/m； μ 为磁导率， H/m 。

从公式中可以看出，利用得到的微波速度，可以反算出原油的介电常数。常温下，水的介电常数约为 80，相比之下，原油的介电常数要小得多，大约为 2.2～2.5 不同的介电常数可对应于不同比例的油水混合物，因此介电常数就与原油的含水率一一对应，在微波法检测系统中，微波信号源发射特定频率和幅值的微波信号，该信号穿过待测的原油样品后被接收器接收。通过分析接收到的微波信号的相位、幅度或谐振频率等参数的变化，可以计算出原油样品的含水率。这些参数的变化与原油样品的介电常数（即含水率）有直接的对应关系[5]。

2 原油含水在线监测装置研究

2.1 装置结构设计

微波法含水率测量装置的优点是精度高，不容易受气、砂的影响，也不易受原油的密度、粘度影响，安装简单方便，根据测得的原油介电常数，就可以比较容易的得出原油的含水率，后期的人为调试，维护也很简单。用微波法检测原油含水率仪表由三大部分组成，分别是传感器部分、通液腔体部分和数据显示部分（表头）。如图 1 所示

图 1 原油含水检测仪

2.2 数据采集模块设计

该装置可将检测到的含水率数据结果直接通过 RS485 有线通讯传输到电脑终端，相关工作人员可通过配套软件在电脑上查看系统传感器的实时检测数据，人为远程实时监测原油含水情况[6]。其工作原理如图 3 所示。

图 3 工作原理示意图

数据采样处理电路主要由各路传感器、变送器、放大电路、滤波电路、A/D 转换电路和处理电路组成。各路传感器、变送器将采集各种信号，传输给计量柜内的放大电路、滤波电路和 A/D 转换电路，将各路信号转换为数字信号，并输出给处理电路。

为实现对单井原油含水率的精确计算，需要编写相关软件对采集的原油温度数据、流量数据、环境温度数据、介电常数数据等进行分析计算，得出相应结果并通过人机界面显示。软件系统包括数据处理、存储、计算、数据显示、中断处理模块等部分。并可及时远程上传数据，将以前的烦琐的人工劳动变成远程的监控。

3 现场试验

选定油田 M5-28、M5-21、M5-5 三口井应用在线含水率监测装置，这三口井分别有不同的生产情况，M5-28 井含水率高，M5-21 井为二氧化碳受效井，含气量高，M5-5 井含水率低，气量少。在 2024 年 8 月份对三口井进行设备安装及调试，至 2024 年 9 月份，分时间段，分别取了 39、39、31 个样品，并逐个对比分析了在线监测含水率与人工化验得出的含水率的误差，最后得出在线监测含水率检测误差控制在 5% 以内，变化趋势与与人工化验实测含水变化趋势一致，如表 1 所示。从 3 个月的现场应用效果来看，该装置可靠、稳定，达到了预期的效果。

表 1 含水率变化对比表