多品質(zhì)低含氣混輸原油低含水率監(jiān)測傳感器在輸油管道中的應用

馬成榮王鯤鵬

1.長慶油田分公司 第一輸油處 （陜西 西安 710021）

2.長慶油田分公司 第八采油廠 （陜西 定邊 718600）

多品質(zhì)低含氣混輸原油低含水率監(jiān)測傳感器在輸油管道中的應用

馬成榮1王鯤鵬2

1.長慶油田分公司 第一輸油處 （陜西 西安 710021）

2.長慶油田分公司 第八采油廠 （陜西 定邊 718600）

長慶油田原油集輸主要采用將混合液匯輸?shù)郊斦?，?jīng)分離脫水脫氣處理后進行管輸，對原油的計量主要采用含水儀配合流量計的方法。目前測量原油含水率的技術中，多存在一定的局限性，由于原油的腐蝕性較強，結垢、結蠟嚴重，致使儀表長期運行可靠性差，尤其是無法消除密度、含氣等對含水率測量帶來的影響。多品質(zhì)低含氣混輸原油低含水率監(jiān)測傳感器，通過良好的技術改進，不僅解決了原油含水率的在線測量問題，而且可為油田分線計量監(jiān)測節(jié)省人力、物力和財力，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

原油混輸 含水率 監(jiān)測 傳感器

長慶油田地處鄂爾多斯盆地，屬于國內(nèi)典型的低滲、特低滲油田。為攻克這一特殊地質(zhì)構造的原油開采難題，不斷探索創(chuàng)新勘探思路、開發(fā)技術、管理模式，形成了一整套經(jīng)濟有效開發(fā)鄂爾多斯盆地低滲、特低滲油藏的主體技術、特色技術、成熟技術。其中，射線型原油含氣、含水率自動計量系統(tǒng)，在原油含水監(jiān)測、原油處理、原油交接和原油儲運等原油生產(chǎn)和管理的各個環(huán)節(jié)中，被廣泛使用，成為長慶油田原油生產(chǎn)地面工程的技術特點之一。

多品質(zhì)低含氣混輸原油低含水率監(jiān)測傳感器是基于油、氣(微量)和水兩種不同介質(zhì)，而在實際原油管輸中又存在密度微小變化和含有微量的乳化氣的實際情況開發(fā)的新型含水儀表，它是對一定能量的γ射線的吸收不同，通過檢測γ射線穿過油、水的混合物后的透射計數(shù)和散射計數(shù)，經(jīng)過理論計算，實現(xiàn)對原油密度、含水率的在線分析。該計量系統(tǒng)設計新穎、測量準確、安全可靠、運行穩(wěn)定、使用壽命長、便于操作，特別是修正了由于原油中密度、含氣（乳化或游離）對含水率測量的影響，使該儀表在長慶油田的原油計量中發(fā)揮了明顯的優(yōu)勢。

目前長慶油田原油管輸主要采用各采油隊將混合液匯輸?shù)郊斦荆?jīng)過分離處理，脫水脫氣隨后進行進行管輸，對原油的計量一般主要采用含水儀配合流量計的方法。在國內(nèi)目前測量原油含水率的技術中，主要有人工蒸餾化驗法、電容法、短波法、微波法（或射頻法）、振動密度計法。但這些技術都有一定的局限性，而且上述幾類儀表都屬于接觸式測量，由于原油的腐蝕性較強，結垢、結蠟嚴重，致使儀表長期運行的可靠性差，尤其是這些儀表都無法消除密度含氣對含水率測量帶來的影響，因而使原油計量自動化始終處于一個低水平，給油田原油計量交接管理帶來諸多不便。

多品質(zhì)低含氣混輸原油低含水率監(jiān)測傳感器，正是為解決上述諸多問題而研發(fā)的，因此長慶油田自1996年以來陸續(xù)選用該類型監(jiān)測儀，通過技術改進和良好的售后服務，其使用覆蓋率遍及全油田，不僅解決原油含水率的在線測量問題，而且可為油田分線計量監(jiān)測節(jié)省人力、物力和財力。

工作原理

多品質(zhì)低含氣混輸原油低含水率監(jiān)測傳感器，是根據(jù)低能γ光子在與被測介質(zhì)相互作用時的吸收衰減原理設計的工業(yè)同位素儀表[1][2][3]，其工作原理是：具有一定初始強度的γ射線穿過油、氣 (微量)、水三相混合介質(zhì)，通過探測器分別在其透射方向測出透射計數(shù)和在90°方向測出其散射計數(shù)，然后進行計算，得到其混合介質(zhì)的氣液體積比和油水體積比，從而得到含水率，其原理如圖1所示。

當一定能量的γ射線穿過一定厚度的某一介質(zhì)時，其衰減后強度滿足指數(shù)衰減規(guī)律[1][2][3]，即式中n0─γ光子源強度；

n─衰減后的強度；

x─射線穿過某物質(zhì)的厚度；

μ─某物質(zhì)對γ射線的吸收系數(shù)，它與物質(zhì)的密度有關。

當射線穿過含有兩種物質(zhì)的混合介質(zhì)時，則上式可表示為：

式中 μ1、μ2─兩種被測物質(zhì)對γ射線的吸收系數(shù)；

l─源和探測器之間的空間距離；

η─兩種被測物質(zhì)體積比。

上式經(jīng)整理可得：η＝a·ln(n)+b(式中的a、b是常數(shù))。

當測得透射計數(shù)n時，根據(jù)上式容易得到兩種物質(zhì)的體積比η[4]。在油田原油計量中，如果原油不含氣，則η就是原油的體積含水率。然而，在油田實際生產(chǎn)中，原油經(jīng)常是油、氣、水三相混合液，而當射線穿過混合液時，由于不同物質(zhì)有不同的吸收系數(shù)[1][3]，而油、氣、水三種物質(zhì)的密度有明顯的差別，因此基于射線的吸收原理得到相應的衰減方程，是可以做到的。但在三相混合液中，要得到的是油、水體積比η和氣、液體積比λ兩個未知數(shù)，僅靠一個探測器得到透射計數(shù)，通過解一個透射方程是得不到兩個未知數(shù)的，必須再有另一個相關方程，通過解方程組才能同時得到含水率和含氣率，其解決途徑是通過成功引入散射方法得到的。

根據(jù)γ射線的散射原理，γ射線與物質(zhì)作用后在一定角度的散射強度i(θ)與物質(zhì)的密度有關，且可以表示為：i(θ)＝kρhexp(-bρx)f(θ)

式中 k─與γ源強度有關的一個常數(shù)；

ρ─被測物質(zhì)的密度；

h─密度指數(shù)常數(shù)；

x─源到探測器的距離；

b─與γ源初始能量有關的一個常數(shù)；

θ─探測器和源的夾角；

f(θ)─夾角修正值。

這樣，用另一個探測器在某一角度 （一般為90°）可測得射線與物質(zhì)作用后的散射計數(shù)。因為混合液的密度是和油、氣、水三種介質(zhì)的比例有關，即：

式中ρ1、ρ2、ρ3分別為油、氣、水的密度，因此通過散射可以得到相關的含水率和含氣率信息。

用探測器分別在透射和90°散射方向測得透射計數(shù)和散射計數(shù)，用上述分析可得到下列方程組：

透射：ln(nx/n0)=(1－λ)(A+Bη)

散射：ln(mx/n0)=(1－λ)(a+bη)

式中 A、B─與被測介質(zhì)有關的常數(shù)；

a、b─與介質(zhì)及散射角有關的常數(shù)；

n0、m0─空管道時透射和散射計數(shù)；

nx、mx─管道內(nèi)有介質(zhì)時的透射和散射計數(shù)；

λ、η─含氣率和含水率。

從上述方程組可得知,只要分別測出nx、mx，即可求出含氣率λ和含水率η。而方程中的有關常數(shù)，對確定的油品而言，只需標定（人工化驗）即可得到。

結構性能和技術參數(shù)

1 結構性能

多品質(zhì)低含氣混輸原油低含水率監(jiān)測傳感器由測量管道、傳感器(一次儀表)和計算機數(shù)據(jù)獲取處理系統(tǒng)(二次儀表)兩大部分構成（圖2）。

2 技術參數(shù)

（1）低含水型：含水率測量范圍：0%～10%，測量誤差：±0.10%；

（2）高含水型：含氣率測量范圍：5～30%，測量精度：0.25%；

（3）工作方式：全自動在線連續(xù)測量；

（4）使用范圍和環(huán)境：適用于油田各種規(guī)格管線的計量分析；環(huán)境溫度：10℃～45℃；介質(zhì)溫度：10℃～80℃；濕度（相對）≤85%；振動：振幅≤1mm；頻率≤20%；

（5）工作壓力：1.6MPa、2.5MPa、6.4MPa；

（6）工作電源：±12DCV；

（7）防爆等級：DIIbt4；

（8）信號有效傳輸距離：200m；

（9）信號傳輸方式：頻率；232/485通訊，MODBUS協(xié)議。

經(jīng)過試驗室模擬測試、現(xiàn)場運行檢測以及中石油計量檢測研究所的檢測，證明該監(jiān)測儀的各項技術指標，均已達到設計要求，適合油田現(xiàn)場的計量。

現(xiàn)場應用情況

長慶靖咸輸油管道于2001年建成投運后，即使用該型儀表，目前各輸油站已全部安裝，主要用于站間平衡及原油交接。

在輸油站中的含水儀，其基本配置是：上站或交接點來油管線配有多品質(zhì)低含氣混輸原油低含水率監(jiān)測傳感器、體積流量計各一套（臺），附加溫變、壓變；數(shù)據(jù)采集一般采用PLC系統(tǒng)，上微機軟件使用WinCC、Citect或組態(tài)王。

組態(tài)軟件自動進行含水折算，油量、水量累加計算，按照長慶油田計量交接標準報表格式對交接點的油量、水量以瞬時、班、日報表的形式在線顯示、自動定時打印。系統(tǒng)自動生成歷史文件，對生產(chǎn)記錄長時間保存以備隨時調(diào)閱，最小查閱間隔為1min。

結論

（1）多品質(zhì)低含氣混輸原油低含水率監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)了原油含水率在線全流量的測量，消除了由于密度變化和微量含氣給含水測量帶來的誤差，克服了其它種類含水儀表由于水包油或油包水等因素造成的測量范圍小、非線性誤差大以及由于分流取樣測量而導致的含水測量代表性差的不足。就在線測量而言，射線型含水儀表的測量精度優(yōu)于其他種類儀表。

（2）該儀表是通過監(jiān)測同位素射線穿過被測介質(zhì)后的透射和散射計數(shù)實現(xiàn)油氣水三組分在線自動測量的，由于射線是與介質(zhì)的原子發(fā)生作用，因而儀表的精度不受原油的流態(tài)的影響。又由于該儀表的創(chuàng)新之處在于使用了散射方式，這一新的測量方式將為多相流的在線監(jiān)測提供了新的方法。

（3）非接觸式測量方法是該儀表的特點，這將使得儀表避免了原油結垢、結蠟的問題，使一次儀表免維護得到技術上的保證。

（4）該儀表監(jiān)測量程寬、自動化程度高、安裝方便、操作簡單易學，給現(xiàn)場操作人員帶來諸多方便，使油田原油計量水平上了一個臺階。例如：由于微機將分離器的管道壓力、含水情況能及時顯示出來，并能夠?qū)μ厥馇闆r作報警，使得分離器操作人員能隨時了解分離器的工作狀態(tài)，這對于分離器的平穩(wěn)運行十分重要，不僅使原油分離效果好，而且還大大減輕了分離器操作工和化驗工的勞動強度。

（5）該儀表是低劑量同位素工業(yè)儀表，對γ射線采用了嚴密的輻射屏蔽，沒有任何劑量的泄漏，儀表周圍任意距離的γ劑量大大低于國家安全劑量標準。此外，儀表采用了防爆措施，防爆等級為dⅱbt4，保證環(huán)境和工作人員的絕對安全。

[1]徐克尊.粒子探測技術[M].上海:科技出版社，1981.

[2]戴光曦.實驗原子核物理學[M].北京：原子能出版社，1995.

[3]中國大百科全書 物理學1[M].北京:中國大百科全書出版社,1987.

[4]魏寶文.原子核物理實驗方法[M].北京：原子能出版社，1990.

Crude gathering in Changqing Oilfields is mainly fulfilled by firstly inputting mixed oil into gathering station,and then dealing with them through dehydration and degasification.The crude oil is measured by means of the combination of flow-meters and water-bearing meters.At present,there exists some limitation in the technology of measuring water content of crude oil.Because of the strong corrosivity,the serious scale deposit and the paraffin deposit,the reliability of meters has become poor in the long-term operation,especially having no way to remove the influence of density and gas-bearing on water-bearing cut.Based on the good technical improvement,sensors about water cut of mixed crude with multiple qualities and lower gas-bearing have not only solved the problem of measuring water-bearing cut of crude on line,but also can use human,material and finance resources sparingly for measurement supervision of oilfield sub-lines,and thus getting better economic benefits and social benefits.

mixed transportation of crude oil;water-bearing cut;monitoring;sensor

馬成榮（1973-），女，經(jīng)濟師，主要從事原油計量交接管理工作。

鄔靜

2009-09-21