微波法油井含水在線監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用

張金煥

（中國石化華東油氣分公司泰州采油廠，江蘇泰州 225300）

中國石化HD 油氣分公司TZ 采油廠已基本建成信息化采油廠，正探索智能化油田建設(shè)。當(dāng)前油井功圖、壓力、電參數(shù)、井場視頻等數(shù)據(jù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動化錄取入庫，而油藏開發(fā)關(guān)鍵參數(shù)油井含水率仍采用人工取樣化驗(yàn)，成為全面建成信息化油田的瓶頸［1］。人工取樣化驗(yàn)含水率很難對油井或整個區(qū)域的油藏含水情況進(jìn)行全面了解，同時勞動強(qiáng)度大，存在環(huán)境污染和安全風(fēng)險。水驅(qū)油藏是采油廠儲量、產(chǎn)量主力區(qū)，SD 戴南組等油藏進(jìn)入含水快速上升期，對含水率檢測的頻次和精確度要求提高。

國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)致力于用各種手段解決原油含水率在線檢測的技術(shù)難題，但技術(shù)依舊不成熟。原油含水率在線檢測方法有微波投射法［2］、γ射線法、射頻法、密度法、電容法等。國外的研究成果主要針對含水率較低的油井，且儀器價格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以滿足國內(nèi)的實(shí)際需要，也難以保證現(xiàn)場維護(hù)等售后服務(wù)［1］。2018 年國內(nèi)大慶油田對電阻法、電容法、放射法、射頻衰減法、微波法的油井含水在線監(jiān)測儀器做試驗(yàn)評價，評價了測量范圍、測量精度、油水形態(tài)、結(jié)垢影響、腐蝕影響、礦化度影響、安全性、成本8 個技術(shù)指標(biāo)，微波法的綜合評價較好，但仍然存在不少問題。因此針對油田實(shí)際，有必要研究一種測量范圍大、準(zhǔn)確性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用且具有在線自動測量功能的原油含水率檢測系統(tǒng)。

1 微波法含水率檢測原理

微波是頻率在0.3～300 GHz 的一種電磁波（見圖1），具有一定的穿透能力，在電介質(zhì)中傳播時，會損耗氣能量和速度，介質(zhì)的介電常數(shù)和損耗因子決定其速度和能量損耗的大小。微波在介質(zhì)中的傳播速度隨介質(zhì)的介電常數(shù)增大而減小，損耗的能量隨損耗因子的增大而增大［3］。常溫下油與水的損耗因子差異和介電常數(shù)的差異均很大，損耗因子分別為0.004 和29，介電常數(shù)分別為2 和80 左右［1］。也就是說，原油含水率越高，微波在混合液中傳播速率越低，消耗的能量越高［4］，從而接收端檢測到的電流信號也變?nèi)酢８鶕?jù)電流變化，實(shí)現(xiàn)對原油含水率的快速測量。

圖1 微波傳播示意圖

式中：V為微波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s；c為光在真空中的傳播速度，m/s；ε 為介電常數(shù)，F(xiàn)/m；μ為磁導(dǎo)率，H/m。

從公式可以看出，微波的速度取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。自然界中，一般非磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率為1，可以忽略不計，微波的速度跟磁導(dǎo)率無關(guān)。

當(dāng)不同比例的油水混合時，混合物質(zhì)的介電常數(shù)取決于油的介電常數(shù)和水的介電常數(shù)以及他們的比例，因此通過測量微波在固定長度上的傳輸速度，就可以得到該介質(zhì)的混合介電常數(shù)，再結(jié)合已知的油介電常數(shù)以及水的介電常數(shù)，就可以得到油水混合物的介電常數(shù)，從而得出原油含水率［5］。

2 微波法油井含水在線監(jiān)測技術(shù)

2.1 性能要求

在線式原油含水率檢測儀主要技術(shù)指標(biāo)：工作溫度為-30～85℃；液量范圍10～350 m3/d（短時間最大500 m3/d）；礦化度范圍在0～40 000 mg/L；含水測量范圍是0～100%；含水測量絕對精確度為5%；通信協(xié)議為Modbus RTU。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在線式原油含水率檢測儀由傳感器部分、過液腔體和數(shù)據(jù)處理部分組成。傳感器部分為微波傳感器，數(shù)據(jù)處理部分包括電路部分的數(shù)據(jù)處理單元和信號發(fā)生單元（見圖2）。結(jié)構(gòu)設(shè)計要求見表1。

表1 結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

圖2 在線式原油含水率檢測儀

2.3 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

針對TZ 采油廠油田生產(chǎn)井現(xiàn)狀，本設(shè)備采用RS485 總線方式與井場已有RTU 設(shè)備進(jìn)行通信，設(shè)備碼元傳輸速率串口設(shè)置為：波特率9 600；數(shù)據(jù)位8；停止位1；無奇偶校驗(yàn)。每次修改碼元傳輸速率后需要重新啟動儀表。主芯片選用目前儀表上常用MAX485芯片，管腳較少，面積小，電路實(shí)現(xiàn)簡單。電路原理見圖3。

圖3 RS485通信原理

采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU 協(xié)議，使用04 功能碼，數(shù)據(jù)分配地址見表2。

表2 數(shù)據(jù)分配地址

3 微波法油井含水率檢測傳感器設(shè)計

考慮到安裝方便，傳感器形狀設(shè)計為弧形，第一代傳感器本體材料為抗腐蝕的316L 不銹鋼。在現(xiàn)場試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)探頭容易被高黏度油包裹，分析原因?yàn)楸倔w無疏油涂層，探頭天線較高，當(dāng)出現(xiàn)油水分離時，黏度高的油成團(tuán)堆積，逐漸覆蓋探頭，導(dǎo)致測量值偏低。

針對第一代儀器傳感器覆油嚴(yán)重的問題，將傳感器形狀改進(jìn)為貼壁式，采用特殊疏油涂層，探頭加裝耐高溫、耐腐蝕的聚四氟固定墊片，傳感器性能有所改善，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次改進(jìn)，儀器探頭加裝恒溫裝置，改進(jìn)后含水率測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，滿足油田生產(chǎn)需求。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用及評價

4.1 試驗(yàn)選區(qū)

選擇不同產(chǎn)出液性質(zhì)、不同含水階段的油井開展針對性的試驗(yàn)，客觀評價含水儀的適應(yīng)性。含水階段分為低含水階段，含水率＜20%；中含水階段，20%≤含水率≤60%；高含水階段60%＜含水率＜90%；特高含水階段，含水率≥90%。

SD 區(qū)塊平均單井日產(chǎn)油3.07 t，平均單井日產(chǎn)液7.87 t，綜合含水61%，已進(jìn)入含水快速上升階段。地面原油密度0.976 8 g/cm3，地面原油黏度12 000 mPa·s，凝固點(diǎn)45～50℃。原油性質(zhì)較差，凝固點(diǎn)高，含蠟量較高，膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量高。

ZC 區(qū)塊平均單井日產(chǎn)油2 t，平均單井日產(chǎn)液42 t，綜合含水94.7%，已進(jìn)入特高含水開發(fā)階段，含水率相對穩(wěn)定。地面原油密度0.905 8 g/cm3，地面原油黏度131.2 mPa·s，凝固點(diǎn)24～36 ℃，原油性質(zhì)居中。

NH、CX 區(qū)塊平均單井日產(chǎn)油4.8 t，平均單井日產(chǎn)液5.62 t，綜合含水14.6%，屬于低含水開發(fā)階段。地面原油密度0.853 g/cm3，地面原油黏度12.23 mPa·s，凝固點(diǎn)32 ℃，初餾點(diǎn)108.8℃，原油性質(zhì)較好。

4.2 效果評價

2020 年7 月至今，在TZ 采油廠SD 區(qū)塊、ZC 區(qū)塊、NH、CX 區(qū)塊68 口油井開展礦場試驗(yàn)，4 個區(qū)塊含水率絕對精確度均在5%以內(nèi)，具有明顯的含水變化趨勢，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。含水儀維護(hù)周期與含水階段有關(guān)，其中中含水和高含水階段儀器維護(hù)周期為4～6 月，低含水、特高含水階段儀器維護(hù)周期均大于10月。

SD 區(qū)塊安裝微波法含水儀45 口井，蠟含量高，含水率覆蓋低、中、高、特高含水階段。其中含水率低于20%的油井7 口，維護(hù)周期大于10 個月；中、高含水井35口，含水率在20%～90%之間，維護(hù)周期4個月至6 個月；特高含水井3 口，含水率大于90%，維護(hù)周期大于10個月（見表3）。

表3 SD區(qū)塊微波法油井含水儀應(yīng)用效果統(tǒng)計（不完全統(tǒng)計）

ZC 區(qū)塊選井為Z13 井，該井地面原油密度0.906 g/cm3，地 面 原 油 黏 度131.2 mPa·s，凝 固 點(diǎn)28℃，原油性質(zhì)居中，含水率93%，屬于特高含水階段。2020 年11 月8 日安裝微波法油井含水儀，在線含水率測試值為94%，精確度1%，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，維護(hù)周期360天。

NH、CX 區(qū)塊安裝微波法含水儀21 口井，油質(zhì)較好，含水率低于20%，均處于低含水階段。在線含水率精確度均在3%以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，維護(hù)周期360天（見表4）。

表4 NH、CX區(qū)塊微波法油井含水儀應(yīng)用效果統(tǒng)計（不完全統(tǒng)計）

5 結(jié)論

（1）研制了微波法油井含水實(shí)時監(jiān)測儀，實(shí)現(xiàn)油井產(chǎn)出液含水率實(shí)時在線監(jiān)測，能夠滿足油田對油井含水率數(shù)據(jù)錄取的要求。

（2）該技術(shù)適應(yīng)不同油藏產(chǎn)出液、不同含水階段，精確度在5%以內(nèi)。維護(hù)周期受含蠟、含水階段影響：含水率低于20%，高于90%，維護(hù)周期長達(dá)8月以上，含水率范圍在20%～90%區(qū)間的，含水率變化趨勢明顯，調(diào)試周期4～6月。

（3）該技術(shù)清潔、安全、高效，能夠?qū)崟r顯示油井含水率的變化，縮短異常處置時間，及時部署動態(tài)調(diào)配方案，對于油田開發(fā)具有重大意義，是全面建成信息化油田，探索智能化油田建設(shè)的基礎(chǔ)。