電容和電阻法原油含水率快速測量儀的研制

杜懷棟 王春光

(中國石化勝利油田分公司技術檢測中心，山東 東營 257000)

電容和電阻法原油含水率快速測量儀的研制

杜懷棟 王春光

(中國石化勝利油田分公司技術檢測中心，山東 東營 257000)

針對油井采出液原油含水率測量蒸餾化驗方法存在操作過程繁雜、化驗時間較長、計量誤差大、油氣污染重等問題，利用原油和水相對介電常數差別較大的原理，設計了一種特殊的電容、電阻測量傳感器，并通過對影響因素的自動修正、數學模型模糊處理等技術手段，開發了一種能夠快速測量取樣桶內原油含水率的分析儀。該儀器徹底改變了油田多年來傳統的原油含水率化驗方式，將極大地提高油井采出液原油含水率測量的工作效率。

原油含水率 電容 電阻 油井 測量儀

0 引言

油井采出液原油含水率測量是油田開發中一項十分重要的工作。技術人員通過分析油井原油含水率的變化趨勢，及時掌握油井生產動態，科學實施油藏開發措施，從而提高油井采收率。

隨著勝利油田進入開發中、后期，油水井精細化分析管理對油井原油含水率測量的準確度和及時性提出了更高的要求。油田多年來采用的蒸餾化驗方法[1]因計量誤差大、操作時間長[2]已不能滿足油田開發的需要，迫切需要一種高效、準確的分析化驗方法。勝利油田技術檢測中心針對油井采出液原油含水率測量化驗分析存在的問題，成功研制出了一套“油井采出液原油含水率快速測量儀”。該測量儀具有測量快速、準確度高、節能環保等優點。該測量儀通過在油田采油隊一年多的推廣應用，取得了良好的應用效果，得到了廣大化驗人員的普遍認可。

1 含水率化驗技術現狀

1.1 油田開發現狀

勝利油田現有24 000多口油井，為了掌握油井的生產變化情況，保持油井穩產高產，需要及時采取調整注水參數、維護作業和措施作業等采油措施。油田規定采油工人每天要對每口油井進行人工取樣、蒸餾化驗。目前，勝利油田共有300多個采油隊，每個采油隊都建立了油井采出液原油含水化驗室，全油田每天化驗油樣15 000多個，原油含水化驗工作量相當大。

1.2 傳統化驗步驟

傳統的油井采出液原油含水率蒸餾化驗過程較繁雜，步驟如圖1所示。

① 首先采油工人每天到井口用1 L的取樣桶取樣，并稱重取回的油樣W1。

② 由于油井絕大部分都是高含水(勝利油田油井平均含水達90%以上)，取回的油樣需經過冷凝沉降后把游離水分離出來，稱重樣桶內剩余油樣W2。

③ 樣桶內剩余的冷凝原油經過加熱(40 ℃)后，攪拌均勻，從樣桶內取10 g或20 g或50 g(根據剩余原油含水率確定取樣量)，倒入蒸餾燒瓶內，然后加入200～300 mL的溶劑汽油。

④ 配置好油樣的燒瓶放到電爐加熱蒸餾，加熱溫度控制在200 ℃左右，整個蒸餾過程嚴格按照GB 8929《石油產品水分測定法》操作，蒸餾化驗過程需要45～60 min。

⑤ 最后讀取蒸餾裝置接收器內水的刻度值，由燒瓶內原油質量W1、W2和接收器內的刻度值計算出洋桶內原油的含水率。

⑥ 清洗干凈取樣桶以備下次取樣使用，待蒸餾燒瓶完全冷卻后用汽油清洗干凈燒瓶。重復以上步驟，繼續分析化驗，每天化驗人員連續工作6～8 h。

圖1 傳統化驗流程圖

從以上過程可以看出，油井采出液原油含水化驗過程比較繁雜，并且由于整個過程涉及三次稱樣、分水、分樣、蒸餾。通過大量統計數據得出，整個過程存在著±1.5%以上的操作誤差，且化驗室夏天溫度很高，室內存在濃烈的汽油味。

2 快速測定儀原理與硬件設計

2.1 快速測定儀工作原理

采油工人到井口取油樣的樣桶是體積1 L的圓柱小桶，可以看作大型油罐的微型化縮小版。由于勝利油田絕大部分的油井是高含水，樣桶內的油樣經過重力沉降后分為低含水油層、油水過渡層和純水層。低含水油層一般原油含水率在5%～20%之間，油水過渡層原油含水率從低含水到100%。根據水(相對介電常數80左右)和純原油(相對介電常數2.5左右)相對介電常數相差較大的特點[3]，利用電容傳感器測量出樣桶每微層(0.2 mm)的相對介電常數，最后通過累加計算出整個樣桶內總原油含水率。計算公式見式(1)和式(2)。

(1)

式中:ε測為測量層油樣的相對介電常數；ε水為本樣桶內礦化水的相對介電常數；ε油為本樣桶內純原油的相對介電常數；wi為測量層原油體積含水率。

(2)

式中:H1為樣桶內油層高度；H2為樣桶內純水層高度；w為樣桶內油樣總的原油含水率。

2.2 快速測定儀硬件設計

原油含水率快速測量儀由電容和電阻式測量探頭、傳動機構、數據采集及處理系統組成，其工作原理如圖2所示。

圖2 測量儀工作原理圖

原油含水率快速測定儀控制采集單元產生250 kHz的激勵波，由測量電極發出。電極1發出激勵波，經過油樣，在電極2接收激勵波。原油導電性差，礦化水導電性好，根據激勵波的衰減程度分析測量出測量點處的相對介電常數，同時利用電極1為正電極、電極2為負電極測量出兩電極的電阻(主要是測量出電阻的變化趨勢)。測量探頭在步進電機的帶動下，緩慢向下移動，測量探頭逐漸接觸樣桶油層、過渡層、水層。步進電機的升降速度設定為恒定值，測量系統每0.2 mm采集探頭處的油樣相對介電常數和電阻。

控制系統控制步進電機以緩慢的恒定速度，通過采集運動時間，準確測量出探頭在樣桶內移動的高度。只要把每微層的原油含水率乘以高度值，就可以得出測量層水的體積。

2.2.1 探頭設計

為了防止原油粘在探頭上，造成上一微層的油樣影響下一微層的測量值，在探頭上覆蓋了一層特氟龍材料，使探頭不粘油或少粘油。同時，在探頭內增加了加熱棒，使探頭的溫度在測量過程中恒定在70 ℃。一是可以消除溫度對測量結果的影響，二是探頭溫度和油樣溫度(60 ℃)接近，也減輕了探頭的粘油量。

通過覆蓋特氟龍涂層和加熱裝置，大大減輕了探頭的粘油量，提高了測量準確度。探頭不粘油設計是原油快速測量儀能否在現場應用的基礎。

2.2.2 樣桶設計

仿照油田采油工人常用的取樣桶的大小形狀，設計制作了一種專門用于原油含水率快速儀的取樣桶。特制的取樣桶使用的材料是聚氯乙烯，這種材料具有非導電性，可消除樣桶電導性對測量數據的影響；同時，長期使用不易變形，防止因樣桶變形帶來的計量誤差。樣桶的底部帶有凹狀平臺，便于樣桶在儀器底座的定位，杜絕放置不當影響測量結果。

3 樣品化驗流程

3.1 油樣預處理

為了取得更高的測量精度，樣品預處理非常關鍵。為了使樣桶的油樣油、水充分分離(油層含水越低、油水界面越清晰測量越準確)，提高快速原油含水率快速測量儀的準確度,用恒溫水浴或烘箱使樣桶內樣品升至60 ℃，靜置半個小時，使得油層的含水降低，過渡層厚度減小，形成圖3所示的分布[4]。圖3中,d為樣桶的內徑，H1為油層厚度，H2為水層厚度，H3為過渡層厚度，單位:mm。

圖3 樣品加熱重力沉降過程圖

3.2 兩個界面的確定

由于樣桶的原油含水率從上至下逐漸升高，測量出的含水電抗特征曲線如圖4所示。

圖4 樣桶垂直剖面電性變化曲線圖

通過分析電抗曲線的斜率變化情況，可得到曲線變化的兩個拐點(即圖4中h1、h2分別和曲線交點)，并可確定界面h1作為油層和過渡層的界面，界面h2作為水層和過渡層的界面。

準確測量分析判斷油層、過渡層、水層是保證原油含水率快速測量儀具有較高測量準確度的關鍵。由于各種油井采出液的原油特性(黏度、密度、蠟質)和水的礦化度差別很大，特別是重質原油和稠油，即使在加熱、重力沉降的作用下，油水界面仍不明顯，1 mm的誤差都會帶來很大的原油含水率測量誤差。為了準確測量出油水界面，消除電容測量的邊界效應，將電容曲線和電阻曲線相結合，能很好地解決這一問題。可以說，用電容和電阻準確判定油水界面是原油含水率快速測定儀的技術創新點。

3.3 參數自動修正

不同的油井，其原油物性和水的礦化度差異很大，勝利油田油井水的礦化度在(3 000～100 000)×10-6，而原油又分為輕質油、重質油、稀油和稠油。若設計的原油含水率快速測定儀把原油ε油和純水ε水設定常數，必然不能適用所有油井原油含水率的測定，并且會帶來很大的計量誤差。原油物性和水礦化度的自動修正方法是，測量探頭移動到純水層時，測得的相對介電常數作為本樣桶水的相對介電常數，從式(1)可以推算出此時水層的含水率為100%。

(3)

由于純原油不導電，其相對介電常數一般情況下相差不大。對于一個油藏區塊的油井來說，可以把原油的相對介電常數設定為一個固定值，但對不同類型的油藏的油井來說，原油相對介電常數要進行修正，可以通過多次對比試驗的方法得出一個經驗值。

3.4 過渡層原油含水率分析計算方法

過渡層含水率的測量是一個技術難點。過渡層的原油含水率從低含水至100%含水，包含了油包水、水包油兩種狀態，且不同油井的采出液經預處理后過渡層厚度相差很大。首先，通過配比試驗，擬合出不同含水率與介電常數關系曲線，如圖5所示，作為計算過渡層含水率的數學模型。

圖5 不同原油含水率相對介電常數變化曲線示意圖

然后利用模糊數學，根據過渡層介電常數曲線切線斜率，把過渡層又分為兩層油層和水層，斜率的大小決定了分配比例。這樣就很好地解決了油包水、水包油電容法測量原油含水率本身存在的技術難題[5]。

4 快速測定儀對比測試

4.1 實驗室標準樣對比試驗

首先在實驗室用純原油和礦化水配比標樣，驗證原油含水率快速測量儀的準確性。為了使原油和水有一定的混合，配比標準樣的步驟是先向樣桶內倒入經準確稱量的原油，然后倒入礦化水，并且攪拌搖勻，再把配置好比例的樣桶放入恒溫水浴加熱到60 ℃，靜止30 min。對比測量數據如表1所示。

表1 標準數據和儀器對比數據

從實驗室標準配樣對比數據來看，原油含水從70%～95%，原油含水率快速測量儀的測量誤差均小于±1.0%，且原油含水率快速測量儀在每個測量點下具有很好的重復性,完全達到了測量高含水油井的技術要求。

4.2 現場比對試驗

在現河采油廠對不同油井采出液的含水率化驗對比分析結果如表2所示。

表2 現場比對試驗數據1

把研制的原油含水率快速測量儀應用到采油隊化驗室，驗證原油含水率快速測量儀在現場的適用性和準確性。試驗的場地選擇在勝利油田現河采油廠采油六隊。試驗方法是人工蒸餾化驗和原油含水率快速測量儀進行比對。從油井取的油樣，先用恒溫水浴加熱到60 ℃，沉降30 min，用研制的原油含水率快速測量儀測量樣桶內原油含水率。同時，把該油樣送采油隊化驗室，由化驗人員按照常規蒸餾分析化驗方法進行含水率測量。

從比對數據來看，對于稀油油井，用原油含水率快速測量儀分析油井含水率，比對誤差小于±2.0%。考慮到人工蒸餾化驗存在±1.5%計量誤差，測量準確度可以說相當高，完全能夠滿足稀油油井含水率計量的要求。對于稠油油井，第一次測量數據也小于±2.0%,但第二次測量數據較差，說明稠油有粘探頭的現象，探頭粘油影響了測量結果。對于稠油油井，可以通過提高恒溫水浴的溫度(70 ℃)或加入降粘劑來消除粘油的影響。對于低含水油井，原油含水率快速測量儀測量準確度較差，不適用于低含水，但我們可以向取樣桶內添加定量水的方法，使樣桶內的油樣處于高含水后再測量。這樣就可以滿足低含水油井計量問題。

5 結束語

油井采出液原油含水率計量問題是一個長期困擾油田的世界性難題，油井原油含水率快速測量儀從另一個角度解決了油井含水率計量問題，得到了油田廣大化驗人員的普遍歡迎，其技術水平也得到了油田專家的高度評價。該儀器的推廣應用，將極大地提高油井原油含水率測量的快速性和及時性，對準確分析油井生產動態變化，科學實施采油工藝措施，降低油井作業成本，提高油井采收率，實現油井長期穩產、高產，具有十分重大的經濟效益和社會效益。

[1] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 8929-2006 原油水含量的測定—蒸餾法[S].北京：中國標準出版社，2006.

[2] 呂高峰,吳明,張金華,等.原油含水率測量技術現狀分析[J].當代化工，2011，40(2)：146-147.

[3] 楊瑞斌，宋章帥.原油含水率測量分析原理與系統應用[J].山西科技,2011，26(2)：103-104.

[4] 郭有勝，張欲立，孟凡軍.射頻阻抗技術在油罐剖面監測中的應用[J].新技術新工藝，2010，11(11)：97-98.

[5] 于寶，于靖民，陳鈺，等.低流量下同軸陣列電容法測量含水率實驗研究[J].測井技術,2012，36(6)：560-563.

Development of the High-speed Measuring Instrument for Water Content of Crude Oil by Using Capacitance and Resistance Method

The measuring method based on distillation and assay for determining the water content of crude oil taken out from oil well features many shortcomings, such as complex operation procedures, longer assay time, large metering error, and heavy pollutions of oil and gas, etc. Aiming at these problems, the special resistance and capacitance sensor is designed by adopting the principle of big difference of relative dielectric constant between oil and water; then through some of the technical measures, including automatic correction for influence factors, and fuzzy processing of mathematical model, etc., the high speed analyzer that can measure water content of crude oil in sampling barrel is developed. The instrument thoroughly changes the traditional assay mode for water content of crude oil, and greatly heightens the operating efficiency for measuring water content in crude oil produced from the oil wells.

Water content in crude oil Capacitance Resistance Oil well Measurement instrument

杜懷棟(1964-)，男，1987年畢業于中國石油大學(華東)測井專業，獲學士學位，高級工程師；主要從事油氣計量技術的研究。

TH89

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504017

修改稿收到日期：2014-07-18。