基于密度法測量原油含水率的檢測儀設(shè)計

摘要：針對長慶油田油井的實際工況，根據(jù)密度法測量石油含水率原理，設(shè)計了一種檢測井口外輸原油混合液密度的檢測儀，并對該測量方法進行了誤差分析，評估了該測量儀所適用的范圍。實踐證明，該測量儀既能動態(tài)地實時測量，又能靜態(tài)地實現(xiàn)取樣測量外輸原油含水率。
關(guān)鍵詞：密度法測量；石油含水率；檢測儀；誤差分析

    石油在開采、集輸、計量、煉化等過程中，都要求檢測石油的含水率。石油含水率的檢測，對于確定油井出水、出油層位、估計原油產(chǎn)量、預(yù)測油井的開發(fā)壽命等，都具有很重要的意義。及時準(zhǔn)確地原油含水率檢測數(shù)據(jù)，不僅能夠反映出油井的工作狀態(tài)，而且對管理部門減少能耗，降低成本，實現(xiàn)油田自動化管理也起著重要的作用。近幾年，國內(nèi)外已先后采用電容、超聲波、微波、短波等方式，開發(fā)出了各種各樣的石油含水率檢測儀器。但由于現(xiàn)場工況復(fù)雜，這些測量儀器開發(fā)時缺乏針對性，開發(fā)過程與用戶現(xiàn)場沒有很好地結(jié)合，現(xiàn)場服務(wù)也不會及時，使得這些檢測儀器距離實際應(yīng)用還存在著不少差距。本文根據(jù)密度法測量原理，針對長慶油田油井的實際工況，研發(fā)了一種能夠符合三級計量標(biāo)準(zhǔn)的原油含水率檢測裝置。該裝置主要用于在線測量油井口外輸石油的含水率，可以極大地提高測量效率，有效地減輕勞動強度。

1 石油含水率的數(shù)學(xué)模型
    通過采油樹從井口出來的原油，屬油、水、氣三相混合液體。當(dāng)原油通過井口降回壓裝置、過濾罐進入油槽內(nèi)時，由于經(jīng)過兩次除砂、除氣過濾，油槽內(nèi)的混合液就可以忽略氣體的存在而成為油、水兩相混合液，據(jù)此即可建立石油含水率的數(shù)學(xué)模型。
    設(shè)含水原油的體積為V，密度為ρ，含水原油中純油的體積為Vo，密度為ρo，質(zhì)量為Mo，水的體積為Vw，密度為ρw，質(zhì)量為Mw。于是有：

    由上兩式可見，由于純油和純水的密度ρo和ρw一般為常數(shù)，原油含水率與其密度ρ呈線性關(guān)系。因此，只要測得含水原油密度ρ，即可求出原油體積含水率和質(zhì)量含水率。

2 測量儀硬件設(shè)計
2．1 測量儀系統(tǒng)原理圖
    根據(jù)密度法測量石油含水率原理，該測量儀系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

    圖1中，AT89S52單片機是一種低功耗、高性能8位COMS微控器，具有8 KB的FLASH存貯器，256 B RAM，32位I／O口線，1個看門狗定時器等；ICL7135是一種4位半高精度雙積分A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)果采用動態(tài)字位掃描BCD碼輸出，其在單極性下，最高時鐘頻率為1 MHz時，轉(zhuǎn)換速率為25次／s，對三個傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：壓力傳感器的精度等級為1‰，量程為0～5 kPa；液位傳感器的精度等級為1‰，量程為0～500 mm；溫度傳感器精確度為1℃。
    整個系統(tǒng)通過單片機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、運算處理，三個傳感器分別對原油的壓力、液位、溫度檢測，并經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的BCD碼輸入到單片機，單片機按照程序設(shè)定好的數(shù)學(xué)模型計量出原油體積含水率和質(zhì)量含水率后送液晶屏顯示或打印機打印。另外通過鍵盤可輸入系統(tǒng)參數(shù)和顯示畫面切換。
2．2 測量方法的實現(xiàn)
    根據(jù)油田油井上的實際應(yīng)用情況，該測量裝置安裝在井口降回壓裝置上，即將壓力傳感器和液位傳感器分別安裝在降回壓裝置上一個500 mm×800 mm×500 mm的長方體槽內(nèi)底部，如圖2所示。

    當(dāng)原油從油井進入井口降回壓裝置后，經(jīng)過過濾、除氣后，通過管道進入油槽內(nèi)(此時管道上電磁閥是開啟的)一段時間后，壓力傳感器和液位傳感器分別測出當(dāng)前時刻下的壓力值P1和液位值H1，繼續(xù)進油一段時間后，電磁閥關(guān)閉，壓力傳感器和液位傳感器分別測出此時的壓力值P2和液位值H2。這時壓力傳感器所測量的壓力差值為△P=P2～P1；液位傳感器測量的液位差為△H=H2-H1，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間。根據(jù)流體靜力學(xué)原理：
    △P=ρg△H
    即：
   
    顯然，利用此式即可求出含水原油密度ρ。將含水原油密度ρ代入所建立的數(shù)學(xué)模型中，就可求出相應(yīng)的原油含水率。為了減小溫度變化造成純油、純水密度變化給原油含水率測量帶來的誤差，該系統(tǒng)在油槽內(nèi)安裝了一個溫度傳感器，由溫度傳感器測出油槽內(nèi)當(dāng)時的溫
度值輸入到單片機，通過軟件修正純油、純水密度，實現(xiàn)對溫度變化引起測量誤差的補償。
    因此，這種通過控制電磁閥來控制進、出油的測量方式，既能夠?qū)崿F(xiàn)在線的實時測量，也能夠?qū)崿F(xiàn)對外輸原油進行取樣測量。

3 測量誤差分析
3．1 模型誤差分析
3．1．1 模型的誤差傳遞公式
    當(dāng)純油密度ρo和含水原油密度的隨機誤差相互獨立且均服從正態(tài)分布時，由式(1)可知原油含水率DV的絕對隨機誤差表達公式為：

    由此可見，含水原油密度ρ和純油密度ρo的大小是影響含水率誤差的兩個直接因素。
3．1．2 含水率大小對含水率測量誤差的影響
    設(shè)δDV=δo=δ，根據(jù)式(4)計算分析表明，在δ不變的情況下，含水率的相對隨機誤差δDV，將隨含水率DV的增加而減少，在低含水階段，減少的趨勢明顯于中、高含水階段，誤差的最小點出現(xiàn)在含水率DV的最大值處。
    若水的密度值ρw=1 000 kg／m3，原油的典型密度值ρo=850kg／m3，若取δ=0．1％，則計算出誤差的最小值δmin=0．94％，這樣用密度法測量原油含水率，最好的誤差情況可達1％。同時，在不考慮系統(tǒng)誤差的情況下，對于給定的含水率相對測量誤差要求分別為±3％，±2％，±1％時，密度法的含水率測量適用范圍分別對應(yīng)為25％～100％，38％～100％，51％～100％。
    計算結(jié)果表明，對含水率隨機誤差在其總的變化趨勢上，若其他條件不變時，純原油密度越小，則含水率誤差也越小。由于純油密度值受溫度的影響很大，溫度越高，其密度值越??；溫度越小，其值越大。這意味著在其他條件不變的情況下，該方法在夏天的測量值精度要高于冬天的測量結(jié)果。
3．2 原油成分變化對測量結(jié)果的影響
3．2．1 原油含氣、含砂所帶來的誤差
    含水原油中含氣會使其密度下降，造成含水率偏低，含油率增高的假象，形成“氣增油”現(xiàn)象；含水原油中含砂會使其密度上升，造成含水率偏高，含油偏低的假象，形成“砂吃油”現(xiàn)象。
    含氣量、產(chǎn)出水礦化度及油品成分變化對測量結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響。實踐證明，若流體中有1％的氣體變化時，按照油水兩相測量模型得到的油水比率誤差約為6％。
    另外，不同地區(qū)原油里的礦化度差異很大(幾倍到十幾倍)，礦化度的變化將導(dǎo)致原油的密度、黏度等物理特性的變化，致使儀表的測量精度下降。理論和實踐都證明，1％的礦化度的變化會給油水比率的測量帶來百分之十幾的影響。
3．2．2 油水乳化液相轉(zhuǎn)變對測量的影響
    由于被測介質(zhì)含量復(fù)雜，特別是高含水原油，出現(xiàn)“油包水”、“水包油”的過渡狀態(tài)，這時油水乳化液發(fā)生相變，即由油連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)向水連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)向水連續(xù)介質(zhì)，這樣就使得多數(shù)儀表的準(zhǔn)確度難以保證。
3．3 檢測儀帶來的誤差
3．3．1 測量模型所帶來的誤差
    該檢測儀采用的是油水兩相測量模型，即：先測出流體的混合密度，再依據(jù)油水密度上的差異計算出油水的各相比率。而油井所產(chǎn)出的原油中通常都含有一定量的氣體，含氣量的微小變化，將對測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。因此，在測量儀器的系統(tǒng)中和測量過程中都應(yīng)盡量的除氣，盡可能地減少氣體對測量結(jié)果所造成的誤差。
3．3．2 測量裝置標(biāo)定所帶來的誤差
    原油含水率測量儀表的標(biāo)定通常是在標(biāo)準(zhǔn)狀況下依靠取樣化驗數(shù)據(jù)進行的，雖然在現(xiàn)有實驗室里所做的化驗水平、精度都滿足儀表的標(biāo)定要求，但是由于取樣樣品受流態(tài)的變化，被測介質(zhì)成分變化，含氣多少，取樣方式及人為因素等各種各樣因素的影響，使最終標(biāo)定值不涵蓋流體在管線中流動的各種狀態(tài)，常常根據(jù)這種取值所標(biāo)定的結(jié)果僅僅反映取樣點的情況，不能代表整個實際現(xiàn)場的真實原油情況。
3．3．3 傳感器結(jié)垢所帶來的誤差
    現(xiàn)場應(yīng)用表明，在油田高含水油井中原油的礦化水會給壓力傳感器探頭帶來結(jié)垢現(xiàn)象。這種結(jié)垢(沉積水、蠟)能引起較為嚴(yán)重的測量誤差。投入式壓力傳感器探頭表面結(jié)垢會使測量的壓力差值△P偏小，使得測得含水原油密度值偏小，造成測得的含水率值增大。在油田的應(yīng)用中，結(jié)垢和結(jié)蠟是很容易發(fā)生的，需要采取切實的措施，并定期進行沖洗，清洗結(jié)蠟，延緩結(jié)垢。

4 結(jié)論
    通過該方法生產(chǎn)的原油含水檢測儀在長慶油田的應(yīng)用表明，該檢測儀既能夠?qū)崿F(xiàn)在線的動態(tài)測量，也能夠?qū)崿F(xiàn)對外輸原油進行取樣測量。依此所建立的模型、相應(yīng)的誤差分析及補償機制，使得該系統(tǒng)在實驗中取得了令人滿意的測量結(jié)果。產(chǎn)品性能符合長慶油田所提出的各項要求，提高了油田的生產(chǎn)效率。其次，為保證測量精度，該測量裝置最好用于含水率超過50％的油井上。