摘要：針對長慶油田油井的實際工況，根據密度法測量石油含水率原理，設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)地實現取樣測量外輸原油含水率。
關鍵詞：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、估計原油產量、預測油井的開發(fā)壽命等，都具有很重要的意義。及時準確地原油含水率檢測數據，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，實現油田自動化管理也起著重要的作用。近幾年，國內外已先后采用電容、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。但由于現場工況復雜，這些測量儀器開發(fā)時缺乏針對性，開發(fā)過程與用戶現場沒有很好地結合，現場服務也不會及時，使得這些檢測儀器距離實際應用還存在著不少差距。本文根據密度法測量原理，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準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 石油含水率的數學模型
    通過采油樹從井口出來的原油，屬油、水、氣三相混合液體。當原油通過井口降回壓裝置、過濾罐進入油槽內時，由于經過兩次除砂、除氣過濾，油槽內的混合液就可以忽略氣體的存在而成為油、水兩相混合液，據此即可建立石油含水率的數學模型。
    設含水原油的體積為V，密度為ρ，含水原油中純油的體積為Vo，密度為ρo，質量為Mo，水的體積為Vw，密度為ρw，質量為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，原油含水率與其密度ρ呈線性關系。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量含水率。

2 測量儀硬件設計
2．1 測量儀系統(tǒng)原理圖
    根據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轉換器，轉換結果采用動態(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，轉換速率為25次／s，對三個傳感器的主要技術指標要求如下：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)通過單片機實現對數據的采集、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A／D轉換器轉換為相應的BCD碼輸入到單片機，單片機按照程序設定好的數學模型計量出原油體積含水率和質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)參數和顯示畫面切換。
2．2 測量方法的實現
    根據油田油井上的實際應用情況，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的長方體槽內底部，如圖2所示。

    當原油從油井進入井口降回壓裝置后，經過過濾、除氣后，通過管道進入油槽內(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，當地的重力加速度為g。根據流體靜力學原理：
    △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代入所建立的數學模型中，就可求出相應的原油含水率。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)在油槽內安裝了一個溫度傳感器，由溫度傳感器測出油槽內當時的溫
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，既能夠實現在線的實時測量，也能夠實現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δDV=δo=δ，根據式(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為25％～100％，38％～100％，51％～100％。
    計算結果表明，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，其密度值越小；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果。
3．2 原油成分變化對測量結果的影響
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”現象。
    含氣量、產出水礦化度及油品成分變化對測量結果產生了一定的影響。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 油水乳化液相轉變對測量的影響
    由于被測介質含量復雜，特別是高含水原油，出現“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)介質轉向水連續(xù)介質轉向水連續(xù)介質，這樣就使得多數儀表的準確度難以保證。
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，再依據油水密度上的差異計算出油水的各相比率。而油井所產出的原油中通常都含有一定量的氣體，含氣量的微小變化，將對測量結果產生較大的影響。因此，在測量儀器的系統(tǒng)中和測量過程中都應盡量的除氣，盡可能地減少氣體對測量結果所造成的誤差。
3．3．2 測量裝置標定所帶來的誤差
    原油含水率測量儀表的標定通常是在標準狀況下依靠取樣化驗數據進行的，雖然在現有實驗室里所做的化驗水平、精度都滿足儀表的標定要求，但是由于取樣樣品受流態(tài)的變化，被測介質成分變化，含氣多少，取樣方式及人為因素等各種各樣因素的影響，使最終標定值不涵蓋流體在管線中流動的各種狀態(tài)，常常根據這種取值所標定的結果僅僅反映取樣點的情況，不能代表整個實際現場的真實原油情況。
3．3．3 傳感器結垢所帶來的誤差
    現場應用表明，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垢現象。這種結垢(沉積水、蠟)能引起較為嚴重的測量誤差。投入式壓力傳感器探頭表面結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。在油田的應用中，結垢和結蠟是很容易發(fā)生的，需要采取切實的措施，并定期進行沖洗，清洗結蠟，延緩結垢。

4 結論
    通過該方法生產的原油含水檢測儀在長慶油田的應用表明，該檢測儀既能夠實現在線的動態(tài)測量，也能夠實現對外輸原油進行取樣測量。依此所建立的模型、相應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果。產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。