摘要：針對(duì)長(zhǎng)慶油田油井的實(shí)際工況，根據(jù)密度法測(cè)量石油含水率原理，設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)井口外輸原油混合液密度的檢測(cè)儀，并對(duì)該測(cè)量方法進(jìn)行了誤差分析，評(píng)估了該測(cè)量?jī)x所適用的范圍。實(shí)踐證明，該測(cè)量?jī)x既能動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)測(cè)量，又能靜態(tài)地實(shí)現(xiàn)取樣測(cè)量外輸原油含水率。
關(guān)鍵詞：密度法測(cè)量；石油含水率；檢測(cè)儀；誤差分析

    石油在開采、集輸、計(jì)量、煉化等過程中，都要求檢測(cè)石油的含水率。石油含水率的檢測(cè)，對(duì)于確定油井出水、出油層位、估計(jì)原油產(chǎn)量、預(yù)測(cè)油井的開發(fā)壽命等，都具有很重要的意義。及時(shí)準(zhǔn)確地原油含水率檢測(cè)數(shù)據(jù)，不僅能夠反映出油井的工作狀態(tài)，而且對(duì)管理部門減少能耗，降低成本，實(shí)現(xiàn)油田自動(dòng)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(cè)儀器。但由于現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，這些測(cè)量?jī)x器開發(fā)時(shí)缺乏針對(duì)性，開發(fā)過程與用戶現(xiàn)場(chǎng)沒有很好地結(jié)合，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)也不會(huì)及時(shí)，使得這些檢測(cè)儀器距離實(shí)際應(yīng)用還存在著不少差距。本文根據(jù)密度法測(cè)量原理，針對(duì)長(zhǎng)慶油田油井的實(shí)際工況，研發(fā)了一種能夠符合三級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的原油含水率檢測(cè)裝置。該裝置主要用于在線測(cè)量油井口外輸石油的含水率，可以極大地提高測(cè)量效率，有效地減輕勞動(dòng)強(qiáng)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(jìn)入油槽內(nèi)時(shí)，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(cè)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(cè)量?jī)x硬件設(shè)計(jì)
2．1 測(cè)量?jī)x系統(tǒng)原理圖
    根據(jù)密度法測(cè)量石油含水率原理，該測(cè)量?jī)x系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

    圖1中，AT89S52單片機(jī)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(gè)看門狗定時(shí)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(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出，其在單極性下，最高時(shí)鐘頻率為1 MHz時(shí)，轉(zhuǎn)換速率為25次／s，對(duì)三個(gè)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(jí)為1‰，量程為0～5 kPa；液位傳感器的精度等級(jí)為1‰，量程為0～500 mm；溫度傳感器精確度為1℃。
    整個(gè)系統(tǒng)通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算處理，三個(gè)傳感器分別對(duì)原油的壓力、液位、溫度檢測(cè)，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(jī)，單片機(jī)按照程序設(shè)定好的數(shù)學(xué)模型計(jì)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(jī)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(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)油田油井上的實(shí)際應(yīng)用情況，該測(cè)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(gè)500 mm×800 mm×500 mm的長(zhǎng)方體槽內(nèi)底部，如圖2所示。

    當(dāng)原油從油井進(jìn)入井口降回壓裝置后，經(jīng)過過濾、除氣后，通過管道進(jìn)入油槽內(nèi)(此時(shí)管道上電磁閥是開啟的)一段時(shí)間后，壓力傳感器和液位傳感器分別測(cè)出當(dāng)前時(shí)刻下的壓力值P1和液位值H1，繼續(xù)進(jìn)油一段時(shí)間后，電磁閥關(guān)閉，壓力傳感器和液位傳感器分別測(cè)出此時(shí)的壓力值P2和液位值H2。這時(shí)壓力傳感器所測(cè)量的壓力差值為△P=P2～P1；液位傳感器測(cè)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(cè)量帶來的誤差，該系統(tǒng)在油槽內(nèi)安裝了一個(gè)溫度傳感器，由溫度傳感器測(cè)出油槽內(nèi)當(dāng)時(shí)的溫
度值輸入到單片機(jī)，通過軟件修正純油、純水密度，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化引起測(cè)量誤差的補(bǔ)償。
    因此，這種通過控制電磁閥來控制進(jìn)、出油的測(cè)量方式，既能夠?qū)崿F(xiàn)在線的實(shí)時(shí)測(cè)量，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外輸原油進(jìn)行取樣測(cè)量。

3 測(cè)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(jī)誤差相互獨(dú)立且均服從正態(tài)分布時(shí)，由式(1)可知原油含水率DV的絕對(duì)隨機(jī)誤差表達(dá)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(gè)直接因素。
3．1．2 含水率大小對(duì)含水率測(cè)量誤差的影響
    設(shè)δDV=δo=δ，根據(jù)式(4)計(jì)算分析表明，在δ不變的情況下，含水率的相對(duì)隨機(jī)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(shì)明顯于中、高含水階段，誤差的最小點(diǎn)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(jì)算出誤差的最小值δmin=0．94％，這樣用密度法測(cè)量原油含水率，最好的誤差情況可達(dá)1％。同時(shí)，在不考慮系統(tǒng)誤差的情況下，對(duì)于給定的含水率相對(duì)測(cè)量誤差要求分別為±3％，±2％，±1％時(shí)，密度法的含水率測(cè)量適用范圍分別對(duì)應(yīng)為25％～100％，38％～100％，51％～100％。
    計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)含水率隨機(jī)誤差在其總的變化趨勢(shì)上，若其他條件不變時(shí)，純?cè)兔芏仍叫?，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(cè)量值精度要高于冬天的測(cè)量結(jié)果。
3．2 原油成分變化對(duì)測(cè)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(huì)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(huì)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(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響。實(shí)踐證明，若流體中有1％的氣體變化時(shí)，按照油水兩相測(cè)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(cè)量精度下降。理論和實(shí)踐都證明，1％的礦化度的變化會(huì)給油水比率的測(cè)量帶來百分之十幾的影響。
3．2．2 油水乳化液相轉(zhuǎn)變對(duì)測(cè)量的影響
    由于被測(cè)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(shí)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(cè)儀帶來的誤差
3．3．1 測(cè)量模型所帶來的誤差
    該檢測(cè)儀采用的是油水兩相測(cè)量模型，即：先測(cè)出流體的混合密度，再依據(jù)油水密度上的差異計(jì)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(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。因此，在測(cè)量?jī)x器的系統(tǒng)中和測(cè)量過程中都應(yīng)盡量的除氣，盡可能地減少氣體對(duì)測(cè)量結(jié)果所造成的誤差。
3．3．2 測(cè)量裝置標(biāo)定所帶來的誤差
    原油含水率測(cè)量?jī)x表的標(biāo)定通常是在標(biāo)準(zhǔn)狀況下依靠取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的，雖然在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室里所做的化驗(yàn)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(cè)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(dòng)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(diǎn)的情況，不能代表整個(gè)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)原油情況。
3．3．3 傳感器結(jié)垢所帶來的誤差
    現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，在油田高含水油井中原油的礦化水會(huì)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(cè)量誤差。投入式壓力傳感器探頭表面結(jié)垢會(huì)使測(cè)量的壓力差值△P偏小，使得測(cè)得含水原油密度值偏小，造成測(cè)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(shí)的措施，并定期進(jìn)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(cè)儀在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)用表明，該檢測(cè)儀既能夠?qū)崿F(xiàn)在線的動(dòng)態(tài)測(cè)量，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外輸原油進(jìn)行取樣測(cè)量。依此所建立的模型、相應(yīng)的誤差分析及補(bǔ)償機(jī)制，使得該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中取得了令人滿意的測(cè)量結(jié)果。產(chǎn)品性能符合長(zhǎng)慶油田所提出的各項(xiàng)要求，提高了油田的生產(chǎn)效率。其次，為保證測(cè)量精度，該測(cè)量裝置最好用于含水率超過50％的油井上。