多品质低含气混输原油低含水率监测传感器在输油管道中的应用

马成荣王鲲鹏

1.长庆油田分公司 第一输油处 （陕西 西安 710021）

2.长庆油田分公司 第八采油厂 （陕西 定边 718600）

多品质低含气混输原油低含水率监测传感器在输油管道中的应用

马成荣1王鲲鹏2

1.长庆油田分公司 第一输油处 （陕西 西安 710021）

2.长庆油田分公司 第八采油厂 （陕西 定边 718600）

长庆油田原油集输主要采用将混合液汇输到集输站，经分离脱水脱气处理后进行管输，对原油的计量主要采用含水仪配合流量计的方法。目前测量原油含水率的技术中，多存在一定的局限性，由于原油的腐蚀性较强，结垢、结蜡严重，致使仪表长期运行可靠性差，尤其是无法消除密度、含气等对含水率测量带来的影响。多品质低含气混输原油低含水率监测传感器，通过良好的技术改进，不仅解决了原油含水率的在线测量问题，而且可为油田分线计量监测节省人力、物力和财力，产生了良好的经济效益和社会效益。

原油混输 含水率 监测 传感器

长庆油田地处鄂尔多斯盆地，属于国内典型的低渗、特低渗油田。为攻克这一特殊地质构造的原油开采难题，不断探索创新勘探思路、开发技术、管理模式，形成了一整套经济有效开发鄂尔多斯盆地低渗、特低渗油藏的主体技术、特色技术、成熟技术。其中，射线型原油含气、含水率自动计量系统，在原油含水监测、原油处理、原油交接和原油储运等原油生产和管理的各个环节中，被广泛使用，成为长庆油田原油生产地面工程的技术特点之一。

多品质低含气混输原油低含水率监测传感器是基于油、气(微量)和水两种不同介质，而在实际原油管输中又存在密度微小变化和含有微量的乳化气的实际情况开发的新型含水仪表，它是对一定能量的γ射线的吸收不同，通过检测γ射线穿过油、水的混合物后的透射计数和散射计数，经过理论计算，实现对原油密度、含水率的在线分析。该计量系统设计新颖、测量准确、安全可靠、运行稳定、使用寿命长、便于操作，特别是修正了由于原油中密度、含气（乳化或游离）对含水率测量的影响，使该仪表在长庆油田的原油计量中发挥了明显的优势。

目前长庆油田原油管输主要采用各采油队将混合液汇输到集输站，经过分离处理，脱水脱气随后进行进行管输，对原油的计量一般主要采用含水仪配合流量计的方法。在国内目前测量原油含水率的技术中，主要有人工蒸馏化验法、电容法、短波法、微波法（或射频法）、振动密度计法。但这些技术都有一定的局限性，而且上述几类仪表都属于接触式测量，由于原油的腐蚀性较强，结垢、结蜡严重，致使仪表长期运行的可靠性差，尤其是这些仪表都无法消除密度含气对含水率测量带来的影响，因而使原油计量自动化始终处于一个低水平，给油田原油计量交接管理带来诸多不便。

多品质低含气混输原油低含水率监测传感器，正是为解决上述诸多问题而研发的，因此长庆油田自1996年以来陆续选用该类型监测仪，通过技术改进和良好的售后服务，其使用覆盖率遍及全油田，不仅解决原油含水率的在线测量问题，而且可为油田分线计量监测节省人力、物力和财力。

工作原理

多品质低含气混输原油低含水率监测传感器，是根据低能γ光子在与被测介质相互作用时的吸收衰减原理设计的工业同位素仪表[1][2][3]，其工作原理是：具有一定初始强度的γ射线穿过油、气 (微量)、水三相混合介质，通过探测器分别在其透射方向测出透射计数和在90°方向测出其散射计数，然后进行计算，得到其混合介质的气液体积比和油水体积比，从而得到含水率，其原理如图1所示。

当一定能量的γ射线穿过一定厚度的某一介质时，其衰减后强度满足指数衰减规律[1][2][3]，即式中n0─γ光子源强度；

n─衰减后的强度；

x─射线穿过某物质的厚度；

μ─某物质对γ射线的吸收系数，它与物质的密度有关。

当射线穿过含有两种物质的混合介质时，则上式可表示为：

式中 μ1、μ2─两种被测物质对γ射线的吸收系数；

l─源和探测器之间的空间距离；

η─两种被测物质体积比。

上式经整理可得：η＝a·ln(n)+b(式中的a、b是常数)。

当测得透射计数n时，根据上式容易得到两种物质的体积比η[4]。在油田原油计量中，如果原油不含气，则η就是原油的体积含水率。然而，在油田实际生产中，原油经常是油、气、水三相混合液，而当射线穿过混合液时，由于不同物质有不同的吸收系数[1][3]，而油、气、水三种物质的密度有明显的差别，因此基于射线的吸收原理得到相应的衰减方程，是可以做到的。但在三相混合液中，要得到的是油、水体积比η和气、液体积比λ两个未知数，仅靠一个探测器得到透射计数，通过解一个透射方程是得不到两个未知数的，必须再有另一个相关方程，通过解方程组才能同时得到含水率和含气率，其解决途径是通过成功引入散射方法得到的。

根据γ射线的散射原理，γ射线与物质作用后在一定角度的散射强度i(θ)与物质的密度有关，且可以表示为：i(θ)＝kρhexp(-bρx)f(θ)

式中 k─与γ源强度有关的一个常数；

ρ─被测物质的密度；

h─密度指数常数；

x─源到探测器的距离；

b─与γ源初始能量有关的一个常数；

θ─探测器和源的夹角；

f(θ)─夹角修正值。

这样，用另一个探测器在某一角度 （一般为90°）可测得射线与物质作用后的散射计数。因为混合液的密度是和油、气、水三种介质的比例有关，即：

式中ρ1、ρ2、ρ3分别为油、气、水的密度，因此通过散射可以得到相关的含水率和含气率信息。

用探测器分别在透射和90°散射方向测得透射计数和散射计数，用上述分析可得到下列方程组：

透射：ln(nx/n0)=(1－λ)(A+Bη)

散射：ln(mx/n0)=(1－λ)(a+bη)

式中 A、B─与被测介质有关的常数；

a、b─与介质及散射角有关的常数；

n0、m0─空管道时透射和散射计数；

nx、mx─管道内有介质时的透射和散射计数；

λ、η─含气率和含水率。

从上述方程组可得知,只要分别测出nx、mx，即可求出含气率λ和含水率η。而方程中的有关常数，对确定的油品而言，只需标定（人工化验）即可得到。

结构性能和技术参数

1 结构性能

多品质低含气混输原油低含水率监测传感器由测量管道、传感器(一次仪表)和计算机数据获取处理系统(二次仪表)两大部分构成（图2）。

2 技术参数

（1）低含水型：含水率测量范围：0%～10%，测量误差：±0.10%；

（2）高含水型：含气率测量范围：5～30%，测量精度：0.25%；

（3）工作方式：全自动在线连续测量；

（4）使用范围和环境：适用于油田各种规格管线的计量分析；环境温度：10℃～45℃；介质温度：10℃～80℃；湿度（相对）≤85%；振动：振幅≤1mm；频率≤20%；

（5）工作压力：1.6MPa、2.5MPa、6.4MPa；

（6）工作电源：±12DCV；

（7）防爆等级：DIIbt4；

（8）信号有效传输距离：200m；

（9）信号传输方式：频率；232/485通讯，MODBUS协议。

经过试验室模拟测试、现场运行检测以及中石油计量检测研究所的检测，证明该监测仪的各项技术指标，均已达到设计要求，适合油田现场的计量。

现场应用情况

长庆靖咸输油管道于2001年建成投运后，即使用该型仪表，目前各输油站已全部安装，主要用于站间平衡及原油交接。

在输油站中的含水仪，其基本配置是：上站或交接点来油管线配有多品质低含气混输原油低含水率监测传感器、体积流量计各一套（台），附加温变、压变；数据采集一般采用PLC系统，上微机软件使用WinCC、Citect或组态王。

组态软件自动进行含水折算，油量、水量累加计算，按照长庆油田计量交接标准报表格式对交接点的油量、水量以瞬时、班、日报表的形式在线显示、自动定时打印。系统自动生成历史文件，对生产记录长时间保存以备随时调阅，最小查阅间隔为1min。

结论

（1）多品质低含气混输原油低含水率监测传感器，实现了原油含水率在线全流量的测量，消除了由于密度变化和微量含气给含水测量带来的误差，克服了其它种类含水仪表由于水包油或油包水等因素造成的测量范围小、非线性误差大以及由于分流取样测量而导致的含水测量代表性差的不足。就在线测量而言，射线型含水仪表的测量精度优于其他种类仪表。

（2）该仪表是通过监测同位素射线穿过被测介质后的透射和散射计数实现油气水三组分在线自动测量的，由于射线是与介质的原子发生作用，因而仪表的精度不受原油的流态的影响。又由于该仪表的创新之处在于使用了散射方式，这一新的测量方式将为多相流的在线监测提供了新的方法。

（3）非接触式测量方法是该仪表的特点，这将使得仪表避免了原油结垢、结蜡的问题，使一次仪表免维护得到技术上的保证。

（4）该仪表监测量程宽、自动化程度高、安装方便、操作简单易学，给现场操作人员带来诸多方便，使油田原油计量水平上了一个台阶。例如：由于微机将分离器的管道压力、含水情况能及时显示出来，并能够对特殊情况作报警，使得分离器操作人员能随时了解分离器的工作状态，这对于分离器的平稳运行十分重要，不仅使原油分离效果好，而且还大大减轻了分离器操作工和化验工的劳动强度。

（5）该仪表是低剂量同位素工业仪表，对γ射线采用了严密的辐射屏蔽，没有任何剂量的泄漏，仪表周围任意距离的γ剂量大大低于国家安全剂量标准。此外，仪表采用了防爆措施，防爆等级为dⅱbt4，保证环境和工作人员的绝对安全。

[1]徐克尊.粒子探测技术[M].上海:科技出版社，1981.

[2]戴光曦.实验原子核物理学[M].北京：原子能出版社，1995.

[3]中国大百科全书 物理学1[M].北京:中国大百科全书出版社,1987.

[4]魏宝文.原子核物理实验方法[M].北京：原子能出版社，1990.

Crude gathering in Changqing Oilfields is mainly fulfilled by firstly inputting mixed oil into gathering station,and then dealing with them through dehydration and degasification.The crude oil is measured by means of the combination of flow-meters and water-bearing meters.At present,there exists some limitation in the technology of measuring water content of crude oil.Because of the strong corrosivity,the serious scale deposit and the paraffin deposit,the reliability of meters has become poor in the long-term operation,especially having no way to remove the influence of density and gas-bearing on water-bearing cut.Based on the good technical improvement,sensors about water cut of mixed crude with multiple qualities and lower gas-bearing have not only solved the problem of measuring water-bearing cut of crude on line,but also can use human,material and finance resources sparingly for measurement supervision of oilfield sub-lines,and thus getting better economic benefits and social benefits.

mixed transportation of crude oil;water-bearing cut;monitoring;sensor

马成荣（1973-），女，经济师，主要从事原油计量交接管理工作。

邬静

2009-09-21