电容和电阻法原油含水率快速测量仪的研制

杜怀栋 王春光

(中国石化胜利油田分公司技术检测中心，山东 东营 257000)

电容和电阻法原油含水率快速测量仪的研制

杜怀栋 王春光

(中国石化胜利油田分公司技术检测中心，山东 东营 257000)

针对油井采出液原油含水率测量蒸馏化验方法存在操作过程繁杂、化验时间较长、计量误差大、油气污染重等问题，利用原油和水相对介电常数差别较大的原理，设计了一种特殊的电容、电阻测量传感器，并通过对影响因素的自动修正、数学模型模糊处理等技术手段，开发了一种能够快速测量取样桶内原油含水率的分析仪。该仪器彻底改变了油田多年来传统的原油含水率化验方式，将极大地提高油井采出液原油含水率测量的工作效率。

原油含水率 电容 电阻 油井 测量仪

0 引言

油井采出液原油含水率测量是油田开发中一项十分重要的工作。技术人员通过分析油井原油含水率的变化趋势，及时掌握油井生产动态，科学实施油藏开发措施，从而提高油井采收率。

随着胜利油田进入开发中、后期，油水井精细化分析管理对油井原油含水率测量的准确度和及时性提出了更高的要求。油田多年来采用的蒸馏化验方法[1]因计量误差大、操作时间长[2]已不能满足油田开发的需要，迫切需要一种高效、准确的分析化验方法。胜利油田技术检测中心针对油井采出液原油含水率测量化验分析存在的问题，成功研制出了一套“油井采出液原油含水率快速测量仪”。该测量仪具有测量快速、准确度高、节能环保等优点。该测量仪通过在油田采油队一年多的推广应用，取得了良好的应用效果，得到了广大化验人员的普遍认可。

1 含水率化验技术现状

1.1 油田开发现状

胜利油田现有24 000多口油井，为了掌握油井的生产变化情况，保持油井稳产高产，需要及时采取调整注水参数、维护作业和措施作业等采油措施。油田规定采油工人每天要对每口油井进行人工取样、蒸馏化验。目前，胜利油田共有300多个采油队，每个采油队都建立了油井采出液原油含水化验室，全油田每天化验油样15 000多个，原油含水化验工作量相当大。

1.2 传统化验步骤

传统的油井采出液原油含水率蒸馏化验过程较繁杂，步骤如图1所示。

① 首先采油工人每天到井口用1 L的取样桶取样，并称重取回的油样W1。

② 由于油井绝大部分都是高含水(胜利油田油井平均含水达90%以上)，取回的油样需经过冷凝沉降后把游离水分离出来，称重样桶内剩余油样W2。

③ 样桶内剩余的冷凝原油经过加热(40 ℃)后，搅拌均匀，从样桶内取10 g或20 g或50 g(根据剩余原油含水率确定取样量)，倒入蒸馏烧瓶内，然后加入200～300 mL的溶剂汽油。

④ 配置好油样的烧瓶放到电炉加热蒸馏，加热温度控制在200 ℃左右，整个蒸馏过程严格按照GB 8929《石油产品水分测定法》操作，蒸馏化验过程需要45～60 min。

⑤ 最后读取蒸馏装置接收器内水的刻度值，由烧瓶内原油质量W1、W2和接收器内的刻度值计算出洋桶内原油的含水率。

⑥ 清洗干净取样桶以备下次取样使用，待蒸馏烧瓶完全冷却后用汽油清洗干净烧瓶。重复以上步骤，继续分析化验，每天化验人员连续工作6～8 h。

图1 传统化验流程图

从以上过程可以看出，油井采出液原油含水化验过程比较繁杂，并且由于整个过程涉及三次称样、分水、分样、蒸馏。通过大量统计数据得出，整个过程存在着±1.5%以上的操作误差，且化验室夏天温度很高，室内存在浓烈的汽油味。

2 快速测定仪原理与硬件设计

2.1 快速测定仪工作原理

采油工人到井口取油样的样桶是体积1 L的圆柱小桶，可以看作大型油罐的微型化缩小版。由于胜利油田绝大部分的油井是高含水，样桶内的油样经过重力沉降后分为低含水油层、油水过渡层和纯水层。低含水油层一般原油含水率在5%～20%之间，油水过渡层原油含水率从低含水到100%。根据水(相对介电常数80左右)和纯原油(相对介电常数2.5左右)相对介电常数相差较大的特点[3]，利用电容传感器测量出样桶每微层(0.2 mm)的相对介电常数，最后通过累加计算出整个样桶内总原油含水率。计算公式见式(1)和式(2)。

(1)

式中:ε测为测量层油样的相对介电常数；ε水为本样桶内矿化水的相对介电常数；ε油为本样桶内纯原油的相对介电常数；wi为测量层原油体积含水率。

(2)

式中:H1为样桶内油层高度；H2为样桶内纯水层高度；w为样桶内油样总的原油含水率。

2.2 快速测定仪硬件设计

原油含水率快速测量仪由电容和电阻式测量探头、传动机构、数据采集及处理系统组成，其工作原理如图2所示。

图2 测量仪工作原理图

原油含水率快速测定仪控制采集单元产生250 kHz的激励波，由测量电极发出。电极1发出激励波，经过油样，在电极2接收激励波。原油导电性差，矿化水导电性好，根据激励波的衰减程度分析测量出测量点处的相对介电常数，同时利用电极1为正电极、电极2为负电极测量出两电极的电阻(主要是测量出电阻的变化趋势)。测量探头在步进电机的带动下，缓慢向下移动，测量探头逐渐接触样桶油层、过渡层、水层。步进电机的升降速度设定为恒定值，测量系统每0.2 mm采集探头处的油样相对介电常数和电阻。

控制系统控制步进电机以缓慢的恒定速度，通过采集运动时间，准确测量出探头在样桶内移动的高度。只要把每微层的原油含水率乘以高度值，就可以得出测量层水的体积。

2.2.1 探头设计

为了防止原油粘在探头上，造成上一微层的油样影响下一微层的测量值，在探头上覆盖了一层特氟龙材料，使探头不粘油或少粘油。同时，在探头内增加了加热棒，使探头的温度在测量过程中恒定在70 ℃。一是可以消除温度对测量结果的影响，二是探头温度和油样温度(60 ℃)接近，也减轻了探头的粘油量。

通过覆盖特氟龙涂层和加热装置，大大减轻了探头的粘油量，提高了测量准确度。探头不粘油设计是原油快速测量仪能否在现场应用的基础。

2.2.2 样桶设计

仿照油田采油工人常用的取样桶的大小形状，设计制作了一种专门用于原油含水率快速仪的取样桶。特制的取样桶使用的材料是聚氯乙烯，这种材料具有非导电性，可消除样桶电导性对测量数据的影响；同时，长期使用不易变形，防止因样桶变形带来的计量误差。样桶的底部带有凹状平台，便于样桶在仪器底座的定位，杜绝放置不当影响测量结果。

3 样品化验流程

3.1 油样预处理

为了取得更高的测量精度，样品预处理非常关键。为了使样桶的油样油、水充分分离(油层含水越低、油水界面越清晰测量越准确)，提高快速原油含水率快速测量仪的准确度,用恒温水浴或烘箱使样桶内样品升至60 ℃，静置半个小时，使得油层的含水降低，过渡层厚度减小，形成图3所示的分布[4]。图3中,d为样桶的内径，H1为油层厚度，H2为水层厚度，H3为过渡层厚度，单位:mm。

图3 样品加热重力沉降过程图

3.2 两个界面的确定

由于样桶的原油含水率从上至下逐渐升高，测量出的含水电抗特征曲线如图4所示。

图4 样桶垂直剖面电性变化曲线图

通过分析电抗曲线的斜率变化情况，可得到曲线变化的两个拐点(即图4中h1、h2分别和曲线交点)，并可确定界面h1作为油层和过渡层的界面，界面h2作为水层和过渡层的界面。

准确测量分析判断油层、过渡层、水层是保证原油含水率快速测量仪具有较高测量准确度的关键。由于各种油井采出液的原油特性(黏度、密度、蜡质)和水的矿化度差别很大，特别是重质原油和稠油，即使在加热、重力沉降的作用下，油水界面仍不明显，1 mm的误差都会带来很大的原油含水率测量误差。为了准确测量出油水界面，消除电容测量的边界效应，将电容曲线和电阻曲线相结合，能很好地解决这一问题。可以说，用电容和电阻准确判定油水界面是原油含水率快速测定仪的技术创新点。

3.3 参数自动修正

不同的油井，其原油物性和水的矿化度差异很大，胜利油田油井水的矿化度在(3 000～100 000)×10-6，而原油又分为轻质油、重质油、稀油和稠油。若设计的原油含水率快速测定仪把原油ε油和纯水ε水设定常数，必然不能适用所有油井原油含水率的测定，并且会带来很大的计量误差。原油物性和水矿化度的自动修正方法是，测量探头移动到纯水层时，测得的相对介电常数作为本样桶水的相对介电常数，从式(1)可以推算出此时水层的含水率为100%。

(3)

由于纯原油不导电，其相对介电常数一般情况下相差不大。对于一个油藏区块的油井来说，可以把原油的相对介电常数设定为一个固定值，但对不同类型的油藏的油井来说，原油相对介电常数要进行修正，可以通过多次对比试验的方法得出一个经验值。

3.4 过渡层原油含水率分析计算方法

过渡层含水率的测量是一个技术难点。过渡层的原油含水率从低含水至100%含水，包含了油包水、水包油两种状态，且不同油井的采出液经预处理后过渡层厚度相差很大。首先，通过配比试验，拟合出不同含水率与介电常数关系曲线，如图5所示，作为计算过渡层含水率的数学模型。

图5 不同原油含水率相对介电常数变化曲线示意图

然后利用模糊数学，根据过渡层介电常数曲线切线斜率，把过渡层又分为两层油层和水层，斜率的大小决定了分配比例。这样就很好地解决了油包水、水包油电容法测量原油含水率本身存在的技术难题[5]。

4 快速测定仪对比测试

4.1 实验室标准样对比试验

首先在实验室用纯原油和矿化水配比标样，验证原油含水率快速测量仪的准确性。为了使原油和水有一定的混合，配比标准样的步骤是先向样桶内倒入经准确称量的原油，然后倒入矿化水，并且搅拌摇匀，再把配置好比例的样桶放入恒温水浴加热到60 ℃，静止30 min。对比测量数据如表1所示。

表1 标准数据和仪器对比数据

从实验室标准配样对比数据来看，原油含水从70%～95%，原油含水率快速测量仪的测量误差均小于±1.0%，且原油含水率快速测量仪在每个测量点下具有很好的重复性,完全达到了测量高含水油井的技术要求。

4.2 现场比对试验

在现河采油厂对不同油井采出液的含水率化验对比分析结果如表2所示。

表2 现场比对试验数据1

把研制的原油含水率快速测量仪应用到采油队化验室，验证原油含水率快速测量仪在现场的适用性和准确性。试验的场地选择在胜利油田现河采油厂采油六队。试验方法是人工蒸馏化验和原油含水率快速测量仪进行比对。从油井取的油样，先用恒温水浴加热到60 ℃，沉降30 min，用研制的原油含水率快速测量仪测量样桶内原油含水率。同时，把该油样送采油队化验室，由化验人员按照常规蒸馏分析化验方法进行含水率测量。

从比对数据来看，对于稀油油井，用原油含水率快速测量仪分析油井含水率，比对误差小于±2.0%。考虑到人工蒸馏化验存在±1.5%计量误差，测量准确度可以说相当高，完全能够满足稀油油井含水率计量的要求。对于稠油油井，第一次测量数据也小于±2.0%,但第二次测量数据较差，说明稠油有粘探头的现象，探头粘油影响了测量结果。对于稠油油井，可以通过提高恒温水浴的温度(70 ℃)或加入降粘剂来消除粘油的影响。对于低含水油井，原油含水率快速测量仪测量准确度较差，不适用于低含水，但我们可以向取样桶内添加定量水的方法，使样桶内的油样处于高含水后再测量。这样就可以满足低含水油井计量问题。

5 结束语

油井采出液原油含水率计量问题是一个长期困扰油田的世界性难题，油井原油含水率快速测量仪从另一个角度解决了油井含水率计量问题，得到了油田广大化验人员的普遍欢迎，其技术水平也得到了油田专家的高度评价。该仪器的推广应用，将极大地提高油井原油含水率测量的快速性和及时性，对准确分析油井生产动态变化，科学实施采油工艺措施，降低油井作业成本，提高油井采收率，实现油井长期稳产、高产，具有十分重大的经济效益和社会效益。

[1] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 8929-2006 原油水含量的测定—蒸馏法[S].北京：中国标准出版社，2006.

[2] 吕高峰,吴明,张金华,等.原油含水率测量技术现状分析[J].当代化工，2011，40(2)：146-147.

[3] 杨瑞斌，宋章帅.原油含水率测量分析原理与系统应用[J].山西科技,2011，26(2)：103-104.

[4] 郭有胜，张欲立，孟凡军.射频阻抗技术在油罐剖面监测中的应用[J].新技术新工艺，2010，11(11)：97-98.

[5] 于宝，于靖民，陈钰，等.低流量下同轴阵列电容法测量含水率实验研究[J].测井技术,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

杜怀栋(1964-)，男，1987年毕业于中国石油大学(华东)测井专业，获学士学位，高级工程师；主要从事油气计量技术的研究。

TH89

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504017

修改稿收到日期：2014-07-18。