油井含水在线测量技术的研究进展

张紫琴1，檀朝东1，吴浩达，宋健

(1.中国石油大学(北京)，北京，102249；2.北京雅丹石油技术开发有限公司，北京，102200)

引言

油井是油田开发最重要的基本生产单元。油井含水率的在线准确计量对于确定油井出水、出油层位、估计原油产量、预测油井的开发寿命、油井的产量质量控制、油井状态检测、数字化油田建设等具有重要意义。目前，原油含水率检测有X射线、γ射线、α射线、超声波、微波、电容、射频等各种不同的测量原理和方法，但是由于现场环境复杂以及井口油气水多相流的复杂性，这些测量方法受流体温度、流态、原油物性、传感器特性等多种因素影响，能够运用到油井的原油含水率的测量仪器还是不多，在性价比、全程测量、安全环保、稳定性、测量精度等方面存在着诸多问题[1]，目前很多油田油井含水仍然采用人工现场逐井录取的方法，耗时耗力。近年来，许多学者为满足现场含水率检测要求，做了许多的研究工作并取得成果。本文对近年来油井含水率在线检测技术的研究进展和发展方向进行论述。

1 油井含水在线检测基本方法

目前，比较成熟的油井含水率在线测量仪原理大都是基于油水混合物的物性机理特性[2]，包括密度法，γ射线衰减法、电磁波法(微波、短波)、近红外光谱吸收法、电容法、射频法等。

1.1密度法

利用油水密度的差异特性，先通过实验给出油和水的密度值，再通过压力传感器测试原油的差压并计算原油的密度，最后计算原油的含水率。张贵林通过对简单的相对误差分析，在高含水阶段，油的密度变化造成的误差小，故密度法适用于高含水率的测量[3]。密度法测含水存在“气增油”、“砂吃油”、“垢减油”等现象，对于“气增油”，可通过实验标定然后通过软件修正来减小溶解气给测量带来的误差。

1.2γ射线衰减法[4][5]

以双能级能源射线衰减为基本原型，其原理是基于γ射线穿过不同油水比的流体管道时能量衰减程度不同。采用γ射线衰减法能够测量任何油水比的情况,并且可以实现在线实时的非介入式测量。其缺点主要表现在放射源的随机性与矿化物质的敏感性，影响其测量精度，并且存在放射性，安全要求高，价格昂贵。目前国内外有众多能够应用到生产现场的原油含水测量仪，基于射线法的原油含水率测量技术的成品较少，国内有西安斯坦公司、兰州柯庆公司生产，美国DE公司研制生产CM-3智能含水分析仪等。

1.3电磁波法(微波、短波)

将电能以电磁波的形式辐射到介质，根据油、水对短波或微波的吸收能力不同来测量油中水的含量。利用微波进行水分测量的优点是操作简单，测量精度高，测量范围广，可以实现在线连续测量，在测量中不易受到物质的结构等的影响，可靠性好，抗干扰能力强，因此有着极其广阔的应用前景。生产基于微波法的原油含水率测量系统的国外公司有挪威Roxar公司、美国的Phrase Dynamic公司，日本生产的SK-100型原油含水测定仪采用高频电磁波感应式测量技术，仪器检测范围大，分辨率高，<0.01%。国内生产的YSH-ZB型原油含水测量仪属于高频电磁波在线原油含水率测量仪，测量范围是0～99%；采用短波法的有SH-JK-1型短波射频井口远传含水量计量系统；YS系列原油含水仪短波法，可以在0～100%量程内测量管输流体的含水率。

1.4近红外光谱法

由于原油成分中的C-H、N-H等和水分子对近红外光的吸收频率不同，在测得的近红外光谱图中，提取对水分吸收敏感的特定波长，通过监测经过流体的投射光强随含水率的变化情况，得到对应的含水率。王进旗等人基于近红外光谱吸收原理和光纤传感器技术提出用于原油低含水率测量系统,具有绿色快速检测、抗电磁干扰、仪器小型化等优势, 应用于体积含水率 0 %～ 5 %的测量范围内,取得较好的测量精度[6]。

1.5电容法

电容法是建立在油水介电常数差异较大的基础上的，常温下，水的介电常数为2.3左右，而原油的介电常数为80左右。当含水率不同的流体流过电容的两电极时，电极间介质的介电常数就会发生变化，导致电容值发生变化，通过检测电路将电容值的微小变化转换成电压信号，由于原油乳化液的介电常数是含水率的函数，从而实现了原油含水率的检测[7]。采用电容法的产品主要有加拿大涤塔公司的涤塔分析仪和国内的YSG-74型原油含水分析仪，其中涤塔含水分析仪是最具代表性的产品。

1.6射频阻抗法

水和油两者的介电常数相差很大，因而所呈现的射频阻抗特性差异也很大。当射频信号经天线传到以油水混合液为介质的负载时，该负载阻抗随着混合液中不同的油水比而变化，通过电流互感器，检测出由阻抗变化引起的电流变化，从而测出原油含水率。党占荣等研究通过结合射频法及电磁衰减法，建立基于射频幅值法的原油含水率测量系统，消除传统方法测量范围有限、不连续测量的缺点，适用于测量我国现阶段高含水油田的产出液含水率。设计已在油田生产中投入使用[8，9]。

2 原油含水率测量主要影响因素

井口油气水多相流属于一个复杂的非线性耗散动力系统，其含水率的动态检测过程是一个受多种因素影响且相互作用的非线性问题，这使得各测量方法和仪表运用的效果都不好，影响因素主要包括这几个方面原油介质、工况条件、测量技术原理、测量仪表等，主要表现为以下几个方面：

(1)原油成分变化对测量的影响。原油中的气体、矿化物质、油品成分的变化，这些因素都对原油的物性参数包括粘度、密度、介电常数带来很大变化，使得各种测量原理方法精度和量程大大降低。如1%的矿化度变化会给油水比率的测量带来百分之十几的影响。

(2)温度、压力等环境因素。油和水的介电常数受温度影响很大，不同品种原油的温度系数也不同。测量环境与标定条件不同，仪表必须采用在线温度和压力补偿，否则结果误差非常大甚至出现错误。

(3)流态变化的影响。油水混合状态复杂，出现油包水和水包油的状态，发生箱变，连续介质从水变为油，测量模型不适用，造成结果误差大。

(4)测量仪表问题。测量模型不完善，常用一种模型来解释全部的情况。仪表存在零漂、温漂和长时间漂移的问题。

3 基于多传感器数据融合的检测方法

鉴于上述不同测量方法存在的各种问题，为了提高仪表测量的准确性、稳定性，学者们以现有检测手段为支撑, 将各种测试技术、数据融合方法、神经网络、支持向量机等新技术引入到原油含水率在线测量的研究中，为了把含水率检测的各种影响因素考虑进去，形成基于多传感器数据融合模型和检测方法。

多传感器数据融合是指对不同知识源和传感器采集的数据进行融合以实现对观测现象更好地理解，可以提高系统的可靠性和鲁棒性，增加数据的可信度[10]。在通过各种测试方法得到各类传感器信号，如差压、射频、电容、温度等，融合这些信息建立模型，数据分析得到可靠的含水率。大致可分为两类，第一类为运用上述原油含水率检测方法中一种，如电容法，然后把其影响因素如温度、矿化度等其他因素考虑进去，进行数据融合；第二类为，结合两种检测方法，如把电容法和密度法检测的含水率信号结合，再考虑其他影响因素，然后进行数据融合。由于实际工况含有噪声，信号波动大，进行数据融合前，首先要进行去噪处理，获得信号的真实特征[11]，运用到的方法有EMD去燥法、小波去噪等。

(1)运用神经网络进行多传感器数据融合。张博运用BP神经网络把电容传感器和电导传感器以及温度传感器数据进行融合，在原油含水率测量的数据处理中达到了预期的目标[12]。王丽娜利用同轴线作为测量传感器装置，同轴线相位法，根据其内部数据的相似性进行聚类，分为低含水段、中含水段和高含段，以含水传感器和流量传感器数据为基础建立基于CPN神经网络的原油含水率预测模型，并与BP神经网络法进行了比较，使用效果更好[13]。张冬至采用多传感器对水分、温度、矿化度进行测量或标定，采用遗传神经网络方法以消除多因素的影响，提高测量精度[14]。

(2)多维回归分析方法。张冬至[15]用于多源测量信息的融合，使含水率测量数据更趋于合理，有利于研究温度、矿化度对含水率测量的影响关系，为克服温度、矿化度对系统的影响提供了依据。左芳君[16]在传统电容式水分传感器的基础上，对温度传感器数据和电容传感器电压运用曲面拟合算法建立被测目标与传感器输出量之间的关系，由采集的数据计算出当方差误差最小时的回归方法的系统。

(3)基于支持向量机的多传感器数据融合。李志明[17]基于电导法工作原理，深入分析了原有估算方法准确度不高的原因,提出了采用软测量方法提高估算准确度的思想。建立了基于SVM的原油含水率软测量模型,仿真结果表明了软测量技术对提高原油含水率估算准确度的有效性。

(4)多种数据模型对比研究。胡学涛[18]对近红外光谱法纵向测量所得的光谱数据，分别用偏最小二乘法(PLS)和支持向量机(SVM)两种方法进行建模分析，通过多个指标、和验证集样品的预测值进行分析可以看出，支持向量机的预测效果要略优于偏最小二乘法的预测效果，后续可针对两种建模方法进行比较研究。

4 结束语

油井油液的含水率是石油生产中的一个重要参数，及时、准确的测量对提高采油生产效率具有重要的意义。近年来，油井含水率在线检测技术的研究和应用也得到了越来越广泛的重视。但是由于受到很多因素的影响，原油含水率的准确测量仍然是一个世界难题。通过各种测试方法得到油井传感器测量信号，如差压、射频、电容，温度等，对这些信息进行融合建立模型，应用数据分析算法可以获得可靠的含水率。把传感器融合技术、数据处理等技术引入到含水率的在线测量当中，提高测量精度与稳定性，将有力推动油井含水在线测试技术发展，满足数字油田建设需要。