微波法监测原油含水率影响因素分析与策略

梁新玉，张乃禄，姚景超，王文涛，孟智彬

（1.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065；2.陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西 西安 710065；3.西安海联石化科技有限公司，陕西 西安 710065）

0 引 言

在原油的开采过程中原油含水率是一个重要的参数，可以有效反应当前油田的开发状态，对优化油田生产规划、降低开采成本、提高生产效率等具有重要意义[1]。以往的人工测量法、密度法、γ射线法、电导法等在测量的可靠性、实时性和精度方面已无法满足原油含水率监测的需要[2]。微波的穿透能力强，具有测量精度高、可靠性强、测量范围广等优点，已逐步成为国内外各大油田普遍采用的监测方式。但由于油井实际生产过程和工作环境的复杂性，给微波法实时监测原油含水率的准确性和可靠性带来了极大影响，温度变化、监测仪及油井的井况等因素对微波法监测含水率均有较大的影响[2-3]。

本文通过分析和研究微波法含水率监测仪器的研制机理及现场的实际应用情况，将从监测原理、含水率监测仪、油井井况3个方面，对影响微波法监测原油含水率的因素进行分析和研究，并有针对性的提出相应的解决措施。

1 微波法监测原油含水率原理

微波法原油含水率监测的基本原理在于微波在不同介质中传播时，会发生信号幅度的衰减和相位移。油井生产过程中，产出液的成分主要是油和水，通常情况下，油、水的介电常数相对稳定，影响原油的等效介电常数主要是不同比例的油水混合液体，即含水率。

油的介质常数、水的介质常数、原油的等效介质常数和含水率之间存在以下关系[4]：

式中：ε为混合介质的介电常数；εw为水的介电常数；εoil为油的介电常数；d为原油的含水率。通过测量ε，即可得到原油的含水率d。

微波在传播过程中的传播常数由介质的介电常数和电导率决定，在导电介质中，其衰减常数α和相位常数β的表达式方程[4]为：

式中：ω为微波的角频率（rad/s）；μ为混合介质的磁导率（H/m）；σ为混合介质的电导率（S/m）；α为微波的衰减量（Np/m）；β为相移常数（rad/m）。

由式（2）和式（3）可知，当微波频率达到一定量时，电导率的影响可以忽略不计，此时测量微波的衰减量和相位移量都可以得到原油的等效介电常数，因此可采用测量微波相位量变化的方法来测量含水率[2]。

微波在原油中传播的相位移变化量Δψ的表达式为：

式中，ΔL为微波在混合介质中的传播距离，其大小等于传感器的长度。

通过对测量原理及过程的分析，可知微波的相位移量及介电常数是测量的关键。

2 油井井口含水率监测影响因素分析与对策

2.1 监测原理因素

通过对微波法监测原油含水率原理进行分析可知，测得微波在原油中的信号衰减及相位变化量后，可以得到原油的混合介电常数，进而测量出原油的含水率。介电常数是导致微波法测量含水率时相位移发生变化的主要原因，而介电常数又受温度和矿化度的影响较大[5]，因此温度和矿化度是影响微波法原油含水率监测结果是否准确的重要因素。

（1）温度的影响。通过实验表明，油的介电常数通常在2.0～3.0之间，受温度的影响较小，与温度之间无直接对应关系。水的介电常数受温度的影响较大，其介电常数会随温度的升高而减小。在温度升高时，油的介电常数变化不大，水的介电常数减小，导致原油的等效介电常数减小，当原油的含水率减小时，将导致含水率的测量值偏离实际值。根据国际化学应用学会给出的纯水介电常数与温度对应数值关系的参考标准[6]，可以得到纯水介电常数、纯油介电常数与温度趋势图，如图1所示。

图1 不同温度下纯水、纯油介电常数趋势图

（2）电导率和矿化度的影响。油田井下的水中含有矿物盐，不同地区的矿化度差异很大，矿化度的变化会导致介质的介电常数、电导率等发生相应变化，从而引入含水率测量误差。主要表现在两个方面：随着矿化度的增加，原油的电导率会增大，对相位常数的影响也逐渐增大，造成基于相位常数测量的相位偏移误差变大；原油中含有的矿物质会导致油水混合液体内阳离子和阴离子的化合价发生变化，使原油的混合介电常数发生变化，导致原油含水率监测值误差增大[7-8]。

2.2 监测原理因素解决对策

2.2.1 温度因素的对策

通过对图1中的数据用最小二乘法进行拟合处理，可以得到介电常数与温度的关系式：

式中，A与b是常数，通过大量实验发现A=87.853 1，b=0.004 5时，介电常数的测量精度较高，在0～100 ℃范围内，误差小于0.03。可以在含水率监测仪中增加温度传感器模块，辅助测量原油温度，并根据现场实际环境的温度变化，按照式（5）对温度进行补偿和实时修正。

定期校对含水率监测仪，对新安装的含水率监测仪对照人工化验的数据进行校验，进一步保证原油含水率测量的需求。当气候变化温度较低时，对仪器采取相应的保温措施，保障仪器可靠运行。

2.2.2 矿化度影响的对策

在传感器导体外侧镀一层介电常数较大的绝缘材料，这样微波在原油中传播时，由于介质的绝缘效果，能大幅度降低原油电导率的影响，电阻率对相位偏移系数的影响可以忽略不计。

由于矿化度和地域有关，定范围内井下的矿化度变化较小，为减小由矿物质带来的误差，在含水率监测仪安装后，按照实际应用状态进行人工取样化验，对含水率仪进行地域性实验标定，对相关参数进行修正，从而提高测量精度。

2.3 监测仪器因素

2.3.1 监测仪器因素影响分析

微波传感器作为测量微波信号的幅度衰减和相位变化量，并实现含水率相关参数测量的关键器件，在微波法含水率监测过程中起着决定性的作用。但由于井场实际工作环境比较复杂，温度变化、压力变化及腐蚀性气体都会严重影响微波传感器的灵敏度，导致无法准确测量微波的相位移量，影响测量结果的准确性。

天线是含水率监测仪的重要组成部分，负责微波信号的处理。传统的单根天线及电流互感器测量原油含水率时，因测量过程中采集的电压及电流的变化无固定的参考值，因此会给测量结果带来偏差。实验及现场应用表明，在监测仪中安置两根天线分别进行微波信号的收发，能提高微波法测量含水率的准确性。但当两天线的间距较小时，两者之间会存在交变的电场，导致天线之外几乎无能量辐射，严重影响天线的效率，进而影响到原油含水率测量的可靠性。

2.3.2 监测仪器因素解决对策

微波传感器影响的对策。现有的做法是在微波传感器的外表面镀一层薄薄的导电率足够小而介电常数足够大的绝缘材料，例如聚四氟乙烯，它是一种具有稳定物理及化学特性以及较好耐腐蚀性和耐热性的绝缘材料，不仅能够最大限度避免出现传感器的腐蚀现象，同时还能降低原油对传感器的黏性，确保微波传感器对相位移量测量的灵敏度和准确度。

天线影响的对策。采用双天线结构的传感器作为测量原油混合介电常数的传感器，发射天线发出特定频率的微波信号，一路在原油中传播，一路为接收天线提供稳定的相位参考值，以确保原油混合介电常数测量的准确性，进而确保原油含水率测量的准确性。测量模型如图2所示。

图2 原油含水率测量模型

根据油田输油管道的实际尺寸，适当增大发射天线和接收天线之间的间距，在确保微波信号辐射质量的同时减小两天线之间的相互耦合和微波的多次反射。当导线的长度L与波长接近时，导线上的电流辐射场将大大增强。选择合适的天线长度，根据天线相关理论可知[10]，当天线的长度为微波工作频率对应波长的1/4时，天线在原油中的辐射效率最高。为天线外围涂覆一层聚四氟乙烯材料，保障发射天线的辐射稳定性和接收天线的接收稳定性，从而确保天线能够高效率工作，提高原油含水率测量的可靠性。

2.4 油井井况因素

2.4.1 油井井况因素影响分析

由于油田现场环境及井况的复杂性，在含水率监测过程中，测量精度会受到不同的影响。为提高测量的稳定性和可靠性，对油井井况影响因素的分析必不可少。含水率监测仪井口安装结构如图3所示。

图3 含水率监测仪井口安装结构

乳化度及流态影响。不同井口或不同阶段，在原油开采的中后期，原油的含水率非常高，此时油水已经不能充分乳化，导致开采的原油中存在大量的游离水。油水在管道中的流态处于一种非定流态，油和水的分布极不均匀，给测量带来了极大困难。同时也会导致人工取样的误差明显增大，不利于含水率的化验，给后期含水率监测仪的标定带来影响。

伴生气影响。若原油中含有大量的伴生气，在含水率的测量过程中气体会以气泡的形式存在，由于气体的介电常数很小，会改变原油的等效介电常数，从而导致含水率的测量值偏低，含水率误差增大。

原油结蜡影响。对于稠油、凝油和疏松砂岩油藏，这类油田的原油粘度大，结蜡现象比较严重。监测仪中的微波传感器在长时间运行后出现严重的结蜡结垢现象，会降低微波传感器的灵敏度，严重影响测量效果。

2.4.2 油井井况因素解决对策

原油乳化度及流态影响的对策。目前，国内外尚无有效的办法消除高含水原油含水率测量过程中因乳化不均匀、液体非均匀流动带来的影响。相关研究表明，在油田实际原油含水率测量过程中，向含水率监测仪中加入整流器，可以使得原油在管道中的流态处于相对稳定的状态，不仅能够有效提高含水率监测的可靠性和稳定性，同时也能够提高人工取样和化验的准确性。

伴生气影响的对策。单一的微波法不能实现含水率在线测量的含气率实时修正，因此采用两种不同的方法实现修正，如采用微波法测量含水率，采用电导法测量含气率，对原油含水率在线测量的含气率进行实时修正，提高测量的准确性。

结蜡影响的对策。针对开采原油粘度比较大和结蜡比较严重的油井，为有效消除结蜡结垢对含水率监测仪的影响，应定期用清蜡剂对含水率监测仪进行清洗和维护。

3 结 语

微波法含水率监测仪是原油含水率实时动态监测的有效方法，但油井现场的实际生产流程及现场环境比较复杂，微波法实时动态监测含水率的准确性和可靠性会受到很多因素的影响。

微波法监测原油含水率的监测原理、含水率监测仪、油井井况等因素是影响监测结果准确性和可靠性的主要因素。可通过在监测仪中加入温度补偿、优化天线结构化设计、在传感器及天线外侧镀一层电导率足够小，介电常数足够大的绝缘材料，定期对监测仪进行维护等对策，以最大限度减小和消除这些因素对微波法测量含水率的影响，有效提高微波监测原油含水率的精度。