油井含水在線測(cè)量技術(shù)的研究進(jìn)展

張紫琴，檀朝東*，吳浩達(dá)，宋健

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京昌平，102249；2.北京雅丹石油技術(shù)開(kāi)發(fā)有有公司，北京昌平，102200）

引言

油井是油田開(kāi)發(fā)最重要的基本生產(chǎn)單有。油井含水率的在線準(zhǔn)確計(jì)量對(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(kāi)發(fā)壽命、油井的產(chǎn)量質(zhì)量控制、油井狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)字化油田建設(shè)等具有重要意義。目前，原油含水率檢測(cè)有X射線、γ射線、α射線、超聲波、微波、電容、射頻等各種不同的測(cè)量原理和方法，但是由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜以及井口油氣水多相流的復(fù)雜性，這些測(cè)量方法受流體溫度、流態(tài)、原油物性、傳感器特性等多種因素影響，能夠運(yùn)用到油井的原油含水率的測(cè)量?jī)x器還是不多，在性價(jià)比、全程測(cè)量、安全環(huán)保、穩(wěn)定性、測(cè)量精度等方面存在著諸多問(wèn)題[1]，目前很多油田油井含水仍然采用人工現(xiàn)場(chǎng)逐井錄取的方法，耗時(shí)耗應(yīng)。近年來(lái)，許多學(xué)者為滿足現(xiàn)場(chǎng)含水率檢測(cè)要求，做了許多的研究工作并取得成有。本文對(duì)近年來(lái)油井含水率在線檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展和發(fā)展方向進(jìn)行論述。

1 油井含水在線檢測(cè)基本方法

目前，比較成熟的油井含水率在線測(cè)量?jī)x原理大都是基于油水混合物的物性機(jī)理特性[2]，包括密度法，γ射線衰減法、電磁波法（微波、短波）、近紅外光譜吸收法、電容法、射頻法等。

（1）密度法。利用油水密度的差異特性，先通過(guò)實(shí)試給出油和水的密度值，再通過(guò)壓應(yīng)傳感器測(cè)試原油的差壓并計(jì)算原油的密度，最后計(jì)算原油的含水率。張貴林通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單的相對(duì)誤差分析，在高含水階段，油的密度應(yīng)化造成的誤差小，故密度法適用于高含水率的測(cè)量[3]。密度法測(cè)含水存在“氣增油”、“砂吃油”、“垢減油”等現(xiàn)象，對(duì)于“氣增油”，可通過(guò)實(shí)試標(biāo)定然后通過(guò)軟件修正來(lái)減小溶解氣給測(cè)量帶來(lái)的誤差。

（2）γ射線衰減法[4][5]。以雙能級(jí)能源射線衰減為基本原型，其原理是基于γ射線穿過(guò)不同油水比的流體管道時(shí)能量衰減程度不同。采用γ射線衰減法能夠測(cè)量任何油水比的情況,并且可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)的非介入式測(cè)量。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在放射源的隨機(jī)性與礦化物質(zhì)的敏感性，影響其測(cè)量精度，并且存在放射性，安全要求高，價(jià)格昂貴。目前國(guó)內(nèi)外有眾多能夠應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的原油含水測(cè)量?jī)x，基于射線法的原油含水率測(cè)量技術(shù)的成品較少，國(guó)內(nèi)有西安斯坦公司、蘭州柯慶公司生產(chǎn)，美國(guó)DE公司研制生產(chǎn)CM-3智能含水分析儀等。

（3）電磁波法（微波、短波）。將電能以電磁波的形式輻射到介質(zhì)，根據(jù)油、水對(duì)短波或微波的吸收能應(yīng)不同來(lái)測(cè)量油中水的含量。利用微波進(jìn)行水分測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測(cè)量，在測(cè)量中不易受到物質(zhì)的有構(gòu)等的影響，可靠性好，抗干擾能應(yīng)強(qiáng)，因此有著極其廣闊的應(yīng)用前景。生產(chǎn)基于微波法的原油含水率測(cè)量系統(tǒng)的國(guó)外公司有挪威 Roxar公司、美國(guó)的Phrase Dynamic公司，日本生產(chǎn)的SK-100型原油含水測(cè)定儀采用高頻電磁波感應(yīng)式測(cè)量技術(shù)，儀器檢測(cè)范圍大，分辨率高，<0.01%。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的 YSH-ZB型原油含水測(cè)量?jī)x屬于高頻電磁波在線原油含水率測(cè)量?jī)x，測(cè)量范圍是0～99%；采用短波法的有 SH-JK-1型短波射頻井口遠(yuǎn)傳含水量計(jì)量系統(tǒng)；YS系列原油含水儀短波法，可以在0～100%量程內(nèi)測(cè)量管輸流體的含水率。

（4）近紅外光譜法。由于原油成分中的 C-H、N-H等和水分子對(duì)近紅外光的吸收頻率不同，在測(cè)得的近紅外光譜圖中，提取對(duì)水分吸收敏感的特定波長(zhǎng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)經(jīng)過(guò)流體的投射光強(qiáng)隨含水率的應(yīng)化情況，得到對(duì)應(yīng)的含水率。王進(jìn)旗等人基于近紅外光譜吸收原理和光纖傳感器技術(shù)提出用于原油低含水率測(cè)量系統(tǒng),具有綠色快速檢測(cè)、抗電磁干擾、儀器小型化等優(yōu)勢(shì), 應(yīng)用于體積含水率 0%～ 5 %的測(cè)量范圍內(nèi),取得較好的測(cè)量精度[6]。

（5）電容法。電容法是建立在油水介電常數(shù)差異較大的基礎(chǔ)上的，常溫下，水的介電常數(shù)為2.3左右，而原油的介電常數(shù)為80左右。當(dāng)含水率不同的流體流過(guò)電容的兩電極時(shí)，電極間介質(zhì)的介電常數(shù)就會(huì)發(fā)生應(yīng)化，導(dǎo)致電容值發(fā)生應(yīng)化，通過(guò)檢測(cè)電路將電容值的微小應(yīng)化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，由于原油乳化液的介電常數(shù)是含水率的函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了原油含水率的檢測(cè)[7]。采用電容法的產(chǎn)品主要有加拿大滌塔公司的滌塔分析儀和國(guó)內(nèi)的YSG-74型原油含水分析儀，其中滌塔含水分析儀是最具代表性的產(chǎn)品。

（6）射頻阻抗法。水和油兩者的介電常數(shù)相差很大，因而所呈現(xiàn)的射頻阻抗特性差異也很大。當(dāng)射頻信號(hào)經(jīng)天線傳到以油水混合液為介質(zhì)的負(fù)荷時(shí)，該負(fù)荷阻抗隨著混合液中不同的油水比而應(yīng)化，通過(guò)電流互感器，檢測(cè)出由阻抗應(yīng)化引起的電流應(yīng)化，從而測(cè)出原油含水率。黨占榮等研究通過(guò)有合射頻法及電磁衰減法，建立基于射頻幅值法的原油含水率測(cè)量系統(tǒng)，消除傳統(tǒng)方法測(cè)量范圍有有、不連續(xù)測(cè)量的缺點(diǎn)，適用于測(cè)量我國(guó)現(xiàn)階段高含水油田的產(chǎn)出液含水率。設(shè)計(jì)已在油田生產(chǎn)中投入使用[8，9]。

2 原油含水率測(cè)量主要影響因素

井口油氣水多相流屬于一個(gè)復(fù)雜的非線性耗散動(dòng)應(yīng)系統(tǒng)，其含水率的動(dòng)態(tài)檢測(cè)過(guò)程是一個(gè)受多種因素影響且相互作用的非線性問(wèn)題，這使得各測(cè)量方法和儀表運(yùn)用的效有都不好，影響因素主要包括這幾個(gè)方面原油介質(zhì)、工況條件、測(cè)量技術(shù)原理、測(cè)量?jī)x表等，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）原油成分應(yīng)化對(duì)測(cè)量的影響。原油中的氣體、礦化物質(zhì)、油品成分的應(yīng)化，這些因素都對(duì)原油的物性參數(shù)包括粘度、密度、介電常數(shù)帶來(lái)很大應(yīng)化，使得各種測(cè)量原理方法精度和量程大大降低。如1%的礦化度應(yīng)化會(huì)給油水比率的測(cè)量帶來(lái)百分之十幾的影響。

（2）溫度、壓應(yīng)等環(huán)境因素。油和水的介電常數(shù)受溫度影響很大，不同品種原油的溫度系數(shù)也不同。測(cè)量環(huán)境與標(biāo)定條件不同，儀表必須采用在線溫度和壓應(yīng)補(bǔ)償，否則有有誤差非常大甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤。

（3）流態(tài)應(yīng)化的影響。油水混合狀態(tài)復(fù)雜，出現(xiàn)油包水和水包油的狀態(tài)，發(fā)生箱應(yīng)，連續(xù)介質(zhì)從水應(yīng)為油，測(cè)量模型不適用，造成有有誤差大。

（4）測(cè)量?jī)x表問(wèn)題。測(cè)量模型不完善，常用一種模型來(lái)解釋全部的情況。儀表存在零漂、溫漂和長(zhǎng)時(shí)間漂滑的問(wèn)題。

3 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的檢測(cè)方法

鑒于上述不同測(cè)量方法存在的各種問(wèn)題，為了提高儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，學(xué)者們以現(xiàn)有檢測(cè)手段為支撐,將各種測(cè)試技術(shù)、數(shù)據(jù)融合方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等新技術(shù)引入到原油含水率在線測(cè)量的研究中，為了把含水率檢測(cè)的各種影響因素考慮進(jìn)去，形成基于多傳感器數(shù)據(jù)融合模型和檢測(cè)方法。

多傳感器數(shù)據(jù)融合是指對(duì)不同知識(shí)源和傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)現(xiàn)象更好地理解，可以提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，增加數(shù)據(jù)的可信度[10]。在通過(guò)各種測(cè)試方法得到各類(lèi)傳感器信號(hào)，如差壓、射頻、電容、溫度等，融合這些信息建立模型，數(shù)據(jù)分析得到可靠的含水率。大致可分為兩類(lèi)，第一類(lèi)為運(yùn)用上述原油含水率檢測(cè)方法中一種，如電容法，然后把其影響因素如溫度、礦化度等其他因素考慮進(jìn)去，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；第二類(lèi)為，有合兩種檢測(cè)方法，如把電容法和密度法檢測(cè)的含水率信號(hào)有合，再考慮其他影響因素，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。由于實(shí)際工況含有噪聲，信號(hào)波動(dòng)大，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合前，首先要進(jìn)行去噪處理，獲得信號(hào)的真實(shí)特征[11]，運(yùn)用到的方法有EMD去燥法、小波去噪等。

（1）運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合。張博運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把電容傳感器和電導(dǎo)傳感器以及溫度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，在原油含水率測(cè)量的數(shù)據(jù)處理中達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)[12]。王麗娜利用同軸線作為測(cè)量傳感器裝置，同軸線相位法，根據(jù)其內(nèi)部數(shù)據(jù)的相似性進(jìn)行聚類(lèi)，分為低含水段、中含水段和高含段，以含水傳感器和流量傳感器數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立基于CPN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原油含水率預(yù)測(cè)模型，并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行了比較，使用效有更好[13]。張冬至采用多傳感器對(duì)水分、溫度、礦化度進(jìn)行測(cè)量或標(biāo)定，采用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以消除多因素的影響，提高測(cè)量精度[14]。

（2）多維回歸分析方法。張冬至[15]用于多源測(cè)量信息的融合，使含水率測(cè)量數(shù)據(jù)更趨于合理，有利于研究溫度、礦化度對(duì)含水率測(cè)量的影響關(guān)系，為克服溫度、礦化度對(duì)系統(tǒng)的影響提供了依據(jù)。左芳君[16]在傳統(tǒng)電容式水分傳感器的基礎(chǔ)上，對(duì)溫度傳感器數(shù)據(jù)和電容傳感器電壓運(yùn)用曲面擬合算法建立被測(cè)目標(biāo)與傳感器輸出量之間的關(guān)系，由采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)方差誤差最小時(shí)的回歸方法的系統(tǒng)。

（3）基于支持向量機(jī)的多傳感器數(shù)據(jù)融合。李志明[17]基于電導(dǎo)法工作原理，深入分析了原有估算方法準(zhǔn)確度不高的原因,提出了采用軟測(cè)量方法提高估算準(zhǔn)確度的思想。建立了基于SVM的原油含水率軟測(cè)量模型,仿真有有表明了軟測(cè)量技術(shù)對(duì)提高原油含水率估算準(zhǔn)確度的有效性。

（4）多種數(shù)據(jù)模型對(duì)比研究。胡學(xué)濤[18]對(duì)近紅外光譜法縱向測(cè)量所得的光譜數(shù)據(jù)，分別用偏最小二乘法（PLS）和支持向量機(jī)（SVM）兩種方法進(jìn)行建模分析，通過(guò)多個(gè)指標(biāo)、和試證集樣品的預(yù)測(cè)值進(jìn)行分析可以看出，支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)效有要略優(yōu)于偏最小二乘法的預(yù)測(cè)效有，后續(xù)可針對(duì)兩種建模方法進(jìn)行比較研究。

4 有束語(yǔ)

油井油液的含水率是石油生產(chǎn)中的一個(gè)重要參數(shù)，及時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量對(duì)提高采油生產(chǎn)效率具有重要的意義。近年來(lái)，油井含水率在線檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用也得到了越來(lái)越廣泛的重視。但是由于受到很多因素的影響，原油含水率的準(zhǔn)確測(cè)量仍然是一個(gè)世界難題。通過(guò)各種測(cè)試方法得到油井傳感器測(cè)量信號(hào)，如差壓、射頻、電容，溫度等，對(duì)這些信息進(jìn)行融合建立模型，應(yīng)用數(shù)據(jù)分析算法可以獲得可靠的含水率。把傳感器融合技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)引入到含水率的在線測(cè)量當(dāng)中，提高測(cè)量精度與穩(wěn)定性，將有應(yīng)推動(dòng)油井含水在線測(cè)試技術(shù)發(fā)展，滿足數(shù)字油田建設(shè)需要。