CN108709911A - 一种原油含水率在线测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原油含水率在线测试系统及其测试方法，包括取样测量筒和设有控制阀的进油管，所述取样测量筒的底部设有原油输入口，原油输入口通过进油管连通输油管线；所述取样测量筒的下部设有用于对筒内原油进行加热的伴热装置，内部设有搅拌装置，顶部开设有排气口；还包括设置在取样测量筒外壁的电磁电导传感器。本发明结构设计合理，操作简单方便，通过伴热和搅拌装置能够减少测量中不确定因素的影响，同时，通过设定合理采样时间进行一段时间跨度内的分别采样及综合测定实现了最终含水率测定结果具有更强的参考价值。

Description

一种原油含水率在线测试系统及其测试方法

技术领域

本发明属于油气开发测试技术领域，尤其属于一种原油含水率在线测试系统及其测试方法。

背景技术

目前，我国的大部分的油田已经进入了高含水开采阶段，开采难度增大，产量也在逐年减少，原油含水率是原油生产和储运的重要数据，也是研究油田开发状况的重要参数指标，通过原油含水率信息可以预测出许多重要的油井信息，如估算单井原油产量，预测油井开发寿命等，同时也是计量开采分队油田产量的重要指标，因此我国大部分油田在油田开采、原油运输、石化炼制等生产环节都采用了一系列的计测设备或装置来实现原油含水率的在线实时监测。

原油含水率测量易受到油水流态、流速、压力、温度、矿化度等多种因素的影响，是一个非常复杂的多变量非线性系统，这使得传统的原油含水率检测存在着许多先天不足的缺陷和制约，也给测量带来较大误差。

含水率的测量方法包括在线检测法和离线检测法，目前国内使用的在线原油含水率检测仪器从测量方法上可分为：密度法、γ射线吸收法、微波吸收法、电容法和射频法，这几种测量方法各有优缺点，也都有一定的局限性，比如密度法受含气、原油成分、矿化度、含沙、结垢等影响大；γ射线吸收法有辐射，价格高；微波吸收法成本过高，环境影响大，维护困难；电容法电极表面结垢结蜡现象，受温度影响大，量程范围小；射频法受环境杂散电容干扰影响大；而现阶段国内石油行业中测量原油含水率的离线检测法普遍采用的是蒸馏法。蒸馏法采样时间较长，取样随机性大，并且耗时耗力，劳动强度也较大，而且由于是采用人工取样化验的方法，不能实时在线的反映原油的含水率，不能满足现今对于原油含水率进行测量时间的要求；而且目前，无论是在线测量还是离线测量均在实际工作中存在一个问题，就是以“点”(某一时刻采样到的含水原油)代“面”(全时段大范围的含水原油)来计算原油含水率的问题；在我国石油开采、储运等生产环节，现有的原油含水率的检测仪表和装置已难以满足生产现场的实际需要，原油含水率检测技术和智能测量控制系统仍有较大的提升空间。因此针对我国单井井口检测的实际需要，开发研究含水率测量参考性以及可靠性较高的原油含水率测量控制系统显得更为紧迫和重要。

发明内容

为了解决背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种原油含水率在线测试系统及其测试方法，本发明的结构设计合理，操作简单方便，通过伴热和搅拌装置能够减少测量中不确定因素的影响，同时，通过设定合理采样时间进行一段时间跨度内的分别采样及综合测定实现了最终含水率测定结果具有更强的参考价值。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种原油含水率在线测试系统，包括取样测量筒和设有控制阀的进油管，所述取样测量筒的底部设有原油输入口，原油输入口通过进油管连通输油管线；所述取样测量筒的下部设有用于对筒内原油进行加热的伴热装置，内部设有搅拌装置，顶部开设有排气口；还包括设置在取样测量筒外壁的电磁电导传感器。

所述电磁电导传感器采用复合线圈系，包括绕制在取样测量筒外壁的激励线圈、接收线圈以及设置在两者之间的屏蔽线圈。

还包括控制及处理装置，所述控制及处理装置包括主控制器，温度和液位传感器模块和DDS激励信号生成模块；

所述主控制器用于采集温度和液位传感器模块的数据，发送指令给DDS激励信号生成模块、伴热装置、搅拌装置、驱动泵和阀控制电路，计算并输出含水率；

所述DDS激励信号生成模块接收主控制器的指令，并生成低频激励信号，低频激励信号经功率放大电路处理后输出至电磁电导模块；

电磁电导传感器中的激励线圈用于接收经功率放大处理后的低频激励信号产生作用于取样测量筒内原油的一次电磁场，屏蔽线圈用于抵消激励线圈在接收线圈上产生的一次感应信号，接收线圈用于感应取样测量筒内原油的二次电磁场并输出二次感应信号；二次感应信号经由依次连接的放大滤波电路、相敏检波电路和AD转换电路进行数据处理，处理后的数据输送至主控制器。

所述进油管控制阀包括入口手动球阀和入口电磁阀，进油管与原油输入口之间设有用于控制取样原油入口流量的入口循环泵，入口手动球阀、入口电磁阀与入口循环泵配合完成原油取样。

所述取样测量筒的底部还设有原油输出口，原油输出口通过回油管连接至输油管线，回油管上依次安装有出口循环泵、出口电磁阀和出口手动球阀，构成可控的原油排出通道。

所述排气口依次连接有排气阀和单向止回阀，所述单向止回阀的输出端连通回油管。

所述控制及处理装置还包括用于远程数据交互的无线数传模块、显示含水率的显示模块和数据存储模块。

一种原油含水率在线测试系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤1.采样阶段

并通过开启和关闭进油管的控制阀控制输油管线的原油经进油管进入取样测量筒，原油取样工作分为n次完成，每次取样的原油量相等，且相邻两次取样之间的时间间隔为t，n次取样之后，原油达到取样测量筒的设定液位；

步骤2.测量阶段

当采样阶段完成之后，采用电磁电导法对取样测量筒内的原油进行含水率测量。

电磁电导传感器输出与原油含水率特性相关的感应信号，感应信号经由相应电路处理后，输出取样原油的含水率，完成本次取样测量。

步骤2还包括温控过程，在测量开始前，采集取样测量筒内原油温度，当温度低于设定温度时，启动伴热装置，并控制伴热装置工作直至温度达到设定值，关闭伴热装置。

所述步骤2中还包括排气过程，在测量开始前，启动搅拌装置，取样测量筒内的原油在搅拌装置的作用下均匀混合并释放残存的气体，排出的气体通过排气阀和单向止回阀排至回油管中。

与现有技术相比，本发明至少具备以下效果：通过设置的进油管和取样测量筒可以根据需要取样原油，并对收集到的原油进行含水率测试；伴热装置可以让取样原有的温度满足设定要求，以便准确地进行含水率测量；搅拌装置可以让原油混合均匀，同时配合取样测量筒的排气口可以排除取样原油中混有的气体杂质，排除气体对含水率测量准确率的影响，提高原油含水率测量的准确性；通过对不同时段的原油进行取样综合测定含水率，排出了某一时间点的偶然和不稳定因素对测量结果的影响，提高了测量结果的参考价值。

进一步的，通过电磁电导法含水率测试装置可以实时测试原油的含水率，通过设置的液位测量传感器，可以有效检测单位时间内取样原油的体积，其次，电磁电导测量法因为与原油是非接触测量，因而可以从根本上消除油水混合物本身对传感器的影响；使用电磁电导法测量的结果可以代表较长管道内原油的含水率，而且传感器经过优化后，也可以测量流过某一区域内的原油含水率，随时对测量结果进行精度校正，具有稳定性好，精度高的优点；结合本发明测试方法对某一时间段内的取样原油进行测量，提高了井口原油综合含水和单位时间内平均含水测量的准确性，最大限度的克服由于原油断续产出带来的瞬时原油含水率变化过大的影响。

进一步的，通过设置的无线数传模块配合数据存储模块可以将实时采集的原油含水率信息和设备监控信息经转换后定时传输到数据中心并存入数据库，供油井开发专业人员分析使用，及时掌握多区域、区块乃至油田的注水效果和地层变化情况；同时也可以利用无线数传模块对安装在井口的在线含水率测量仪的工作模式和系统参数通过网络远程进行实时配置和诊断维护；显示模块可以显示上次和当前的原油含水率，工作模式，实时时钟等相关信息，方便用户本地控制和监控系统的工作状态。

进一步的，回油管配合取样测量筒的原油输出口，可以将取样测量筒的油样排出到回油管路，从而实现无污染、无残留的循环测量；设置的循环泵可以根据需要控制原油取样的入口流量及取样原油的排出流量，电磁阀和手动球阀可以隔离取样原油，让取样测量更准确；并且循环泵和电磁阀受控于主控制器，可以实现自动取样；在取样回路中设置电磁阀可以改变原油在取样测量筒中的走向，进而排出到回油管路。

进一步的，出口循环泵的出口流量远大于入口循环泵的入口流量，这样以保证快速有效的将取样测量筒内的原油排出到输油管线。

进一步的，取样原油中的气体释放后经由排气口和单向止回阀回流至输油管线，提高了测量的准确性，避免了气体对环境的污染，且单向止回阀阻止了输油管线中的气体倒流，避免了对含水率测量的影响。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的测量控制系统结构框图；

1、单进管线，2、混进管线，3、单进管线井口闸阀，4、混进管线井口闸阀，5、入口手动球阀，6、入口电磁阀，7、入口循环泵，8、出口循环泵，9、出口电磁阀，10、出口手动球阀，11、伴热装置，12、激励线圈，13、屏蔽线圈，14、接收线圈，15、液位传感器，16、温度传感器，17、搅拌装置，18、排气阀，19、单向止回阀，20、取样测量筒，21、进油管，22、原油输入口，24、原油输出口，25、回油管，26、排气口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的一种原油含水率在线测试系统包括，包括取样测量筒20和设有入口手动球阀5和入口电磁阀6的进油管21，取样测量筒20的底部设有原油输入口22，原油输入口22通过进油管21连通输油管线，进油管21与原油输入口22之间设有用于控制取样原油入口流量的入口循环泵7，入口手动球阀5、入口电磁阀6与入口循环泵7配合完成原油取样；取样测量筒20的底部还设有原油输出口24，原油输出口24通过回油管25连接至输油管线，回油管25上依次安装有出口循环泵8、出口电磁阀9和出口手动球阀10，构成可控的原油排出通道；

取样测量筒20的下部设有用于对筒内原油进行加热的伴热装置11、其内部设有搅拌装置17以及其顶部开设有排气口26，排气口26依次连接有排气阀18和单向止回阀19，所述单向止回阀19的输出端连通回油管。

如图1所示，单井井口的产出原油通常经井口闸阀(3或4)分别通过单进管线1或混进管线2传输到计量站的单井计量罐或混进计量罐。在混进管线2或单进管线1上焊接或通过法兰并联采集取样回路，在采集取样回路中，安装有入口手动球阀5和出口手动球阀10，在正常工作时，入口手动球阀5和出口手动球阀10处于常通状态，以保证采集取样回路中的原油和现有的混进管线并联连接。

如图1和图2所示，还包括控制及处理装置，控制及处理装置包括主控制器，温度和液位传感器模块、DDS激励信号生成模块和电磁电导传感器，电磁电导传感器采用复合线圈系，包括绕制在取样测量筒20外壁的激励线圈、接收线圈以及设置在两者之间的屏蔽线圈，还包括用于远程数据交互的无线数传模块、显示含水率的显示模块和数据存储模块，其中：

主控制器用于采集温度和液位传感器模块的数据，发送指令给DDS激励信号生成模块、伴热装置11、搅拌装置17、驱动泵和阀控制电路，计算并输出含水率；DDS激励信号生成模块接收主控制器的指令，并生成低频激励信号，低频激励信号经功率放大电路处理后输出至电磁电导模块；电磁电导传感器中的激励线圈用于接收经功率放大处理后的低频激励信号产生作用于取样测量筒20内原油的一次电磁场，屏蔽线圈用于抵消激励线圈在接收线圈上产生的一次感应信号，接收线圈用于感应取样测量筒20内原油的二次电磁场并输出二次感应信号；二次感应信号经由依次连接的放大滤波电路、相敏检波电路和AD转换电路进行数据处理，处理后的数据输送至主控制器；

如图2所示，在本发明的某一实施例中，控制及处理装置的结构设计如下：

主控制器：主控制器采用高速、低功耗、超强抗干扰的宏晶科技的STC15W4K单片机作为控制核心，它具有丰富的内部资源和外部接口电路，包括内部集成专用复位电路，4组独立的高速异步串行通信接口，8路高速10位A/D，6通道的15位高精度PWM，便于实现电源监测、程控放大控制、带通滤波中心频率选择和A/D转换、驱动控制等外部接口电路的控制功能。

DDS激励信号生成模块：系统充分利用DDS频率稳定度高、分辨率高、精度高的特点，通过主控制器对DDS芯片进行灵活配置产生电磁电导法测量含水率所需的低频激励信号。激励信号生成模块主要由AD9850波形发生器、极性调理电路、滤波电路等组成。AD9850是AD公司最新推出的一款低功耗可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波和方波，输出频率和相位可以软件编程设置，并允许快速调节；极性调理电路采用LM258将AD9850输出的600mV左右的单极性信号变换为信号幅度可以适当调节放大的双极性信号；滤波电路用以滤除DDS芯片产生的附加噪声。

功率放大模块：功率放大模块主要由运算放大器OP27和功率放大芯片LM1875组成。利用OP27组成的电压跟随器，可以有效降低功放芯片LM1875对DDS输出的正弦信号中的引入噪声，这样LM1875将OP27输出的信号进行功率放大以驱动传感器的激励线圈，并在测量管段形成一个均匀轴对称、有足够强度的电磁场分布。

电磁电导传感器：电磁电导传感器采用复合线圈系，具体包括三部分即激励线圈、屏蔽线圈和接收线圈，屏蔽线圈的作用是抵消激励线圈在接收线圈上产生的一次感应电压。当测量管段采用非磁性金属材料时，根据理论分析和有限元仿真计算，激励线圈和接收线圈应采用螺线管线圈，复合线圈系的最优频率为39Hz。

放大滤波电路和相敏检波电路：由于接收线圈接收到的二次感应电压非常微弱，并且容易受到现场其它信号的干扰，因此需要将感应信号通过差动放大电路、带通滤波电路以及相敏检波电路来提高测量信号的信噪比，同时在后续的处理电路中也需要采用过采样技术和累加平均算法来进一步减小量化噪声和改善信噪比。

AD转换电路：AD转换电路包括峰值保持电路和AD转换两部分。接收线圈的信号经放大滤波、相敏检波等预处理之后，需要将承载含水率信息的正弦信号的电压峰值予以保持。系统选用AD公司的PKD01峰值保持器，来实时跟踪并保持模拟信号的最大值，从而实现正峰值检测或者负峰值检测。AD模数转换电路采用十六位的模数转换芯片AD974实现模数转换功能，它具有功耗低(120mW)，单电源5V供电，速度高达200ksps，SPI接口的显著优点。

触摸屏：在线含水率检测仪的人机接口采用工业级串口电阻式触摸显示屏，主控制器和触摸显示屏采用串口通讯。用户在使用时可以根据需要在触摸显示屏上设置激励信号的频率、取样周期、存储周期，上传测控信息周期等系统参数，同时油井的工作状态，上次和当前的原油含水率，工作模式，实时时钟等相关信息也将实时的显示在显示屏上，以便用户本地控制和监控系统的工作状态。

本发明原油含水率在线测试系统的测试方法分为三个步骤：

步骤1.采样阶段，出口电磁阀9处于常闭状态，井口产出的原油经入口手动球阀5，入口电磁阀6，入口循环泵7进入取样测量筒20，取样测量筒20的高度为380mm,有效总容积为380ml。正常采样时，原油取样工作分为10次完成，每次取样的原油量为30ml，且相邻两次取样之间的时间间隔为3分钟，取样测量筒20上安装的液位传感器15实时测量每次进入取样测量筒20的取样原油体积，当达到设定液位时，关闭入口电磁阀6，等到3分钟的时间间隔达到时，开启入口电磁阀6，开始新一轮采样，如此循环，直到10次取样结束，原油达到300ml的设定液位，即取样测量筒的原油高度大于300mm，入口电磁阀6和入口循环泵7停止工作，进入测量阶段。

当经过10次取样之后，取样测量筒的原油高度仍低于设定液位，即取样测量筒20内的原油体积小于300ml，在这种情况下，系统将继续执行循环采样，直到满足取样原油达到300ml的测量条件，系统才进入测量阶段。当循环采样阶段的采样次数超出正常采样次数的30％时，系统判定油井出现了间抽、空抽等非正常工作状态，并将该非正常工作状态上传给安全控制中心，以便及时有效的采取必要的安全措施。

步骤2.测量阶段，系统首先根据原油混合液的温度(系统实时采集温度传感器16的测量信号)来控制伴热装置是否工作，当混合液的温度小于设定温度(如65℃)时，控制及处理装置控制伴热装置使混合液温度升温，之后控制搅拌装置使混合液充分均匀，这样采用PID控制伴热装置使被测液体的温度保持在65±3℃范围内，同时利用搅拌装置17和自动排气阀18使原油混合液均匀并释放混合液中的残存气体。混合液中的残存气体通过单向止回阀19，出口手动球阀10进入混进管线中。之后进入测量工作模式，首先在激励线圈12中加载恒定的低频交变电流信号，然后实时测量在接收线圈14中的与原油含水率密切相关的输出信号，再经滤波、放大、AD转换、数字处理等一系列信息处理过程得到当前的原油含水率。

步骤3.排出阶段，伴热装置11和搅拌装置17停止工作，入口电磁阀6处于常闭状态，出口电磁阀9处于常通状态，取样测量筒内的原油经出口循环泵8，出口电磁阀9，出口手动球阀10进入混进管线，出口循环泵8的出口流量远大于入口循环泵7的入口流量，这样以保证快速有效的将取样测量筒内的原油排出到混进管线，当取样测量筒20内的原油全部排出后，出口循环泵8和入口循环泵7都停止工作，出口电磁阀9处于常闭状态，完成一次采样、测量和排出三个阶段的工作，等待进入下一个循环工作过程。

上述实施例仅说明本发明的思路及特点，凡依据本发明精神进行改造或替换而实现功能的其他实例也应属于本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种原油含水率在线测试系统，其特征在于，包括取样测量筒(20)和设有控制阀的进油管(21)，所述取样测量筒(20)的底部设有原油输入口(22)，原油输入口(22)通过进油管(21)连通输油管线；所述取样测量筒(20)的下部设有用于对筒内原油进行加热的伴热装置(11)，内部设有搅拌装置(17)，顶部开设有排气口(26)；还包括设置在取样测量筒(20)外壁的电磁电导传感器。

2.如权利要求1所述的一种原油含水率在线测试系统，其特征在于，所述电磁电导传感器采用复合线圈系，包括绕制在取样测量筒(20)外壁的激励线圈、接收线圈以及设置在两者之间的屏蔽线圈。

3.如权利要求2所述的一种原油含水率在线测试系统，其特征在于，还包括控制及处理装置，所述控制及处理装置包括主控制器，温度和液位传感器模块和DDS激励信号生成模块；

所述主控制器用于采集温度和液位传感器模块的数据，发送指令给DDS激励信号生成模块、伴热装置(11)、搅拌装置(17)、驱动泵和阀控制电路，计算并输出含水率；

所述DDS激励信号生成模块接收主控制器的指令，并生成低频激励信号，低频激励信号经功率放大电路处理后输出至电磁电导模块；

电磁电导传感器中的激励线圈用于接收经功率放大处理后的低频激励信号产生作用于取样测量筒(20)内原油的一次电磁场，屏蔽线圈用于抵消激励线圈在接收线圈上产生的一次感应信号，接收线圈用于感应取样测量筒(20)内原油的二次电磁场并输出二次感应信号；二次感应信号经由依次连接的放大滤波电路、相敏检波电路和AD转换电路进行数据处理，处理后的数据输送至主控制器。

4.如权利要求1所述的一种原油含水率在线测试系统，其特征在于，所述进油管控制阀包括入口手动球阀(5)和入口电磁阀(6)，进油管(21)与原油输入口(22)之间设有用于控制取样原油入口流量的入口循环泵(7)，入口手动球阀(5)、入口电磁阀(6)与入口循环泵(7)配合完成原油取样。

5.如权利要求1所述的一种原油含水率在线测试系统，其特征在于，所述取样测量筒(20)的底部还设有原油输出口(24)，原油输出口(24)通过回油管(25)连接至输油管线，回油管(25)上依次安装有出口循环泵(8)、出口电磁阀(9)和出口手动球阀(10)，构成可控的原油排出通道。

6.如权利要求5所述的一种原油含水率在线测试系统，其特征在于，所述排气口(26)依次连接有排气阀(18)和单向止回阀(19)，所述单向止回阀(19)的输出端连通回油管。

7.如权利要求3所述的一种原油含水率在线测试系统，其特征在于，所述控制及处理装置还包括用于远程数据交互的无线数传模块、显示含水率的显示模块和数据存储模块。

8.采用权利要求1-7中任一项所述的原油含水率在线测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.采样阶段

通过开启和关闭进油管的控制阀控制输油管线的原油经进油管进入取样测量筒，原油取样工作分为n次完成，每次取样的原油量相等，且相邻两次取样之间的时间间隔为t，n次取样之后，原油达到取样测量筒的设定液位；

步骤2.测量阶段

当采样阶段完成之后，采用电磁电导法对取样测量筒内的原油进行含水率测量。

9.如权利要求8所述的原油含水率在线测试系统的测试方法，其特征在于，步骤2还包括温控过程，在测量开始前，采集取样测量筒(20)内原油温度，当温度低于设定温度时，启动伴热装置(11)，并控制伴热装置(11)工作直至温度达到设定值，关闭伴热装置(11)；

还包括排气过程，在测量开始前，启动搅拌装置(17)，取样测量筒(20)内的原油在搅拌装置(17)的作用下均匀混合并释放残存的气体，排出的气体通过排气阀(18)和单向止回阀(19)排至回油管中。

10.如权利要求8所述的原油含水率在线测试系统的测试方法，其特征在于，所述步骤1中当经过n次取样后，取样测量筒中的原油高度仍低于设定液位，系统将继续执行循环取样，直到取样原油达到取样测量筒的设定液位，系统才进入测量阶段。