基于密度法測量原油含水率的檢測儀設計

摘要：針對長慶油田油井的實際工況，根據密度法測量石油含水率原理，設計了一種檢測井口外輸原油混合液密度的檢測儀，并對該測量方法進行了誤差分析，評估了該測量儀所適用的范圍。實踐證明，該測量儀既能動態地實時測量，又能靜態地實現取樣測量外輸原油含水率。
關鍵詞：密度法測量；石油含水率；檢測儀；誤差分析

石油在開采、集輸、計量、煉化等過程中，都要求檢測石油的含水率。石油含水率的檢測，對于確定油井出水、出油層位、估計原油產量、預測油井的開發壽命等，都具有很重要的意義。及時準確地原油含水率檢測數據，不僅能夠反映出油井的工作狀態，而且對管理部門減少能耗，降低成本，實現油田自動化管理也起著重要的作用。近幾年，國內外已先后采用電容、超聲波、微波、短波等方式，開發出了各種各樣的石油含水率檢測儀器。但由于現場工況復雜，這些測量儀器開發時缺乏針對性，開發過程與用戶現場沒有很好地結合，現場服務也不會及時，使得這些檢測儀器距離實際應用還存在著不少差距。本文根據密度法測量原理，針對長慶油田油井的實際工況，研發了一種能夠符合三級計量標準的原油含水率檢測裝置。該裝置主要用于在線測量油井口外輸石油的含水率，可以極大地提高測量效率，有效地減輕勞動強度。

1 石油含水率的數學模型
通過采油樹從井口出來的原油，屬油、水、氣三相混合液體。當原油通過井口降回壓裝置、過濾罐進入油槽內時，由于經過兩次除砂、除氣過濾，油槽內的混合液就可以忽略氣體的存在而成為油、水兩相混合液，據此即可建立石油含水率的數學模型。
設含水原油的體積為V，密度為ρ，含水原油中純油的體積為Vo，密度為ρo，質量為Mo，水的體積為Vw，密度為ρw，質量為Mw。于是有：

由上兩式可見，由于純油和純水的密度ρo和ρw一般為常數，原油含水率與其密度ρ呈線性關系。因此，只要測得含水原油密度ρ，即可求出原油體積含水率和質量含水率。

2 測量儀硬件設計
2．1 測量儀系統原理圖
根據密度法測量石油含水率原理，該測量儀系統原理圖如圖1所示。

圖1中，AT89S52單片機是一種低功耗、高性能8位COMS微控器，具有8 KB的FLASH存貯器，256 B RAM，32位I／O口線，1個看門狗定時器等；ICL7135是一種4位半高精度雙積分A／D轉換器，轉換結果采用動態字位掃描BCD碼輸出，其在單極性下，最高時鐘頻率為1 MHz時，轉換速率為25次／s，對三個傳感器的主要技術指標要求如下：壓力傳感器的精度等級為1‰，量程為0～5 kPa；液位傳感器的精度等級為1‰，量程為0～500 mm；溫度傳感器精確度為1℃。
整個系統通過單片機實現對數據的采集、運算處理，三個傳感器分別對原油的壓力、液位、溫度檢測，并經A／D轉換器轉換為相應的BCD碼輸入到單片機，單片機按照程序設定好的數學模型計量出原油體積含水率和質量含水率后送液晶屏顯示或打印機打印。另外通過鍵盤可輸入系統參數和顯示畫面切換。
2．2 測量方法的實現
根據油田油井上的實際應用情況，該測量裝置安裝在井口降回壓裝置上，即將壓力傳感器和液位傳感器分別安裝在降回壓裝置上一個500 mm×800 mm×500 mm的長方體槽內底部，如圖2所示。