基于密度法測量原油含水率的檢測儀設計

摘要：針對長(cháng)慶油田油井的實(shí)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(jìn)行了誤差分析，評估了該測量儀所適用的范圍。實(shí)踐證明，該測量?jì)x既能動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)測量，又能靜態(tài)地實(shí)現取樣測量外輸原油含水率。
關(guān)鍵詞：密度法測量；石油含水率；檢測儀；誤差分析

石油在開(kāi)采、集輸、計量、煉化等過(guò)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(chǎn)量、預測油井的開(kāi)發(fā)壽命等，都具有很重要的意義。及時(shí)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(tài)，而且對管理部門(mén)減少能耗，降低成本，實(shí)現油田自動(dòng)化管理也起著(zhù)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(kāi)發(fā)出了各種各樣的石油含水率檢測儀器。但由于現場(chǎng)工況復雜，這些測量?jì)x器開(kāi)發(fā)時(shí)缺乏針對性，開(kāi)發(fā)過(guò)程與用戶(hù)現場(chǎng)沒(méi)有很好地結合，現場(chǎng)服務(wù)也不會(huì )及時(shí)，使得這些檢測儀器距離實(shí)際應用還存在著(zhù)不少差距。本文根據密度法測量原理，針對長(cháng)慶油田油井的實(shí)際工況，研發(fā)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(xiàn)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(dòng)強度。

1 石油含水率的數學(xué)模型
通過(guò)采油樹(shù)從井口出來(lái)的原油，屬油、水、氣三相混合液體。當原油通過(guò)井口降回壓裝置、過(guò)濾罐進(jìn)入油槽內時(shí)，由于經(jīng)過(guò)兩次除砂、除氣過(guò)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(xué)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(zhì)量為Mo，水的體積為Vw，密度為ρw，質(zhì)量為Mw。于是有：

由上兩式可見(jiàn)，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(xiàn)性關(guān)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(zhì)量含水率。

2 測量?jì)x硬件設計
2．1 測量?jì)x系統原理圖
根據密度法測量石油含水率原理，該測量?jì)x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(xiàn)，1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)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(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出，其在單極性下，最高時(shí)鐘頻率為1 MHz時(shí)，轉換速率為25次／s，對三個(gè)傳感器的主要技術(shù)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(gè)系統通過(guò)單片機實(shí)現對數據的采集、運算處理，三個(gè)傳感器分別對原油的壓力、液位、溫度檢測，并經(jīng)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(xué)模型計量出原油體積含水率和質(zhì)量含水率后送液晶屏顯示或打印機打印。另外通過(guò)鍵盤(pán)可輸入系統參數和顯示畫(huà)面切換。
2．2 測量方法的實(shí)現
根據油田油井上的實(shí)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(gè)500 mm×800 mm×500 mm的長(cháng)方體槽內底部，如圖2所示。