一种含水率测量传感器及基于短波法的原油含水率检测系统的制作方法

1.本发明属于油田采油技术领域，具体涉及一种含水率测量传感器及基于短波法的原油含水率检测系统。


背景技术：

2.在原油开采过程中，油、水比例是表征油田储层的重要参数，也是制订和调整油田开采方案以及优化生产参数的重要依据，精确地测量原油含水率对延长油气井寿命、提高采收率有重要的意义。目前，国内外石油行业原油的生产、储运、加工等环节的原油含水率测量方法主要有人工取样化验法和在线测量法两大类。
3.人工取样测量法根据油水分离手段的不同分为蒸馏法、电脱法等。电脱法虽操作简单，但误差较大。蒸馏法测量精度高；但存在许多缺点，代表性差。每口井的取样量和油井产液量相比非常小，因此，取样的代表性差。连续性差。目前人工取样通常是对正常生产的油井4～7天取一个样，对非正常生产的油井采取加密取样的方式，这就造成了非连续性变化。测量操作需要取样、稀释、缓慢加热等程序；分析一个样品约耗2小时。
4.在线测量法根据原理不同分为电容法、密度法、γ射线法、微波法、短波法等。电容法利用水和油介电常数相差很大的原理，通过测量混合流体经过两个同轴电极时，电路中电容值的变化得到含水率。密度法是确定含水原油的密度后，根据纯水密度和纯油密度，计算出原油含水率。γ射线法利用碳、氧元素对低能γ射线吸收不同，通过测量混合液中碳、氧含量计算出原油含水率。微波法基于微波在混合介质中传播时，相位因油水比例不同发生变化，通过对相位的测量，得到原油含水率。短波法通过发射器对测量介质发射高频电磁波，利用油和水吸收波的能量不同，通过精确测量透射电磁波的强度来判断含水率。
5.人工取样化验法的取样时间长，人工劳动强度大，随机性强，误差大，效率低，无法实现连续测量，不能够实时反映井口原油含水率的变化趋势；电容法受传感器固有电容的影响,无法测量“水包油”的状态，仅适用于中低含水阶段的测量；密度法受原油含砂、含气影响大，测量精度低，仅适于高含水测量；γ射线法存在射线辐射，且设备价格昂贵、维护困难；微波法的测量原理属于对管内两相流点线式的采样，不能全面反映混合两相流的情况，现场工况条件下精度无法满足要求。短波法相比以上几种方法，具有测量范围宽，测量精度高，维护方便的优点，但存在探头长时间与原油接触易结蜡的问题。


技术实现要素：

6.基于现有技术中存在的问题，本发明的目的一是提供一种含水率测量传感器，该传感器具有采样精度高、测量范围宽、测量精度高、稳定性好等优点。
7.本发明的第二目的在于提供一种基于短波法的原油含水率检测系统，该检测系统包括擦除器和上述含水率测量传感器，解决了油田井口含水率探头易粘油、结垢、结蜡问题，保证了探头表面的清洁，提高了含水测量的稳定性精度。
8.旨在准确及时的检测从油井中采出的油气水流体中含水率的同时，提高检测精度
和准确度，并适用于0％
‑
100％范围内含水率的油井。
9.本发明是通过以下技术方案来实现的：
10.一种含水率测量传感器，该含水率测量传感器包括探头密封套、环形探头、电路护管，及设置于电路护管内的测量电路板，所述环形探头与测量电路板电连接；
11.所述探头密封套的前端封闭，探头密封套的后端通过接头体与电路护管的前端连接，电路护管的后端设有压紧螺柱，所述测量电路板上连接有电气线缆，压紧螺柱上开设有线缆穿出口，电气线缆通过该线缆穿出口与外接电缆连接；
12.所述探头密封套的上端焊接有上连接管，探头密封套的下端焊接有下连接管，探头密封套的轴向上开设有贯通孔，所述环形探头固定于该贯通孔中，且该贯通孔与上连接管、下连接管相互连通形成过油通道。
13.作为进一步地优选方案，所述下连接管上开设有取样口，该取样口内安装有取样阀，所述取样阀上设有取样管。
14.作为进一步地优选方案，所述环形探头与探头密封套之间灌封有环氧树脂灌封胶。
15.作为进一步地优选方案，环形探头的探头臂穿过探头密封套及接头体，并伸入电路护管内，且环形探头的探头臂通过探头锁紧螺母绝缘套及探头锁紧螺母与接头体固定连接。
16.作为进一步地优选方案，所述电路护管通过螺纹与接头体连接，所述接头体通过螺钉与探头密封套紧固连接。
17.作为进一步地优选方案，所述的压紧螺柱与电路护管通过螺纹连接，且压紧螺柱与电路护管之间有隔爆胶垫和隔爆钢垫。
18.一种基于短波法的原油含水率检测系统，包括安装于采油井口的出油管线上的四通管，四通管的左端端口连接采油树连接管件，四通管的右端端口连接有丝堵，四通管的上端端口连接有擦除器，四通管的下端端口连接有含水率测量传感器，所述擦除器内设置有擦除头，该擦除头与含水率测量传感器的环形探头接触连接；
19.该检测系统还包括井场防爆箱，所述含水率测量传感器、擦除器分别与井场防爆箱连接。
20.作为进一步地优选方案，所述井场防爆箱内设置有电源、中心处理器、a/d数据转换器、数据存储器及通讯接口；所述电源为含水率测量传感器、擦除器及中心处理器供电；所述中心处理器分别与a/d数据转换器、数据存储器及通讯接口信号连接；通讯接口与远端的监控中心相连，用于与远端监控中心之间的通信；
21.所述擦除与所述中心处理器信号连接，中心处理器接受远端控制中心发送的控制指令，并将该指令发送至擦除器内的控制电路板，进而控制擦除头开始做直线往复运动；
22.所述含水率测量传感器通过a/d数据转换器与所述中心处理器信号连接，含水率测量传感器对原油的含水率进行检测，并将被测物理量通过a/d数据转换器为电信号传递给中心处理器，中心处理器将得到的实时含水数字信号存储至数据存储器，并通过通讯接口将信号传送至远端监控中心。
23.作为进一步地优选方案，所述含水率测量传感器内设置有测量电路板，测量电路板上设置有测量电路，所述测量电路包括依次连接的短波信号源、信号发生器、信号接收
器、检波器、信号比较电路、信号运算放大电路、信号处理电路及信号转换电路；
24.短波信号源产生的短波信号通过信号发生器发射至环形探头，环形探头入射短波信号进入过油通道内，经过油通道中的油水混合液衰减后，由信号接收器接收，信号接收器将接收到带有含水率信息的短波信号发送给检波器，检波器将结果传输至信号比较电路，与短波信号源产生的入射信号进行比较，比较完后经信号运算放大电路放大，并通过信号处理电路、信号转换电路转换成电流信号，电流信号通过电气线缆传输至井场防爆箱中的数据综合处理单元，由a/d转换器将其转换为数字信号，进入中心处理器进行数据综合分析处理、运算，得到的实时含水数字信号存储在数据存储器中供数据调用，并通过通讯接口转换为rs485信号输出至远端监控中心。
25.作为进一步地优选方案，所述取样管上设有与数据综合处理单元进行数据传输的通信端口。
26.采用上述技术方案，本发明的优点如下：
27.1.本发明基于短波法，所提供的原油含水率测量的装置原油含水率测量的装置，通过优化含水率测量装置的结构及优化原油含水率在线监测系统软件，提高含水率在线计量精度，实现油井井口原油含水率准确在线监测，降低生产成本和采油工人的劳动强度，提高油田数字化管理水平。
28.2.本发明所述井口原油含水率在线测量装置的测量范围为含水0
‑
100％全量程，适应油田井口高低含水的变化。
29.3.本发明采用探头自动擦除器，可定时自动清除探头表面的附着物，保证了探头表面的清洁，实现了探头的测量精度高，稳定性好。解决了长庆油田井口含水率探头易粘油、结垢、结蜡问题，提高了含水测量的稳定性精度。该装置现场安装后，检查样机在现场使用一个月后的结蜡情况，探头部分结蜡层<2mm，结蜡面积小于10％，有效解决了探头表面挂蜡的问题。
30.4.本发明的探头几何形状设计环型，保证油水介质通过流畅；环形探头与油水接触面采用瓷处理工艺技术，具有绝缘程度高，耐高温150℃、耐腐蚀、耐磨损特性，可适应井下不同来液。
31.5.本发明设计了含水率测量传感器的专用电路，提高了短波信号发射器与接收器的运行频率和信号采集与转换速度，使探头的含水采样速度达到毫秒级，远远超过井口油水混合液的流动速度，从而大幅提高了采样精度，同时具备测量范围宽的特点。
32.6.本发明的含水率测量传感器和擦除器为分体式结构设计，并使用螺纹连接，安装、维修方便，无需动火作业。
33.7.本发明研发了“油井井口原油含水率在线监测系统软件”，实现了含水率的实时显示、储存、分析功能，该软件运用先进的数学模型与高效算法，实现了自动校准，具有数据清洗功能，可有效提高计量精度。
34.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为测量传感器结构示意图；
37.图2为本发明的电路框图；
38.图3为本发明所述井口原油含水率在线测量装置的连接示意图。
39.附图标记说明：
40.1、上连接管；2、探头密封套；3、环形探头；4、下连接管；5、接头体；6、探头锁紧螺母绝缘套；7、探头锁紧螺母；8、电路护管；9、一次表线路板；10、隔爆胶垫；11、隔爆钢垫；12、压紧螺柱；13、螺钉；14、取样阀；15、取样管；16、电气线缆；
41.17、出油管线；18、内螺纹四通；19、采油树管件；20、丝堵；21、擦除器；22、含水率测量传感器；23、采油井口。
具体实施方式
42.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
43.实施例1：
44.本实施例提供了一种含水率测量传感器，如图1所示，该含水率测量传感器22包括探头密封套2、环形探头3、电路护管8，及设置于电路护管8内的测量电路板9，所述环形探头3与测量电路板9电连接；
45.所述探头密封套2的前端封闭，探头密封套2的后端通过接头体5与电路护管8的前端连接，电路护管8的后端设有压紧螺柱12，所述测量电路板9上连接有电气线缆16，压紧螺柱12上开设有线缆穿出口，电气线缆16通过该线缆穿出口与外接电缆连接；
46.所述探头密封套2的上端焊接有上连接管1，探头密封套2的下端焊接有下连接管4，探头密封套2的轴向上开设有贯通孔，所述环形探头3固定于该贯通孔中，且该贯通孔与上连接管1、下连接管4相互连通形成过油通道。
47.本发明所述含水率测量传感器为接触式测量，与被测介质接触的为环形探头，环形探头的几何形状设计为环型，规格为φ50.6mm*35mm，保证其能够充分接触油水介质，提高测量精确度。且该含水率测量传感器的测量范围为含水0
‑
100％全量程，适应油田井口高低含水的变化。
48.实施例2：
49.在上述实施例的基础上，需要进一步说明的是，环形探头3的材质为304不锈钢，探头表面均涂瓷釉，涂层厚度0.35mm，防止原油中泥沙对其损伤，且环形探头3与油水接触面采用瓷处理工艺技术，具有绝缘程度高，耐高温150℃、耐腐蚀、耐磨损特性，可适应井下不同来液。
50.作为进一步地优选方案，所述环形探头3与探头密封套2之间灌封有环氧树脂灌封胶，环氧树脂灌封胶具有良好的抗振能力和抗冲击能力，可以提高探头密封套2的密封性和可靠性。当然，根据实际情况和具体需求，在本发明的其它实施例中，灌封胶也可以是其它材料制成的灌封胶，在此不作唯一限定。
51.作为进一步地优选方案，环形探头3的探头臂穿过探头密封套2及接头体5，并伸入电路护管8内，且环形探头3的探头臂通过探头锁紧螺母绝缘套6及探头锁紧螺母7与接头体5固定连接。
52.作为进一步地优选方案，所述电路护管8通过螺纹与接头体5连接，所述接头体5通过螺钉13与探头密封套2紧固连接。
53.作为进一步地优选方案，所述的压紧螺柱12与电路护管8通过螺纹连接，且压紧螺柱12与电路护管8之间有隔爆胶垫10和隔爆钢垫11。
54.所述含水率测量传感器的具体实施方式如下：测量电路板9放置在电路护管8内部，电路护管8尺寸为φ37mm*200mm，电路护管8通过螺纹与接头体5连接，电路护管8后端设压紧螺柱12，所述的压紧螺柱12与电路护管8通过螺纹连接，压紧螺柱12与电路护管8中间有隔爆胶垫10和隔爆钢垫11，压紧螺柱12上开有φ10mm*30mm，其内部导线通过该孔与外接电缆连接。所述接头体5尺寸为φ98mm*14mm+65mm*18mm的圆柱体，与探头密封套2通过φ82圆上均布的6个内六角圆柱头螺钉13压紧连接，探头密封套2的尺寸为φ98mm*100mm的不锈钢管，其末端封闭。探头密封套2上下开有φ50mm的圆孔，φ50mm*35mm的环形探头3位于上下开孔中，与探头密封套2焊接连接。探头密封套2上端与连接管4焊接连接，下端与带取样口的连接管1焊接连接，连接管4与带取样口的连接管1外部均带有螺纹，带取样口的连接管1上开有φ20mm的孔，安装有dn20取样阀14，取样阀14上有dn20的取样管15，环形探头3与探头密封套2之间的空隙采用环氧树脂灌封胶封装后，装配成含水率测量传感器整机。
55.实施例3：
56.本实施例提供了一种基于短波法的原油含水率检测系统，如图3所示，包括安装于采油井口23的出油管线17上的四通管18，四通管18的左端端口连接采油树连接管件19，四通管18的右端端口连接有丝堵20，四通管18的上端端口连接有擦除器21，四通管18的下端端口连接有含水率测量传感器22，所述擦除器21内设置有擦除头，该擦除头与含水率测量传感器22的环形探头3接触连接；
57.该检测系统还包括井场防爆箱，所述含水率测量传感器22、擦除器21分别与井场防爆箱电连接。
58.本发明的机械部分由含水率测量传感器和擦除器两部分构成，所述擦除器内还设置有微型电机、擦除头连杆及电动推杆，微型电机驱动内部安装有行程限位开关的电动推杆运动，继而带动擦除头对含水率在线监测仪探头的擦除自动往返动作，实现所述擦除器对含水率在线监测仪探头的自动清洁；所述擦除器的擦除头上开设有过油通道，能够在该装置运行清理管壁石蜡结垢时避免堵塞原油流动而导致憋压，进而不会造成抽油机超压或者原油泄漏；此外，为了便于实际使用，所述擦除器上还设置有对接接头，能够将该擦除器与出油管线上的四通管安装固定，便于实际生产应用。该擦除器能够实现含水率测量传感器表面挂蜡的自动擦除。
59.本发明所述原油含水率检测系统的结构简单紧凑，使用安全方便，解决了油田井
口含水率探头易粘油、结垢、结蜡问题，保证了探头表面的清洁，提高了原油含水率在线监测仪的测量精度。该检测系统现场安装后，检查样机在现场使用一个月后的结蜡情况，探头部分结蜡层<2mm,结蜡面积小于10％，有效解决了探头表面挂蜡的问题。
60.实施例4：
61.作为进一步地优选方案，所述擦除器,包括擦除头﹑防爆外壳以及设置在防爆外壳内的电动推杆﹑微型电机和控制电路板；所述电动推杆一端与微型电机连接，另一端伸出防爆外壳且通过擦除头连杆与擦除头连接；所述电动推杆内设有行程限位开关,当控制电路板驱动微型电机通电运行时,微型电机带动电动推杆运动,从而使擦除头连杆带动擦除头做直线往复运动。
62.作为进一步地优选方案，所述井场防爆箱内设置有电源、中心处理器、a/d数据转换器、数据存储器及通讯接口；所述电源为含水率测量传感器22、擦除器21及中心处理器供电；所述中心处理器分别与a/d数据转换器、数据存储器及通讯接口信号连接；通讯接口与远端的监控中心相连，用于与远端监控中心之间的通信；
63.所述擦除器21与所述中心处理器信号连接，中心处理器接受远端控制中心发送的控制指令，并将该指令发送至擦除器21内的控制电路板，控制电路板实现擦除器21内各元件的连通,接通外接电源后驱动控制电路板中的继电器吸合,微型电机通电运行,电动推杆带动擦除头连杆及擦除头做直线运动,电动推杆内安装有行程限位开关,到达预定行程后,控制电路板切换电源,电动推杆带动擦除头连杆及擦除头做返回运动,返回至原位置,完成对探头擦除动作。
64.所述含水率测量传感器22通过a/d数据转换器与所述中心处理器信号连接，含水率测量传感器22对原油的含水率进行检测，并将被测物理量通过a/d数据转换器为电信号传递给中心处理器，中心处理器将得到的实时含水数字信号存储至数据存储器，并通过通讯接口将信号传送至远端监控中心。
65.本发明所述原油含水率检测系统的电路部分由测量传感器中的测量电路和室外防爆箱中的数据综合处理电路组成。采用“一对多”的数据处理方式，即一个井场配备一套数据处理电路，用以对井场中所有井口测量传感器的测量电路传输的数据进行处理。
66.实施例5：
67.在实施例4的基础上，作为进一步地优选方案，所述含水率测量传感器22内设置有测量电路板9，测量电路板9上设置有测量电路，所述测量电路包括依次连接的短波信号源、信号发生器、信号接收器、检波器、信号比较电路、信号运算放大电路、信号处理电路及信号转换电路；
68.短波信号源产生的短波信号通过信号发生器发射至环形探头3，环形探头3入射短波信号进入过油通道内，经过油通道中的油水混合液衰减后，由信号接收器接收，信号接收器将接收到带有含水率信息的短波信号发送给检波器，检波器将结果传输至信号比较电路，与短波信号源产生的入射信号进行比较，比较完后经信号运算放大电路放大，并通过信号处理电路、信号转换电路转换成电流信号，电流信号通过电气线缆传输至井场防爆箱中的数据综合处理单元，由a/d转换器将其转换为数字信号，进入中心处理器进行数据综合分析处理、运算，得到的实时含水数字信号存储在数据存储器中供数据调用，并通过通讯接口转换为rs485信号输出至远端监控中心。
69.作为进一步地优选方案，所述下连接管4上开设有取样口，该取样口内安装有取样阀14，所述取样阀14上设有取样管15，且取样管15上设有与数据综合处理单元进行数据传输的通信端口。所述数据综合处理单元具备实时显示、储存、分析功能，同时运用先进的数学模型与高效算法，实现了自动校准，具有数据清洗功能，有效提高了整体精度。
70.需要进一步说明的是，所述信号发生器与信号接收器分别使用ja8和lm124a集成电路芯片，信号稳定，耐高温、耐低温，可长期保证测量精度与可靠运行。所述a/d数据转换器，采用σ
‑
δ技术，使用ad7710芯片，24位无失码性能，实现电流信号到数字信号的高精度转换。所述中心处理器，基于atmega128单片机设计，采用avr单片机技术，具备高速数据运行处理能力。所述数据存储器，采用i2c容的存储芯片技术，存储容量达1mb。所述通讯接口，采用rs485总线，组网方便，传输距离远，同时具有防雷设计和干扰信号隔离功能。
71.测量电路是将反映含水率大小的电磁波信号转换为电流模拟信号；数据综合处理电路是将电流模拟信号转换为数字信号，并传输至井场rtu，最终由rtu传输至站控系统软件，供工作人员随时监控。本发明通过设计含水率测量传感器22专用电路，提高了短波信号发射器与接收器的运行频率和信号采集与转换速度，使探头的含水采样速度达到毫秒级，远远超过井口油水混合液的流动速度，从而大幅提高了采样精度，同时具备测量范围宽的特点(0～100％)。
72.实施例6：
73.参见图3，为本发明所述基于短波法的原油含水率检测系统的现场安装示意图。
74.含水率测量传感器22安装在采油井口23的出油管线17上，连接方式为螺纹连接。安装时，停运抽油机，卸掉出油管线三通，更换为内螺纹四通，内螺纹四通左端连接采油树连接管件19，右端继续用丝堵20封堵预留，用于现场修井、热洗等作业。在含水率测量传感器zg2＂连接螺纹上缠好生料带，将含水率测量传感器22与擦除器21分别在内螺纹四通的上下端分别连接牢固，确保连接螺纹处不泄露，安装好后用防爆软管将信号线引入防爆接线盒，再将防爆接线盒与穿线管连接，信号线沿着穿线管接入井场防爆箱，与数据综合处理单元连接。本装置测量传感器安装无需对管线进行动火动焊改造，安装过程简单方便。
75.综上所述，本发明基于短波法，提供了一种成本低，测量范围宽，适合单井井口使用，且精度高、运行稳定、实时在线的原油含水率检测系统。通过优化含水率测量传感器装置的结构及软件，提高含水率在线计量精度，实现油井井口原油含水率准确在线检测，降低生产成本和采油工人的劳动强度，提高油田数字化管理水平。尤其适应长庆油田井口不加热集油流程、产量低、间歇出液井多导致井口管线易结蜡的特点，可在长庆油田进行大规模推广使用。
76.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
77.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，或信号连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
78.以上所述，仅是本发明的较佳实施范例，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对上述实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的保护范围。