引 言

我國大慶、勝利、渤海等主力油田經(jīng)過多年開發(fā)后，綜合含水率逐年上升，油水關(guān)系進一步復(fù)雜，層間干擾現(xiàn)象嚴重，層間動用不均衡。油井分層開采一方面可降低產(chǎn)液綜合含水率，提高原油產(chǎn)量; 另一方面還可有效保持油層均衡開采，提高原油采收率。因此，一套適用于采油井井下的流量測試技術(shù)，可以實現(xiàn)各油層產(chǎn)量的準確監(jiān)測，為產(chǎn)層可控生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。雖然電

磁、超聲等流量計已經(jīng)在各個工業(yè)領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用，但在充分混合的油水兩相介質(zhì)的流量測試中，往往因油污大、被測介質(zhì)組分復(fù)雜、井下工況復(fù)雜等因素，導(dǎo)致測量結(jié)果及精度出現(xiàn)較大偏差。渦街流量測量作為一種介質(zhì)適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的流量測量技術(shù)，已在油田注水井測試等涉及流量監(jiān)測的工藝領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。本文將首先設(shè)計研制一

種適合采油井井下狹小空間安裝的智能渦街流量計，并針對采油井中充分混合的油水兩相介質(zhì)進行地面模擬試驗，獲得油水介質(zhì)含水率對采油井井下渦街流量計測量特性的影響規(guī)律。

 

1 渦街流量計測量原理

如圖 1 所示，在被測流體中垂直插入一個非流線型截面的旋渦發(fā)生體，流體的流動狀態(tài)受其影響并在下游產(chǎn)生一系列旋渦。當兩排旋渦之間的間距 h 與同排中兩相鄰旋渦的間距 l 之比滿足 h/l =0． 281 時，可以得到穩(wěn)定且交替排列的旋渦。將旋渦分離頻率 f 定義為單位時間從旋渦發(fā)生體下游分離的旋渦數(shù)目，理論和試驗研究均已證明，旋渦分離頻率與流體速度 v 成正比，且與旋渦發(fā)生體迎流面的寬度 d 成反比，即:

f = S r Av/d ( 1)

式中，f 為旋渦脫落頻率，Hz; S r 為斯特勞哈爾數(shù)( 無量綱) ; A 為流道尺寸系數(shù); v 為旋渦發(fā)生體兩側(cè)的流速，m/s; d 為旋渦發(fā)生體迎流面的寬度，m。

 

一旦旋渦發(fā)生體和流道的幾何尺寸確定，旋渦脫落頻率即與流體流速構(gòu)成簡單的正比關(guān)系，因此通過檢測旋渦的脫落頻率便可測得流速，并以此獲得流體的流量。

2 井下渦街流量計整體結(jié)構(gòu)

本文研制的渦街流量計主要用于集成在油井智能配產(chǎn)器中，智能配產(chǎn)器外徑 114 mm、內(nèi)通徑 46 mm，內(nèi)部集成有流量計、含水率測量、電控可調(diào)閥嘴、載波通信等模塊，且所有模塊均只能安裝在智能配產(chǎn)器狹小的環(huán)形空間內(nèi)。當智能配產(chǎn)器隨油管下入指定的油層后，其將測得的各油層產(chǎn)液量、含水率通過載波通信模塊和電纜傳輸至地面，生產(chǎn)人員遵循“減小高含水層產(chǎn)液量，增加低含水層產(chǎn)液量”的基本原則對各油層的產(chǎn)出液流量進行調(diào)控，非常終實現(xiàn)油井增油控水的目的�；�于渦街流量計的測量原理與安裝空間要求，本文研制的渦街流量計如圖 2 所示。渦街流量計主要由流量計主體、旋渦發(fā)生體、壓電晶體探頭、過液管、壓板等部件組成。其中，過液管內(nèi)徑為 15 mm，流量計主體與過液管、旋渦發(fā)生體與過液管之間通過焊接固定，壓電晶體探頭與流量計主體、流量計主體與壓板之間設(shè)置相應(yīng)的O 型密封圈，以保證渦街流量計在井下 20 ～50 MPa 高壓環(huán)境下的可靠密封。

3 井下渦街流量計的檢測電路

井下渦街流量計檢測電路框圖如圖 3 所示，渦街流量計壓電晶體探頭在旋渦的沖擊下輸出電壓信號，該電壓信號經(jīng)由放大器及低通濾波器處理后傳遞給單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，從而獲得漩渦脫落頻率。在壓電晶體探頭與渦街流量電控系統(tǒng)連接的同時，并聯(lián)一臺示波器對壓電晶體探頭的輸出電壓波形進行測試。

渦街流量計的檢測電路圖如圖 4 所示，壓電晶體輸出的微弱電信號經(jīng)過 2 級高精度運算放大器 AD8608 處理，第 1 級放大 10 5 倍，第 2 級放大 500 倍。放大后的信號再經(jīng)由 AD7091Ｒ 芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7091Ｒ 芯片在3．3 V 下功耗非常低，且內(nèi)置一個2．5 V 基準電壓源，能夠?qū)崿F(xiàn)低漂移、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。且運算放大器的輸出電壓為 0． 1 ～ 2． 4 V，而 AD7091Ｒ 輸入電壓要求范圍為0 ～2．5 V，配合使用可以擁有 100 mV 的安全余量，符合使用需求。

2 級放大處理后的電壓波形圖如圖 5 中的下面黃波形曲線所示，上面白色波形則代表信號經(jīng)過傅里葉變換后在頻域內(nèi)的分布情況，其中，白色波形中非常高峰值所對應(yīng)的頻率便是旋渦脫落頻率，通過建立該頻率與流速的對應(yīng)關(guān)系即可對井下渦街流量計進行標定。

4 充分混合的油水兩相介質(zhì)流量測試系統(tǒng)

本文搭建的充分混合的油水兩相介質(zhì)流量測試系統(tǒng)組成如圖 6 所示，由油水儲存區(qū)、油水分離區(qū)、流量計測試區(qū) 3 個主要功能區(qū)塊組成。油和水分別儲存在油水儲存區(qū)的油罐和水罐中，需要進行試驗時，按預(yù)定比例將油/水兩種介質(zhì)吸入混合罐中，進入流量測試區(qū)。兩相介質(zhì)在混合罐內(nèi)進行充分混合，隨后在泵的推動下流經(jīng)渦街流量計與參考流量計，隨后重新流回混合罐內(nèi)，完成一個循環(huán)。試驗初期由于油水混合不均勻，管道內(nèi)含有氣體等原因，流量計示數(shù)往往波動較大，因此系統(tǒng)穩(wěn)定運行 10 min 后，待流量計讀數(shù)穩(wěn)定后再進行讀取，記錄渦街流量計旋渦脫落頻率與參考流量計流量示數(shù)。數(shù)據(jù)記錄完畢后，打開參考流量計與油水分離器間的閥門，同時關(guān)閉其與混合罐之間的閥門，使得介質(zhì)全部流入油水分離區(qū)進行分離，分離完成的油/水介質(zhì)分別吸入油罐和水罐中，用于下一次試驗。

在完成一組試驗后，在混合罐內(nèi)吸入足量的水，并以非常大流量在流量測試區(qū)內(nèi)循環(huán)，清洗過液管，清洗時間持續(xù) 10 min 以上。完成清洗后，液體排放至油水分離區(qū)進行分離。

 

5 試驗數(shù)據(jù)及分析

5． 1 清水標定試驗

標定試驗中通過改變泵的輸出流量來改變流量計的工作環(huán)境，以溫壓補償渦街流量計的旋渦脫落頻率與參考流量計的流量為變量，對流量計特性進行線性擬合。本文中所使用的油相介質(zhì)為 15#工業(yè)白油，運動粘度 13． 5 mm 2 /s( 40 ℃) ，參考流量計類型為渦輪流量計，由于流量測量范圍較大，因此選擇測量范圍為 4． 8 ～ 28． 8 m 3 /d 以及14．4 ～144 m 3 /d 的 2 臺參考流量計進行標定，參考流量計的精度為 5‰。清水標定試驗數(shù)據(jù)見表 1、表 2 所示，擬合曲線如圖 7 所示。由此可見，本文研制的井下渦街流量計具有良好的重復(fù)性，且相對誤差小于 1%。

5． 2 油水兩相介質(zhì)測試

對標定好的井下渦街流量計進行充分混合的油水兩相介質(zhì)測試，主要測試井下渦街流量計在不同含水率介質(zhì)以及不同流量下的測量精度，不同含水率介質(zhì)中的流量測量結(jié)果如圖 8 所示。可以看出，在兩相介質(zhì)中，渦街流量計的測量流量值始終低于參考流量計流量值，這是由于 2 種介質(zhì)混合后，整體粘度變大，流體流態(tài)發(fā)生改變，因此斯特勞哈爾數(shù)發(fā)生一定程度變化。

為進一步分析含水率對測量誤差的影響，圖 9 給出了不同含水率時，渦街流量計在 5 ～80 m 3 /d 測量范圍內(nèi)的平均相對誤差�？梢钥闯觯�當含水率低于 40% 時，渦街流量計的測量非常大相對誤差為 4． 8%，主要原因在于含水率較低時，充分混合的油水兩相介質(zhì)形成了油包水的乳狀液，兩相斯特勞哈爾數(shù)呈現(xiàn)非線性變化，從而帶來測量誤差; 當含水率高于 40% 時，渦街流量計的測量逐漸趨于穩(wěn)定，相對誤差小于 2． 5%，這一現(xiàn)象是由于隨著含水率提升，轉(zhuǎn)變?yōu)樗�包油乳狀液，水相中的油泡較小且分布均勻，介質(zhì)流態(tài)變好，測量精度也得到改善。

在井下渦街流量計試驗過程中，由于機械振動以及外部環(huán)境會對壓電傳感器產(chǎn)生干擾，因此在沒有流量通過時依然會產(chǎn)生一定的振動，通過傅里葉變換后表現(xiàn)為均布在整個頻域的白噪聲。將各測試條件下的示波器波形進行整合，通過對比發(fā)現(xiàn): 當油水比例固定時，在頻域分析中，旋渦脫落所對應(yīng)的頻率峰值隨流量增大而增大，如圖 10 所示; 當流量一定時，在頻域分析中，旋渦脫落所對應(yīng)的頻率峰值隨含水率升高而升高，如圖 11 所示。上述現(xiàn)象說明，該渦街流量計應(yīng)用于高含水、大流量的工作環(huán)境中具有較強的抗干擾性。反之，當流量較小或含水率較低的情況下，探頭檢測到的被測介質(zhì)經(jīng)旋渦發(fā)生體分離后產(chǎn)生的振動所對應(yīng)的頻率值與系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生振動的頻率值較為接近，如圖 12 所示，無法明顯區(qū)分，可能會導(dǎo)致單片機所采集到的有效流量值對應(yīng)頻率不準確，從而產(chǎn)生了在小流量或低含水率情況下，測試精度下降的現(xiàn)象，因此需要對非常小流量進行限制。

6 結(jié) 論

本文基于卡門渦街原理研制了一種應(yīng)用于采油井井下的渦街流量計，并對其在充分混合的油水兩相介質(zhì)中的性能進行了試驗測試。通過地面循環(huán)試驗平臺，讓不同流量、不同含水率的油水兩相介質(zhì)流經(jīng)渦街流量計，并通過與參考流量計的對比評價渦街流量計的測量性能。清水標定試驗發(fā)現(xiàn)，本文研制的渦街流量計在 5～80 m 3 /d 范圍的流量測量誤差小于 1%。油水兩相介質(zhì)測試試驗發(fā)現(xiàn)，在不同含水率的油水兩相介質(zhì)中，流量與渦街脫落頻率能夠進行良好的擬合; 當含水率低于40%時，非常大測量誤差小于 5%; 當含水率高于 40% 時，測量誤差小于 2． 5%。此外，試驗發(fā)現(xiàn)大流量通過渦街流量計時能夠減弱環(huán)境噪聲帶來的影響，提高渦街流量計的測量精度。根據(jù)上述試驗結(jié)果以及油田井下流量測量需求可以得出，本文中所研制的油田井下渦街流量計，在在清水介質(zhì)中標定后，不需要進行額外修正便能夠應(yīng)用于不同含水率的油水兩相介質(zhì)流量測量中。