魏愛拴，劉全全，張 斌，左 凱，孔學(xué)云，喬健鑫，宋文平

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 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(jìn)一步復(fù)雜，層間干擾現(xiàn)象嚴(yán)重，層間動(dòng)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[1-2]。因此，一套適用于采油井井下的流量測試技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各油層產(chǎn)量的準(zhǔn)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(jì)已經(jīng)在各個(gè)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[3-8]。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)[9-11]，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[12-14]。本文將首先設(shè)計(jì)研制一種適合采油井井下狹小空間安裝的渦街流量計(jì)，并針對采油井中充分混合的油水兩相介質(zhì)進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)，獲得油水介質(zhì)含水率對采油井井下渦街流量計(jì)測量特性的影響規(guī)律[15-18]。

1 渦街流量計(jì)測量原理

如圖1所示，在被測流體中垂直插入一個(gè)非流線型截面的旋渦發(fā)生體，流體的流動(dòng)狀態(tài)受其影響并在下游產(chǎn)生一系列旋渦。當(dāng)兩排旋渦之間的間距h與同排中兩相鄰旋渦的間距l(xiāng)之比滿足h/l=0.281時(shí)，可以得到穩(wěn)定且交替排列的旋渦[19-21]。將旋渦分離頻率f定義為單位時(shí)間從旋渦發(fā)生體下游分離的旋渦數(shù)目，理論和試驗(yàn)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=SrAv/d

(1)

式中，f為旋渦脫落頻率，Hz；Sr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。

圖1 卡門渦街原理圖

2 井下渦街流量計(jì)整體結(jié)構(gòu)

本文研制的渦街流量計(jì)主要用于集成在油井智能配產(chǎn)器[22]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(jì)、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(dāng)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(jìn)行調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)油井增油控水的目的。

基于渦街流量計(jì)的測量原理與安裝空間要求，本文研制的渦街流量計(jì)如圖2所示。渦街流量計(jì)主要由流量計(jì)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(jì)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(jì)主體、流量計(jì)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(jì)在井下20～50 MPa高壓環(huán)境下的可靠密封。

圖2 井下渦街流量計(jì)模型

3 井下渦街流量計(jì)的檢測電路

井下渦街流量計(jì)檢測電路框圖如圖3所示，渦街流量計(jì)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(jī)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)，并聯(lián)一臺示波器對壓電晶體探頭的輸出電壓波形進(jìn)行測試。

圖3 渦街流量計(jì)檢測電路框圖

渦街流量計(jì)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(yùn)算放大器AD8608處理，第1級放大105倍，第2級放大500倍。放大后的信號再經(jīng)由AD7091R芯片進(jìn)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(gè)2.5 V基準(zhǔn)電壓源，能夠?qū)崿F(xiàn)低漂移、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。且運(yùn)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中的下面黃色波形曲線所示，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，白色波形中最高峰值所對應(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(jì)進(jìn)行標(biāo)定。

圖4 渦街流量計(jì)電路圖

圖5 壓電晶體探頭波形圖

4 充分混合的油水兩相介質(zhì)流量測試系統(tǒng)

圖6 充分混合的油水兩相介質(zhì)流量測試系統(tǒng)框圖

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(jì)測試區(qū)3個(gè)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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，按預(yù)定比例將油/水兩種介質(zhì)吸入混合罐中，進(jìn)入流量測試區(qū)。兩相介質(zhì)在混合罐內(nèi)進(jìn)行充分混合，隨后在泵的推動(dòng)下流經(jīng)渦街流量計(jì)與參考流量計(jì)，隨后重新流回混合罐內(nèi)，完成一個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)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(jì)示數(shù)往往波動(dòng)較大，因此系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行10 min后，待流量計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后再進(jìn)行讀取，記錄渦街流量計(jì)旋渦脫落頻率與參考流量計(jì)流量示數(shù)。數(shù)據(jù)記錄完畢后，打開參考流量計(jì)與油水分離器間的閥門，同時(shí)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(jìn)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(yàn)。

在完成一組試驗(yàn)后，在混合罐內(nèi)吸入足量的水，并以最大流量在流量測試區(qū)內(nèi)循環(huán)，清洗過液管，清洗時(shí)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(jìn)行分離。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

5.1 清水標(biāo)定試驗(yàn)

標(biāo)定試驗(yàn)中通過改變泵的輸出流量來改變流量計(jì)的工作環(huán)境，以渦街流量計(jì)的旋渦脫落頻率與參考流量計(jì)的流量為變量，對流量計(jì)特性進(jìn)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(yùn)動(dòng)粘度13.5 mm2/s(40 ℃)，參考流量計(jì)類型為渦輪流量計(jì)，由于流量測量范圍較大，因此選擇測量范圍為4.8～28.8 m3/d以及14.4～144 m3/d的2臺參考流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，參考流量計(jì)的精度為5‰。清水標(biāo)定試驗(yàn)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(jì)具有良好的重復(fù)性，且相對誤差小于1%。

表1 第1次清水標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 第2次清水標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 流量計(jì)清水標(biāo)定試驗(yàn)曲線

5.2 油水兩相介質(zhì)測試

對標(biāo)定好的井下渦街流量計(jì)進(jìn)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(jì)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?？梢钥闯?，在兩相介質(zhì)中，渦街流量計(jì)的測量流量值始終低于參考流量計(jì)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。

圖8 不同油水比例介質(zhì)下的測試曲線

為進(jìn)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(shí)，渦街流量計(jì)在5～80 m3/d測量范圍內(nèi)的平均相對誤差?？梢钥闯?，當(dāng)含水率低于40%時(shí)，渦街流量計(jì)的測量最大相對誤差為4.8%，主要原因在于含水率較低時(shí)，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(dāng)含水率高于40%時(shí)，渦街流量計(jì)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腿闋钜?，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[23-24]。

圖9 不同含水率下的平均測量誤差

在井下渦街流量計(jì)試驗(yàn)過程中，由于機(jī)械振動(dòng)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(shí)依然會產(chǎn)生一定的振動(dòng)，通過傅里葉變換后表現(xiàn)為均布在整個(gè)頻域的白噪聲。將各測試條件下的示波器波形進(jìn)行整合，通過對比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)油水比例固定時(shí)，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(dāng)流量一定時(shí)，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(jì)應(yīng)用于高含水、大流量的工作環(huán)境中具有較強(qiáng)的抗干擾性。反之，當(dāng)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(dòng)所對應(yīng)的頻率值與系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生振動(dòng)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(jī)所采集到的有效流量值對應(yīng)頻率不準(zhǔn)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，因此需要對最小流量進(jìn)行限制。

圖10 相同含水率下的振幅隨流量增大而增強(qiáng)

圖11 相同流量下的振幅隨含水率升高而增強(qiáng)

圖12 無明顯振動(dòng)頻率波形

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(jì)，并對其在充分混合的油水兩相介質(zhì)中的性能進(jìn)行了試驗(yàn)測試。通過地面循環(huán)試驗(yàn)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(jì)，并通過與參考流量計(jì)的對比評價(jià)渦街流量計(jì)的測量性能。清水標(biāo)定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本文研制的渦街流量計(jì)在5～80 m3/d范圍的流量測量誤差小于1%。油水兩相介質(zhì)測試試驗(yàn)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(jìn)行良好的擬合；當(dāng)含水率低于40%時(shí)，最大測量誤差小于5%；當(dāng)含水率高于40%時(shí)，測量誤差小于2.5%。此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大流量通過渦街流量計(jì)時(shí)能夠減弱環(huán)境噪聲帶來的影響，提高渦街流量計(jì)的測量精度。根據(jù)上述試驗(yàn)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(jì)，在在清水介質(zhì)中標(biāo)定后，不需要進(jìn)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。