李 越，韓子玞，李英松，王愛雙，周 歡，鄭金中，時營磊

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459)

0 引 言

智能完井(Smart well completion)為新一代完井技術(shù)，通過監(jiān)測采集井下狀態(tài)，對油層生產(chǎn)過程實施動態(tài)控制，最終提高油井產(chǎn)能[1]。智能完井技術(shù)在優(yōu)化生產(chǎn)方案、節(jié)約作業(yè)時間、提高生產(chǎn)效率等方面具有顯著優(yōu)勢，在油田生產(chǎn)過程中有著廣泛的應(yīng)用前景[2]。

作為智能完井技術(shù)中的重要一環(huán)，智能注水技術(shù)在油田生產(chǎn)過程中起著重大作用，可保持地層壓力、解決層間矛盾，提高分層能力、最終提升采收率。智能分層注水工具越來越多應(yīng)用到注水作業(yè)中，作為系統(tǒng)重要組成部分，井下流量計在監(jiān)測配注量中起到了至關(guān)重要的作用。

常見的流量計有電磁流量計、差壓式流量計、渦輪流量計、渦街流量計和超聲波流量計等。岑大剛等人研制了一種井下存儲式電磁流量計用于分層注水量的測量和驗漏[3]。趙笑寒等人設(shè)計了一種差壓式流量計可用于對熱蒸汽測量[4]。關(guān)松等人分析了渦輪流量計精度影響因素，對改進辦法提出了建議[5]。魏愛拴等人研制了新型井下渦街流量計，可用于油水兩相介質(zhì)測量[6]。

以上所述流量計在實際應(yīng)用中也存在一些問題，如電磁流量計將探頭深入液體中長時間工作會使壽命下降；差壓式流量計根據(jù)節(jié)流裝置形狀不同，量程比較窄；渦輪流量計在有雜質(zhì)的情況下渦輪可能會導(dǎo)致?lián)p壞，在小流量下不能形成漩渦而無法測量。本文基于時差法設(shè)計了一種井下外置式超聲流量計及測量系統(tǒng)，并進行了試驗，為智能完井工具設(shè)計提供了參考。

1 時差法超聲流量計工作原理

超聲流量計工作原理是基于流體在管內(nèi)流動時，檢測流體對超聲波脈沖的影響。本文采用時差法進行流量測量，流體在管道內(nèi)移動時，超聲波沿流體正向和反向傳播速度不同，通過測量兩者運行的時間差即可求得流體運行速度[7]，繼而求得流量，如圖1所示：

圖1 時差法測量原理

(1)

接觸式傳播速度法將超聲發(fā)射、接收探頭均插入到管道，與流體直接接觸，但不伸入到流體[8]，如圖2所示。由于井下壓力較高，超聲探頭長期接觸高壓液體容易疲勞，所以這種測量方式長期用于井下高壓測量時，誤差會增大甚至失效。鑒于這種情況，本文提出了適合于井下高壓環(huán)境工作的外置式超聲流量測量技術(shù)。

圖2 接觸式超聲流量計

2 超聲流量計結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于此，設(shè)計了一種外置式流量計結(jié)構(gòu)，當(dāng)主過流通道直徑較小(D≤40 mm)或應(yīng)用于旁路注射通道時，由于管道曲率大，超聲波反射信號衰減大，有效聲程短，此時的時差測量誤差大，采用軸向安裝測量方式。超聲換能器布置在管壁兩端，換能器的兩側(cè)為過流通道，如圖3所示。

圖3 軸向流量計示意圖

超聲探頭發(fā)出來的超聲波信號經(jīng)管壁和管道中的液體傳播到另一個探頭，順流方向上探頭T1發(fā)出來的超聲波信號傳到探頭T2的時間為t12，逆流方向上探頭T2發(fā)出來的超聲波傳到探頭T1的時間為t21。故順逆流飛行時間差為：

(2)

在注水過程中，注水流速一般小于20 m/s，超聲波在液體中傳播速度大于1 000 m/s，此時的C遠遠大于vL，即式(2)中vL可約去繼而求得vL為：

(3)

式中：C為超聲波在水中的傳播速度，m/s；vL為管道內(nèi)流體在超聲波路徑上的軸向方向線平均速度，m/s；L為超聲波在水中傳播的軸向有效距離，m。

超聲探頭采用外置式的優(yōu)點是探頭不受流體壓力作用，不易疲勞，提高了長期高溫高壓工作的穩(wěn)定性，軸向安裝大大增加了聲程，可提高測量精度。流量計實物和結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 流量計實物和結(jié)構(gòu)圖

3 TDC-GP22測量系統(tǒng)

流量測量過程由AMS公司的TDC-GP22時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器完成。TDC-GP22可在激光測距、流量測量、溫度測量等領(lǐng)域提供自動化測量解決方案，具有皮秒級超高精度時間測量[9]。其低功耗的設(shè)計適用于井下長期工作，通過設(shè)置屏蔽時間可大大減少干擾信號對測量結(jié)果影響[10]，測量分辨率可達22 ps，封裝尺寸小，適合應(yīng)用于井下狹小的空間。

由于本課題設(shè)計的超聲流量計工作于井下，特殊的工作環(huán)境對MCU的功耗、使用壽命具有較高的要求，選用MSP430F2619SPM單片機作為控制芯片，可工作在-55～150 ℃的環(huán)境溫度中，數(shù)字控制振蕩器可在不到1 μs的時間里從低功耗運行模式喚醒，低功耗的特點更適合于長期工作在井下，并且封裝尺寸較小，適用于井下狹小的空間。

系統(tǒng)發(fā)送指令Start_TOF_Restart進行一次時差測量，4 MHz陶瓷晶振開啟工作，延遲一段時間后達到滿振幅,信號發(fā)射通道Stop1的電容與下游發(fā)射緩沖通道FIRE_Down將會連接到GND,信號接收通道Stop2的電容將會充電等待延遲,FIRE_UP選擇輸入到TDC_START信號,幅值3.3 V、頻率1 MHz的激勵信號將會通過FIRE_UP管腳發(fā)送，激勵探頭1產(chǎn)生超聲波信號，Stop2生成的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給連接TDC單元的Stop輸入端，控制單元將會以50 Hz或60 Hz的等待周期等待MCU給出測量結(jié)果，重復(fù)上述過程完成時間測量?？刂葡到y(tǒng)測量原理如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)測量原理

4 流量計試驗

4.1 流量計功能測試

對流量計進行功能性測試，測試飛行時間差與流量關(guān)系，測試流程如圖6所示。

圖6 流量測量流程

離心泵將水罐中水吸出進入到待測工裝，通過標(biāo)準(zhǔn)流量計回到水罐中構(gòu)成流體的循環(huán)。標(biāo)準(zhǔn)流量計為渦輪流量計，量程為0～300 m3/d。將待測工裝連接到試驗裝置上，如圖7所示，測試流量計功能是否正常。

圖7 流量測試工裝

逐漸升高流量，每組飛行時間差數(shù)據(jù)為同一流量下5組數(shù)據(jù)平均值。記錄標(biāo)準(zhǔn)流量計和飛行時間差對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 流量計功能測試

將數(shù)據(jù)生成曲線如圖8所示，可知飛行時間差與流量呈線性對應(yīng)關(guān)系，表明軸向流量計測量功能正常。

圖8 流量計功能測試曲線

4.2 流量計標(biāo)定試驗

提高流量試驗裝置排量，分別記錄標(biāo)準(zhǔn)流量、飛行時間差、測量流量、測量流量與標(biāo)準(zhǔn)流量的絕對誤差、引用誤差，檢驗2種流量計的測量精度。引用誤差如式(4):

(4)

式中：γ為引用誤差，無量綱；Δx為絕對誤差，m3/d；L為量程，m3/d。

進行流量計測試，流量計設(shè)計量程為0～300 m3/d，并加入濾波算法：每一飛行時間差數(shù)據(jù)連續(xù)取10個點，去掉最高的2個和最低的2個，其余6個數(shù)值取平均值，此算法可大幅提高測量精度。同時根據(jù)流體力學(xué)，不同流速狀態(tài)下流場不同[11-12]，將得到的數(shù)據(jù)進行修正。逐漸升高流量，記錄各參數(shù)，并計算絕對誤差和引用誤差，結(jié)果見表2。

表2 流量計標(biāo)定試驗結(jié)果

由表2可知，流量測量精度在1.5%F.S以內(nèi)，測量流量與標(biāo)準(zhǔn)流量線性度良好，繪制曲線如圖9所示。

圖9 流量計標(biāo)定曲線

5 結(jié) 論

通過分析現(xiàn)有井下流量計存在的問題，基于時差法設(shè)計了新型井下超聲流量計。設(shè)計了一種探頭外置式、應(yīng)用于旁路通道軸向發(fā)射流量計結(jié)構(gòu)。利用TDC-GP22芯片時間測量能力，計算超聲波在水中正向流動和逆向流動的飛行時間差，進而確定流體的流速。通過實驗可知，此種新型流量計測量精度高，又由于探頭在管壁外不直接接觸液體，大幅提升了可靠性，在智能完井領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。