便攜式超聲波注水流量計(jì)在線校正技術(shù)研究

郭發(fā)榮 （中石油長(zhǎng)慶油田分公司油田開(kāi)發(fā)處，陜西 西安710018）

趙防震 （中石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏 銀川750000）

楊印華 （中石油長(zhǎng)慶油田分公司油田開(kāi)發(fā)處，陜西 西安710018）

張隨望 （中石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安710018）

在油田注水開(kāi)發(fā)中，注水量是既反映地層能力，也反映注水設(shè)備生產(chǎn)能力、能耗的重要參數(shù)，是注水管理水平的重要體現(xiàn)。因此，對(duì)注水量精確的計(jì)量顯得尤其重要。實(shí)際注水過(guò)程，受注入水水質(zhì)和其他因素的影響，需要定期對(duì)注水流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定校驗(yàn)，以確保計(jì)量的準(zhǔn)確性。為保證注水生產(chǎn)數(shù)據(jù)（壓力、流量）準(zhǔn)確，必須定期對(duì)在用壓力變送器和流量計(jì)進(jìn)行檢定校正。目前常規(guī)做法是將現(xiàn)場(chǎng)變送器和流量計(jì)拆卸下來(lái)，拿到實(shí)驗(yàn)室去進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)表校正［1］，完成校正后再送到現(xiàn)場(chǎng)安裝。這種做法主要存在以下問(wèn)題：需要一批備用變送器進(jìn)行周轉(zhuǎn)，才能減少校正后再安裝工作；在沒(méi)有周轉(zhuǎn)變送器的情況下，一次校正需要2次到現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)，還需要停注，影響生產(chǎn)；流量計(jì)校正只是將一次表芯取回實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室的流量計(jì)流道與現(xiàn)場(chǎng)流道存在多種差異，造成校正后的流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)安裝后依然存在較大誤差。

在實(shí)際注水過(guò)程中，注水流量計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)每年2次的標(biāo)定校驗(yàn)要求，嚴(yán)重影響正常注水計(jì)量，影響油田的精細(xì)注水開(kāi)發(fā)。為了解決以上問(wèn)題，筆者提出了在線校正模式，以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，減少中間環(huán)節(jié)，提高注水的精確性。

1 超聲波流量計(jì)量原理

聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度會(huì)增加，逆流方向傳播速度則會(huì)減小，同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間。利用傳播速度之差與被測(cè)流體速度之間的關(guān)系求取流速，稱為傳播時(shí)間法。即在流體中發(fā)射一定頻率的超聲波，傳播相同的距離時(shí)，順流與逆流之間存在相位差，此差值與流體速度成正比，若管徑一定，則通過(guò)相位差可求出流量［2］。

設(shè)流量的流速為V，超聲波聲速為C，聲波發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離為L(zhǎng)，管道內(nèi)徑為D，則順流時(shí)間為：

逆流時(shí)間為：

時(shí)間差Δt為：

由于流體中超聲波聲速C遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流體速度V，可將式（3）簡(jiǎn)化為：

則流體速度為：

由式（5）可見(jiàn)，流體速度與超聲波在流體中傳播的順流與逆流的時(shí)間差成正比。因此，流體的流量可以表示為：

超聲波流量計(jì)具有不擾亂流體流場(chǎng)、無(wú)腐蝕、無(wú)額外壓力損失、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)［3］。超聲波流量計(jì)是非接觸式流量測(cè)量?jī)x表，測(cè)量過(guò)程中傳感原件不接觸流，采用夾裝式超聲波流量計(jì)可實(shí)現(xiàn)不停流載管安裝，只需在管道外部安裝換能器。因此，筆者采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行注水流量計(jì)在線校驗(yàn)。

2 在線校正技術(shù)

2.1 超聲波在線校驗(yàn)主機(jī)優(yōu)選

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和對(duì)比試驗(yàn)，目前常用的超聲波流量計(jì)普遍存在一些問(wèn)題：一是測(cè)試反應(yīng)不夠靈敏，二是在復(fù)雜狀況下測(cè)不出，三是測(cè)試重復(fù)性不好，應(yīng)用效果不是很理想。

為此，優(yōu)選德國(guó)弗萊克森超聲波流量計(jì)作為主機(jī)，并進(jìn)行了漢化處理。該儀器累計(jì)流量及瞬時(shí)流量計(jì)量誤差小，并且精度可以達(dá)到0.25%。為了測(cè)試方便，將壁厚測(cè)試集成到了超聲波在線校驗(yàn)的主機(jī)上［4］。

2.2 配套標(biāo)準(zhǔn)罐的研制

對(duì)流量較小的流量計(jì)，校驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行累計(jì)流量修正。為了避免放空水過(guò)多，研制了80L標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量罐（見(jiàn)圖1），計(jì)量精度為0.25%。為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)管線放流閥出口低的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用下入罐方式，并配套換流器［5］。

2.3 測(cè)試方式優(yōu)選

根據(jù)裝夾方式不同，可分為3種方法：第1種利用現(xiàn)有管線裝夾直接標(biāo)定；第2種是利用現(xiàn)有管線裝夾＋標(biāo)準(zhǔn)罐法標(biāo)定；第3種加裝不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)測(cè)流段來(lái)夾裝超聲波流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選擇第1種和第2種測(cè)試方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 80L標(biāo)準(zhǔn)罐結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際測(cè)試時(shí)，根據(jù)超聲波反射次數(shù)的多少，將測(cè)試方式分為1次、2次、3次和4次聲程測(cè)試，室內(nèi)采取4種不同聲程進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果相差不大［6，7］?？紤]到超聲波信號(hào)強(qiáng)弱等因素，選擇2次聲程進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。

表1 超聲波流量計(jì)采用不同聲程的測(cè)試數(shù)據(jù)

3 測(cè)試分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證超聲波流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確性，采取在流量計(jì)校驗(yàn)裝置上進(jìn)行同步對(duì)比測(cè)試，同時(shí)，選擇不同區(qū)塊與剛經(jīng)過(guò)利用常規(guī)流量計(jì)校驗(yàn)裝置校驗(yàn)過(guò)水表進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 流量計(jì)校驗(yàn)裝置上的對(duì)比試驗(yàn)

采取超聲波在線校驗(yàn)儀器與現(xiàn)場(chǎng)在用的DELL－2010型流量校驗(yàn)裝置上進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，流量計(jì)校驗(yàn)裝置為沈陽(yáng)興大通儀器儀表有限公司生產(chǎn)的DTLL－2010A型流量標(biāo)定裝置，該裝置有4種不同管徑的流道［1］。通過(guò)調(diào)節(jié)流量大小，采取二次聲程在4種不同流道上進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試試驗(yàn)（見(jiàn)表2），不同管徑測(cè)量的平均誤差在0.1%～1.1%。

表2 與流量標(biāo)定裝置進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)注水閥組流量測(cè)試

采取超聲波流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)水罐計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了83口井212井次，平均誤差在3%以內(nèi)。在普測(cè)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了不同流量范圍、不同測(cè)試時(shí)間、不同測(cè)試位置等情況的對(duì)比測(cè)試分析（見(jiàn)表3～表5），結(jié)果表明，研制的超聲波在線校驗(yàn)裝置對(duì)5m3／d以上的流量都是適應(yīng)的，測(cè)試不受時(shí)間及閥前、閥后等測(cè)試位置的影響，測(cè)試誤差均能控制在4%以內(nèi)。

表3 大流量（50m3／d以上）與小流量（10m3／d以下）測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4 同一流量計(jì)同一位置不同時(shí)間測(cè)試結(jié)果對(duì)比統(tǒng)計(jì)

表5 同一流量計(jì)不同位置測(cè)試結(jié)果對(duì)比統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）超聲波流量計(jì)對(duì)油田注水在線流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校正是完全可行的，計(jì)量精度可以滿足生產(chǎn)管理需要。

2）超聲波在線校驗(yàn)技術(shù)可以在注水正常工作現(xiàn)狀下實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)的標(biāo)定校驗(yàn)，改變了流量計(jì)拆卸校驗(yàn)的方式，簡(jiǎn)化了流量計(jì)校驗(yàn)程序，提高了計(jì)量的準(zhǔn)確性。

3）超聲波在線校驗(yàn)裝置穩(wěn)定性較高，消除了測(cè)試位置及測(cè)試時(shí)間等對(duì)校驗(yàn)測(cè)試結(jié)果影響。

［1］JJG643－2003，標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)定裝置 ［S］.

［2］李廣峰，高勇 .超聲波流量計(jì)的高精度測(cè)量技術(shù) ［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2001（12）：645.

［3］王宏偉，戚翠紅 .超聲波流量計(jì)在油田污水計(jì)量中的應(yīng)用探討 ［J］.科技信息，2008（15）：370.

［4］王繼慶，淺談便攜式超聲波流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用及注意事項(xiàng) ［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012（4）：244.

［5］蔡武昌，孫淮清，紀(jì)綱 .流量測(cè)量方法和儀表的選用 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［6］鄒蓬，呂傳玉，李鳳名 .時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理和設(shè)計(jì) ［J］.建設(shè)科技，2012（2）：88～89.

［7］孟華，閆菲，李明偉 .新型時(shí)差法超聲波流量計(jì) ［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007（8）：18～20.