截面電導(dǎo)相關(guān)流量計(jì)在低流量下的響應(yīng)特性

劉曉磊,胡金海,黃春輝,杜佳楠,王延軍,李屹威

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司, 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

低產(chǎn)液井具有間歇出液和產(chǎn)液量低等特點(diǎn),在對(duì)油水總量和含水率的測(cè)量中,需要對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行更新,以適應(yīng)低產(chǎn)液井的測(cè)量。電導(dǎo)相關(guān)流量測(cè)井儀[1]是針對(duì)油田高含水開(kāi)發(fā)期研制的應(yīng)用于井下油水兩相流流量測(cè)井儀,具有無(wú)可動(dòng)部件和阻流元件[2-3]、儀表常數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng),并取得了良好的應(yīng)用效果[4-5]。但電導(dǎo)相關(guān)流量測(cè)井儀測(cè)量低流量效果不佳,主要因?yàn)閭鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)并非針對(duì)低流量設(shè)計(jì)。

截面相關(guān)流量計(jì)是在電導(dǎo)相關(guān)流量測(cè)井儀的基礎(chǔ)上,對(duì)原傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),采用插入式測(cè)量方式降低油水相間滑脫及相分布影響,以提高油水兩相流總流量相關(guān)測(cè)量的有效性[6-7],改善在低流量范圍的測(cè)量效果。在多相流模擬裝置上,本文采用油水兩相流開(kāi)展室內(nèi)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),研究截面相關(guān)流量計(jì)在低流量(0.5～10 m3/d)范圍內(nèi)的響應(yīng)規(guī)律,為該儀器應(yīng)用到低流量情況下的生產(chǎn)測(cè)井中提供借鑒。

1 儀器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

截面相關(guān)流量計(jì)儀器傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由下至上依次為集流傘、傳感器及電路筒。其中,絕緣筒的內(nèi)側(cè)壁上分別鑲嵌下游地電極和上游地電極,下游地電極和上游地電極均為環(huán)狀金屬電極,下游地電極與下游測(cè)量電極處于同一水平面上,形成一對(duì)下測(cè)量電極對(duì);上游地電極與上游測(cè)量電極處于同一水平面上,形成一對(duì)上測(cè)量電極對(duì)。

圖1 截面相關(guān)流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 儀器測(cè)量原理

當(dāng)油水兩相流體從傳感器內(nèi)流過(guò)時(shí),流體阻抗的隨機(jī)變化對(duì)作用在上下游傳感器上的交變恒定電流產(chǎn)生隨機(jī)調(diào)制作用,上下游傳感器的輸出會(huì)隨著調(diào)制作用產(chǎn)生相應(yīng)的變化,由各自的信號(hào)處理電路解調(diào)出隨機(jī)流動(dòng)噪聲信號(hào)x(t)和y(t)。2個(gè)傳感器中的輸出信號(hào)一致,只是其中一路信號(hào)在時(shí)間上延遲了τ0,把2路流動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,互相關(guān)函數(shù)表達(dá)式為

(1)

利用

x(t)=y(t+τ)

(2)

可將互相關(guān)表達(dá)式改寫(xiě)

(3)

當(dāng)τ=τ0時(shí),Rxx(τ)取到最大值1時(shí),即x(t)和y(t)波形一致,這個(gè)時(shí)候的τ值就是流體從上游流至下游對(duì)應(yīng)的渡越時(shí)間。在理想狀態(tài)下,流速的表達(dá)式為

V=L/τ0

(4)

即為所求的時(shí)間。

儀器工作時(shí),在上下游測(cè)量電極加20 kHz頻率的正弦波激勵(lì)信號(hào),得到的噪聲信號(hào)在放大、解調(diào)及濾波后,上傳至地面相關(guān)信號(hào)處理系統(tǒng)。

儀器傳感器絕緣筒內(nèi)徑設(shè)計(jì)為16 mm,絕緣棒外徑設(shè)計(jì)為5 mm,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),上下游電極距L選擇為絕緣筒內(nèi)徑d的0.5到2倍為宜[8],這里選取L的長(zhǎng)度為10 mm。傳感器截面積設(shè)為S,流速v與渡越時(shí)間t成反比關(guān)系,通過(guò)流量QV與流速v的關(guān)系QV=86400vS,可得到圖2所示的曲線圖。由圖2可以看出,當(dāng)流量小于10 m3/d,傳感器的響應(yīng)比較理想。

圖2 理想渡越時(shí)間與流量關(guān)系曲線

2 模擬井實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在多相流模擬井上完成,以柴油和水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)流量選擇從0.5～10 m3/d,流量點(diǎn)依次為0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9 m3/d與10 m3/d,含水率選取50%、70%、90%等3個(gè)點(diǎn)(因模擬井調(diào)節(jié)下限的限制,0.5 m3/d僅采集了含水率50%的數(shù)據(jù))。每次含水率或者流量調(diào)整后,等待模擬井筒內(nèi)的油水兩相流配比穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,記錄時(shí)間一般為10 min。使用地面數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行上下游2路流體流動(dòng)噪聲信號(hào)采集及相關(guān)流速、流量的處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與處理

如圖3所示,選取流量為5 m3/d、含水率分別為50%與90%的上下游曲線進(jìn)行分析。從圖3中可以看出,不同含水率下,測(cè)得的上下游曲線中,對(duì)應(yīng)響應(yīng)波形的時(shí)間差是相等的。但是低含水率下,響應(yīng)頻率比較高,高含水率下,響應(yīng)頻率比較低,這就說(shuō)明,這種傳感器獲取的流量信息只與時(shí)間有關(guān),而與含水率的多少無(wú)關(guān)。

圖3 流量5 m3/d時(shí)含水率50%與90%上下游響應(yīng)曲線比較

圖4為流量為0.5、5 m3/d和10 m3/d時(shí)上下游響應(yīng)相關(guān)系數(shù)與渡越時(shí)間的關(guān)系圖。為了避免因流量增加渡越時(shí)間縮短而引發(fā)的采樣率不足造成信息丟失,流量0.5 m3/d時(shí)采樣頻率為2 kHz,采樣點(diǎn)數(shù)為4 096點(diǎn),流量為5 m3/d和10 m3/d時(shí)采樣頻率為8 kHz,采樣點(diǎn)數(shù)為8 192點(diǎn)。

相同時(shí)間內(nèi),流量越大,獲取的波形頻率越高,渡越時(shí)間越短。圖4(a)中的渡越時(shí)間為1 382 ms,圖4(b)中的渡越時(shí)間為41.4 ms,圖4(c)中的渡越時(shí)間為23.9 ms。

根據(jù)渡越時(shí)間與流量關(guān)系,將測(cè)得渡越時(shí)間換算為流量數(shù)據(jù),得到表1。從表1中可以看出,各個(gè)含水率下的測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的差別不大,含水率的影響可以忽略不計(jì),第1次測(cè)量數(shù)據(jù)和第2次測(cè)量數(shù)據(jù)之間吻合比較好。對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到圖5。圖5(a)對(duì)含水率50%的各個(gè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,得到了擬合曲線和方程,在0.5～10 m3/d的線性度良好,能達(dá)到0.99,圖5(b)對(duì)不同含水率下的各個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行重疊,可以看出在不同含水率下,各個(gè)流量點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)與復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)吻合,具有很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

圖4 不同流量的上下游相關(guān)系數(shù)與渡越時(shí)間關(guān)系圖

圖5 儀器線性與穩(wěn)定性曲線

表1 不同含水率下的流量數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可以得出,儀器在流量不大于10 m3/d、含水率20%～95%時(shí)均可以正常工作,并且儀器受含水率影響不大,線性度和穩(wěn)定度十分良好,測(cè)量結(jié)果具有很好的重復(fù)性,可以應(yīng)用在低流量的測(cè)量環(huán)境中。

4 結(jié) 論

(1)這一結(jié)構(gòu)尺寸的截面電導(dǎo)相關(guān)流量測(cè)井儀在油水兩相流中的適用范圍為(0.5～10) m3/d,在這個(gè)區(qū)間內(nèi),儀器具有很好的響應(yīng)特性。

(2)通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)及復(fù)測(cè),記錄數(shù)據(jù)表明,該儀器具有良好的線性度、穩(wěn)定性與重復(fù)性,為低流量流量測(cè)量提供一種新的方法。