采油井井下渦街流量計的研制與試驗研究*

魏愛拴，劉全全，張 斌，左 凱，孔學云，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分公司 天津 300452;2.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

我國大慶、勝利、渤海等主力油田經過多年開發(fā)后，綜合含水率逐年上升，油水關系進一步復雜，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液綜合含水率，提高原油產量；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，可以實現(xiàn)各油層產量的準確監(jiān)測，為產層可控生產提供數(shù)據(jù)支持。雖然電磁、超聲等流量計已經在各個工業(yè)領域得到大規(guī)模應用，但在充分混合的油水兩相介質的流量測試中，往往因油污大、被測介質組分復雜、井下工況復雜等因素，導致測量結果及精度出現(xiàn)較大偏差[3-8]。渦街流量測量作為一種介質適應性好、結構簡單、操作方便的流量測量技術[9-11]，已在油田注水井測試等涉及流量監(jiān)測的工藝領域得到了成功應用[12-14]。本文將首先設計研制一種適合采油井井下狹小空間安裝的渦街流量計，并針對采油井中充分混合的油水兩相介質進行地面模擬試驗，獲得油水介質含水率對采油井井下渦街流量計測量特性的影響規(guī)律[15-18]。

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(xiāng)之比滿足h/l=0.281時，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=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成簡單的正比關系，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 井下渦街流量計整體結構

本文研制的渦街流量計主要用于集成在油井智能配產器[22]中，智能配產器外徑114 mm、內通徑46 mm，內部集成有流量計、含水率測量、電控可調閥嘴、載波通信等模塊，且所有模塊均只能安裝在智能配產器狹小的環(huán)形空間內。當智能配產器隨油管下入指定的油層后，其將測得的各油層產液量、含水率通過載波通信模塊和電纜傳輸至地面，生產人員遵循“減小高含水層產液量，增加低含水層產液量”的基本原則對各油層的產出液流量進行調控，最終實現(xiàn)油井增油控水的目的。

基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置相應的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。

圖2 井下渦街流量計模型

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。

圖3 渦街流量計檢測電路框圖

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過2級高精度運算放大器AD8608處理，第1級放大105倍，第2級放大500倍。放大后的信號再經由AD7091R芯片進行模數(shù)轉換。AD7091R芯片在3.3 V下功耗非常低，且內置一個2.5 V基準電壓源，能夠實現(xiàn)低漂移、高精度的模數(shù)轉換。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中的下面黃色波形曲線所示，上面白色波形則代表信號經過傅里葉變換后在頻域內的分布情況，其中，白色波形中最高峰值所對應的頻率便是旋渦脫落頻率，通過建立該頻率與流速的對應關系即可對井下渦街流量計進行標定。

圖4 渦街流量計電路圖

圖5 壓電晶體探頭波形圖

4 充分混合的油水兩相介質流量測試系統(tǒng)

圖6 充分混合的油水兩相介質流量測試系統(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，按預定比例將油/水兩種介質吸入混合罐中，進入流量測試區(qū)。兩相介質在混合罐內進行充分混合，隨后在泵的推動下流經渦街流量計與參考流量計，隨后重新流回混合罐內，完成一個循環(huán)。試驗初期由于油水混合不均勻，管道內含有氣體等原因，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，同時關閉其與混合罐之間的閥門，使得介質全部流入油水分離區(qū)進行分離，分離完成的油/水介質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，在混合罐內吸入足量的水，并以最大流量在流量測試區(qū)內循環(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為15#工業(yè)白油，運動粘度13.5 mm2/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 m3/d以及14.4～144 m3/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性，且相對誤差小于1%。

表1 第1次清水標定試驗數(shù)據(jù)

表2 第2次清水標定試驗數(shù)據(jù)

圖7 流量計清水標定試驗曲線

5.2 油水兩相介質測試

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測試，主要測試井下渦街流量計在不同含水率介質以及不同流量下的測量精度，不同含水率介質中的流量測量結果如圖8所示?？梢钥闯?，在兩相介質中，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 不同油水比例介質下的測試曲線

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 m3/d測量范圍內的平均相對誤差。可以看出，當含水率低于40%時，渦街流量計的測量最大相對誤差為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，轉變?yōu)樗腿闋钜海嘀械挠团葺^小且分布均勻，介質流態(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生干擾，因此在沒有流量通過時依然會產生一定的振動，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經旋渦發(fā)生體分離后產生的振動所對應的頻率值與系統(tǒng)噪聲產生振動的頻率值較為接近，如圖12所示，無法明顯區(qū)分，可能會導致單片機所采集到的有效流量值對應頻率不準確，從而產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行限制。

圖10 相同含水率下的振幅隨流量增大而增強

圖11 相同流量下的振幅隨含水率升高而增強

圖12 無明顯振動頻率波形

6 結 論

本文基于卡門渦街原理研制了一種應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流經渦街流量計，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 m3/d范圍的流量測量誤差小于1%。油水兩相介質測試試驗發(fā)現(xiàn)，在不同含水率的油水兩相介質中，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，最大測量誤差小于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，在在清水介質中標定后，不需要進行額外修正便能夠應用于不同含水率的油水兩相介質流量測量中。