摘要:通過将(jiāng) 流量計 安(ān)裝在(zài)注水井配注裝(zhuāng)置内，實現井下分層(céng)注(zhù)水量的(de)自動監(jiān)測(cè)。目前(qián)地面上進行流(liú)量測量(liàng)的(de)流量計種類較(jiào)多，但(dàn)大多不适(shì)合在(zài)井下(xià)長期(qī)使用(yòng)，且無法滿(mǎn)足配(pèi)注裝置内部的(de)空間要求。對(duì)比(bǐ)油田(tián)測試(shì)常用(yòng)流量(liàng)計的功能(néng)特點(diǎn)，優選(xuǎn)流量(liàng)測量方式;綜合(hé)考慮(lǜ)流态、結(jié)構(gòu)尺寸約束(shù)和壓(yā)力損失等因素并通過fluent軟(ruǎn)件模(mó)拟确定了流量(liàng)計的尺(chǐ)寸，優選(xuǎn) 差壓傳(chuán)感器 并(bìng)設計保護組件(jiàn)。室内試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗表明:流(liú)量計(jì)測(cè)量值較(jiào)爲準确(què)，測量誤(wù)差小于5%。
　　油田針(zhēn)對分層(céng)注(zhù)水井測調工藝繁瑣(suǒ)、工作(zuò)量大(dà)［1］、不能(néng)實時監(jiān)測(cè)分層(céng)注水量并根據(jù)總注(zhù)水量(liàng)的變(biàn)化(huà)對井(jǐng)下分層(céng)水嘴進行實(shí)時(shí)調節(jiē)等問(wèn)題。井(jǐng)下分(fèn)層注水量(liàng)的自動監(jiān)測，通過将流量計安(ān)裝在配注裝(zhuāng)置(zhì)内實(shí)現(xiàn)，流量計(jì)有小型化、結構(gòu)簡單(dān)、無運動部(bù)件、穩定可(kě)靠等(děng)基本(běn)要求。目前(qián)用來在地(dì)面上實現(xiàn)流量測量的流量計有幾(jǐ)十種之多，但大(dà)多不适(shì)合(hé)在井(jǐng)下長期使用，一(yī)方面(miàn)由于地面(miàn)和井下的環境(jìng)差異(yì)(溫(wēn)度(dù)、壓力(lì))，另一方(fāng)面是目(mù)前的(de)流(liú)量計的(de)體積、安(ān)裝方式(shì)無法直(zhí)接(jiē)用于(yú)配(pèi)注(zhù)裝置(zhì)上，因(yīn)此需要(yào)根據(jù)現有流量測量原(yuán)理，适合(hé)于井下流量測量(liàng)的小(xiǎo)型流(liú)量計。
1小型孔闆流量計的(de)設計(jì)
1.1流量(liàng)測量(liàng)方式的(de)選擇
對(duì)井下(xià)分層注水(shuǐ)量自動(dòng)監測使(shǐ)用的流(liú)量計有(yǒu)以下(xià)要(yào)求:
(1)長期(qī)使用的可靠性。目前(qián)井下(xià)常用(yòng)流量計的(de)使用(yòng)僅限于測(cè)試(shì)，測(cè)試後即(jí)可進行(háng)維護、标(biāo)定。所述(shù)的流量(liàng)計(jì)，在井(jǐng)下長時間(jiān)連續(xù)使用，其(qí)可(kě)靠(kào)性(xìng)要求遠大于目(mù)前使用的(de)流量(liàng)計。
(2)結(jié)構緊湊。流(liú)量(liàng)計安裝(zhuāng)于配(pèi)注裝置的環空(kōng)内，空(kōng)間位(wèi)置有(yǒu)限，流(liú)量(liàng)計(jì)的直(zhí)徑受(shòu)到限制，其直徑小于30mm。
(3)具備(bèi)抗堵塞(sāi)能力。分(fèn)層計量流量計(jì)的通道(dào)較小，容易産生(shēng)堵(dǔ)塞，需保持流道(dào)通暢(chàng)。
　　進行(háng)流(liú)量測量(liàng)方式的選(xuǎn)取。電(diàn)磁流量(liàng)計和超(chāo)聲波(bō)流量計結構較複雜［2－3］，小型(xíng)化則(zé)結(jié)構設計困難(nán);渦街流量(liàng)計怕震(zhèn)動(dòng)［4］，不利(lì)于井(jǐng)下(xià)長(zhǎng)期使(shǐ)用;靶式流量計(jì)對流(liú)體的要求(qiú)較高(gāo)［5］，不适(shì)用于(yú)低雷諾數測量，且流體必須充(chōng)滿流量計的測(cè)量管;标準孔(kǒng)闆流量計采用圓(yuán)形薄壁孔(kǒng)闆，性(xìng)能穩(wěn)定可靠，使用壽命長［6］，常用(yòng)來做污水計量(liàng)，此外孔闆流量(liàng)計結(jié)構(gòu)簡單，易(yì)于實現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，因此流量(liàng)測量方(fāng)式(shì)選(xuǎn)用孔闆(pǎn)式(shì)。
1.2小(xiǎo)型孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)的設計
　　按(àn)照配注裝(zhuāng)置整體結構排(pái)布(截(jié)面如圖(tú)1所(suǒ)示)，流量計測量通道的最大外(wài)徑爲26mm。由于配注裝(zhuāng)置(zhì)結構(gòu)緊湊(còu)，按照 标準(zhǔn)孔(kǒng)闆(pǎn)流量(liàng)計 法蘭夾持孔闆的結構形式(shì)無(wú)法實現(xiàn)，因此(cǐ)在小(xiǎo)型化(huà)的設計上，取(qǔ)消(xiāo)了法蘭(lán)連接，大大縮小了(le)外徑(jìng)尺寸(cùn)，如(rú)圖(tú)2所示。


　　 孔闆流量計(jì) 的(de)設(shè)計首(shǒu)先應(yīng)保證流(liú)道内的流體(tǐ)處于(yú)紊流狀态(tài)，避免(miǎn)流态變化(huà)引起流量測量誤差(chà)。由于結(jié)構(gòu)約束(shù)關系，孔闆流量計的流道直徑(jìng)設計爲14～22mm，單層注(zhù)水量(liàng)取q=2～20m3/d。計(jì)算孔(kǒng)闆流量計的(de)雷(léi)諾數與流(liú)道直(zhí)徑和單層注水(shuǐ)量之間的關系(xì)，結果見圖3。
　　流道(dào)直徑減(jiǎn)小(xiǎo)，有利(lì)于提高測量精(jīng)度，但流道(dào)過小會增(zēng)大沿(yán)程阻(zǔ)力。流道直徑爲(wèi)14～22mm，單層注水量取(qǔ)q=5～50m3/d，按照達西(xī)－韋斯巴赫公式(1)與布(bù)拉修斯公式(2)［7］計算(suàn)流量計流道(dào)内的壓力(lì)損失(shī)。從圖(tú)4可以看出:随着(zhe)流道直徑(jìng)的增(zēng)加，流阻明(míng)顯(xiǎn)下降，若要減(jiǎn)小壓(yā)力(lì)損失，流(liú)道直徑應盡量(liàng)大。

式(shì)中:hf爲沿程(chéng)阻力損失;λ爲沿程阻(zǔ)力系(xì)數;l爲(wèi)流道(dào)長度(dù);v爲(wèi)平(píng)均流速;d爲(wèi)流道(dào)直徑;g爲(wèi)重力加(jiā)速度(dù);re爲雷諾數(shù)。

　　綜合考慮流态(tài)、結構(gòu)尺(chǐ)寸約束(shù)和壓力損失等因素，小型流量(liàng)計流(liú)道直(zhí)徑取值範圍(wéi)爲14～22mm。标準(zhǔn)孔闆流量計的直徑(jìng)比一般在(zài)0.2～0.75之間［8］。根據(jù)以上(shàng)分析取(qǔ)流道直徑的1/3～1/2作爲(wèi)孔闆(pǎn)直徑較爲合(hé)适(shì)。孔闆直徑(jìng)越小(xiǎo)，流量(liàng)計靈(líng)敏度會越高，有利于傳感(gǎn)器(qì)檢測，但(dàn)也會引起壓力損失(shī)的增加，如(rú)果孔闆(pǎn)直徑過(guò)小，也(yě)存在孔闆(pǎn)被堵塞的(de)危險。綜合考(kǎo)慮各因素，流量計(jì)孔闆直徑取值範圍爲5～16mm。
1.3小(xiǎo)型孔闆流量計的模拟仿(páng)真計(jì)算(suàn)
　　運(yùn)用fluent軟件與(yǔ)标準(zhǔn)孔闆(pǎn)流量計(jì)流量－壓(yā)差計算公式(3)，對(duì)量(liàng)程爲3～30m3/d的(de)流量(liàng)計對(duì)應(yīng)的流道(dào)結構進行數值(zhí)模拟，繪制的流(liú)量與壓差關系曲線(xiàn)如圖(tú)5—6所示(shì)。孔闆兩端最(zuì)高壓差爲(wèi)0.2mpa時，對應(yīng)流量計的(de)流道尺寸(cùn)爲:流道直(zhí)徑14mm，孔闆直徑5.1mm。

式(shì)中:qv爲體積流量(liàng);c爲修正系(xì)數;β爲(wèi)流量計的(de)直徑比;a0爲流道橫截面積;Δp爲流道出(chū)口與(yǔ)入口(kǒu)處的(de)壓差;ρ爲流(liú)體密(mì)度。


　　在3～30m3/d流(liú)量計(jì)設計成功的基(jī)礎上(shàng)，利用fluent軟件對量(liàng)程分(fèn)别爲(wèi)15～150m3/d、30～400m3/d的流量計對(duì)應流道進行了(le)模拟，繪(huì)制流量與壓差(chà)關系曲線(xiàn)如圖(tú)7—8所示(shì)。


　　可以看(kàn)出:孔(kǒng)闆兩端最高壓差爲0.2mpa時，量(liàng)程15～150m3/d對(duì)應流量計(jì)的流(liú)道(dào)尺寸爲(wèi):流道直徑18mm，孔闆(pǎn)直徑10.3mm;量程30～400m3/d對應(yīng)流量計的(de)流道尺寸爲:流(liú)道直(zhí)徑20mm，孔闆(pǎn)直(zhí)徑15mm。
1.4差(chà)壓傳(chuán)感(gǎn)器的優(yōu)選與保護(hù)
　　差壓傳感器的選型(xíng)原則:流量測量通道壓差(chà)損失(shī)小，滿足配(pèi)注器(qì)的結構尺寸要(yào)求，測(cè)量精(jīng)度高(gāo)以及耐高溫高(gāo)壓。選擇的差壓傳(chuán)感(gǎn)器性能參(cān)數如下:差壓0～0.2mpa、精(jīng)度0.1%、耐溫－40℃～125℃、外形尺(chǐ)寸19mm×35mm。
　　選用(yòng)該差壓(yā)傳感器，承受的絕對壓(yā)力可以(yǐ)滿足設計要求(qiú)，傳感器綜合精度爲(wèi)0．1%，流(liú)量(liàng)分辨(biàn)率較高、可區分(fèn)0．5m3，40m3的(de)水流沖擊爲(wèi)0.19mpa(＜0.2mpa)，不易損壞(huài)。
　　差壓(yā)傳感(gǎn)器承受的(de)壓差不(bú)能(néng)超過(guò)工作壓差的3倍，爲防止高(gāo)壓差(chà)或尖峰壓力脈(mò)沖對傳感(gǎn)器的(de)損壞(huài)，設計(jì)了單(dān)向閥(fá)和波(bō)紋管(guǎn)保護(hù)組件，與流(liú)量計共同夠成流量計短節，如圖9所(suǒ)示(shì)。其中單(dān)向閥(fá)保護(hù)組件主要是用(yòng)來防(fáng)止長時間(jiān)的高(gāo)壓差對傳感器(qì)造成損(sǔn)害;波紋(wén)管保護組(zǔ)件采(cǎi)用低(dī)剛度金屬(shǔ)片，迅速做出緩(huǎn)沖壓(yā)力較(jiào)大的脈沖，主(zhǔ)要是用(yòng)來吸收(shōu)快(kuài)速的(de)尖峰壓力(lì)脈沖，防止(zhǐ)尖峰壓(yā)力(lì)脈沖(chòng)損(sǔn)壞。單向閥與波紋管相(xiàng)輔相成(chéng)可以有效地(dì)保(bǎo)護傳感(gǎn)器不被損壞。

2室内與現場試(shì)驗
2.1室(shì)内(nèi)試驗
　　在(zài)室溫(wēn)25℃，流量(liàng)0～300m3/d對流量計進行(háng)标定，标準(zhǔn)流量計的(de)量程(chéng)範圍1.5～450m3/d，精度0.1%。在圖(tú)10所示的流量計(jì)标定實驗平台上，分(fèn)别進(jìn)行正(zhèng)行程和(hé)反行程流量測(cè)試，流量(liàng)标定(dìng)數據見表(biǎo)1。
　　試驗結論:試驗(yàn)流量最小爲2.6m3/d，最大爲286.1m3/d，流量标定(dìng)最大誤差正行(háng)程爲(wèi)3.9%，反行程爲(wèi)3.7%，流量與壓(yā)力(lì)計數呈抛物(wù)線關(guān)系。将正行程和(hé)反行(háng)程的測量(liàng)數據進行(háng)拟合(hé)，拟合結(jié)果如(rú)圖(tú)11所示，曲線基本重合，誤差很小(xiǎo)，說明流量計重複性高。



2.2現場試驗
　　該井上層(céng)配注(zhù)30m3/d，下(xià)層配注(zhù)20m3/d，井(jǐng)下小(xiǎo)型孔闆(pǎn)流量(liàng)計測量值(zhí)在多功(gōng)能(néng)配注裝置(zhì)上顯(xiǎn)示上(shàng)層注(zhù)水量(liàng)32.3m3/d，下層注水量19.4m3/d，地(dì)面水(shuǐ)表顯(xiǎn)示50m3/d。爲驗證(zhèng)分層(céng)流量(liàng)調配結果是(shì)否準确(què)進行(háng)了超聲波(bō)流量計測(cè)試驗(yàn)證，分層水量調(diào)配結果(guǒ)、超聲波(bō)流量(liàng)計(jì)測試驗證結果與地面水表(biǎo)計(jì)量(liàng)結果(guǒ)3個參數吻(wěn)合度達到(dào)95%以(yǐ)上。
　　該井(jǐng)現場試驗(yàn)9個月(yuè)以來(lái)，不斷跟蹤現場實時(shí)測試情況，超聲波(bō)流(liú)量計分層測試(shì)驗證結果顯示(shì):井下(xià)小型孔闆流量(liàng)計測量值(zhí)在多功(gōng)能配注(zhù)裝置上(shàng)顯示的(de)測試誤(wù)差仍小于3%。目前已開展(zhǎn)現場(chǎng)試驗6口井(jǐng)，測試誤(wù)差均小(xiǎo)于5%，現(xiàn)場(chǎng)試(shì)驗效(xiào)果良(liáng)好(hǎo)。
3結論
(1)小(xiǎo)型孔闆流量計結構簡單、無運(yùn)動部件(jiàn)，安(ān)裝于(yú)配注(zhù)裝置内，與(yǔ)配注裝置在井(jǐng)下長(zhǎng)期(qī)使(shǐ)用，進(jìn)行井下分層注(zhù)水量的自動監(jiān)測。
(2)試驗結果顯(xiǎn)示，小型孔闆流量計測量(liàng)值較(jiào)爲準(zhǔn)确，計量誤(wù)差小于5%。
(3)單向閥(fá)和波(bō)紋(wén)管保護組件有效防止(zhǐ)高壓(yā)差或(huò)尖峰(fēng)壓力脈沖(chòng)對傳(chuán)感器的損壞，提高了流量(liàng)計的(de)工作可(kě)靠性。

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