摘要(yào):針對油井分層(céng)監測與開采(cǎi)過(guò)程中的井下充(chōng)分混合的(de)油水(shuǐ)兩相介(jiè)質(zhì)流量(liàng)測量(liàng)問題，一種(zhǒng)基于卡門(mén)渦街原理(lǐ)的采油井(jǐng)井下渦街流量計 。搭建了地面(miàn)測試系統對其工作性(xìng)能進行(háng)試驗，首(shǒu)先(xiān)利用清水介質對流(liú)量計進行(háng)标定(dìng)，然後探究流量(liàng)計在充分混合(hé)的油(yóu)水兩相介(jiè)質中的(de)測(cè)量精度。試驗研究發現，渦街流量計(jì)在充(chōng)分混合的油水兩相(xiàng)介質(zhì)中的(de)流量(liàng)測量值略低于(yú)實際(jì)流量(liàng);在相(xiàng)同流(liú)量下，降低(dī)兩相(xiàng)介質(zhì)的含(hán)水率會導緻(zhì) 渦街流(liú)量計(jì) 的旋渦脫(tuō)落(luò)頻率降低;此(cǐ)外，大流(liú)量工作狀态下，環(huán)境振(zhèn)動對測量結果(guǒ)的影響被(bèi)減弱。與(yǔ)采(cǎi)油井井下(xià)流量的(de)測試需(xū)求相對照，渦街(jiē)流量計能(néng)夠在清水标定(dìng)、不需(xū)額外修正的情(qíng)況下(xià)，完成采油(yóu)井井下充(chōng)分混(hùn)合的(de)油(yóu)水兩相(xiàng)介質的流量測(cè)量。
引言
　　油井分(fèn)層開采一(yī)方面(miàn)可降(jiàng)低産(chǎn)液綜合含水率，提高(gāo)原油産(chǎn)量;另一方(fāng)面還可有效(xiào)保持油層均衡(héng)開采，提高(gāo)原油(yóu)采收率(lǜ)。因此，一(yī)套适(shì)用于(yú)采油(yóu)井井下的流量(liàng)測試技(jì)術，可(kě)以實現(xiàn)各(gè)油(yóu)層産(chǎn)量的正(zhèng)确監測，爲産層可控生産提供數據支(zhī)持。雖(suī)然電磁、超聲等流(liú)量(liàng)計已(yǐ)經在(zài)各(gè)個(gè)工業(yè)領域得(dé)到大規模應用(yòng)，但在充(chōng)分混合(hé)的油水兩相介(jiè)質(zhì)的流(liú)量測試中，往往(wǎng)因油(yóu)污大、被測(cè)介(jiè)質組分複雜(zá)、井下工(gōng)況(kuàng)複雜(zá)等因素，導(dǎo)緻測(cè)量結果及精度(dù)出現(xiàn)較大偏差(chà)。渦街流量(liàng)測量(liàng)作爲一(yī)種(zhǒng)介(jiè)質(zhì)适應性(xìng)好、結構(gòu)簡單(dān)、操作(zuò)方便的流(liú)量測(cè)量技(jì)術，已在油(yóu)田注水井(jǐng)測試等(děng)涉及流量監(jiān)測的(de)工藝領域得到(dào)了成(chéng)功應用。
　　本(běn)文将(jiāng)首先設計(jì)一種适(shì)合采油(yóu)井井(jǐng)下狹小空(kōng)間安(ān)裝的(de) 智能(néng)渦街流量計 ，并(bìng)針(zhēn)對采油(yóu)井中(zhōng)充分混(hùn)合的油(yóu)水兩相介(jiè)質進(jìn)行地面模拟試驗，獲得油水介質含(hán)水(shuǐ)率對采(cǎi)油井井下(xià)渦(wō)街流量(liàng)計測量特(tè)性的影響(xiǎng)規律。
1渦街流量計測(cè)量原(yuán)理(lǐ)
　　如(rú)圖1所(suǒ)示，在被測流體(tǐ)中垂直插入一(yī)個非流(liú)線(xiàn)型截面的旋渦(wō)發生(shēng)體，流體的流動(dòng)狀态受(shòu)其影(yǐng)響(xiǎng)并在(zài)下遊産生(shēng)一系(xì)列旋(xuán)渦。當(dāng)兩排旋渦之間(jiān)的間距h與同排(pái)中兩相鄰旋(xuán)渦(wō)的間(jiān)距l之比滿(mǎn)足h/l=0.281時(shí)，可(kě)以得到(dào)穩定且交替排(pái)列(liè)的(de)旋渦。将旋(xuán)渦分離頻率f定義爲單位(wèi)時間(jiān)從旋渦發(fā)生體下遊(yóu)分離的旋(xuán)渦數目(mù)，理(lǐ)論和(hé)試驗研究均已(yǐ)證明，旋渦(wō)分離頻率(lǜ)與流體速(sù)度v成(chéng)正比(bǐ)，且與(yǔ)旋渦發(fā)生體迎(yíng)流面的寬度d成反比，即:
f=srav/d(1)
　　式中，f爲(wèi)旋渦脫落(luò)頻率(lǜ)，hz;sr爲斯特勞哈爾(ěr)數(無量綱);a爲流(liú)道尺寸系(xì)數(shù);v爲(wèi)旋渦發(fā)生(shēng)體兩(liǎng)側的流速，m/s;d爲旋(xuán)渦發(fā)生體迎流(liú)面的寬度(dù)，m。
　　一旦(dàn)旋渦發生(shēng)體(tǐ)和流道(dào)的幾何尺(chǐ)寸确定(dìng)，旋渦脫落頻(pín)率即與流體流速構成簡(jiǎn)單的正比關系(xì)，因此通過檢測(cè)旋渦的脫(tuō)落頻(pín)率便(biàn)可(kě)測得流速，并以(yǐ)此獲得(dé)流體(tǐ)的流量。

2井下渦街流量(liàng)計整體結(jié)構
　　本(běn)文的(de)渦街流量(liàng)計主要(yào)用(yòng)于集(jí)成在油井智能(néng)配産(chǎn)器中，智能(néng)配産(chǎn)器外徑114mm、内(nèi)通徑46mm，内部集(jí)成有流(liú)量(liàng)計、含水(shuǐ)率測量、電(diàn)控可(kě)調閥(fá)嘴、載波通(tōng)信(xìn)等模塊，且所(suǒ)有模(mó)塊均隻能(néng)安裝(zhuāng)在智(zhì)能配産器狹小(xiǎo)的環(huán)形空(kōng)間内。當智能配産器随油(yóu)管下(xià)入指定的油層(céng)後，其将測(cè)得的各(gè)油層産液量(liàng)、含(hán)水率通過(guò)載波通信模(mó)塊和電纜傳輸(shū)至地面(miàn)，生産人(rén)員遵循(xún)“減小高(gāo)含水層産液量(liàng)，增加低含(hán)水層(céng)産液(yè)量”的基本(běn)原則(zé)對各油層的産出液流量(liàng)進行(háng)調控，非常(cháng)終實現油井增(zēng)油控水的目(mù)的(de)。基于渦街流量(liàng)計的(de)測量原理與安(ān)裝空間要(yào)求，本文渦街流(liú)量計如圖2所示(shì)。渦街(jiē)流量計主(zhǔ)要由流(liú)量(liàng)計主體、旋渦(wō)發生體(tǐ)、壓電晶體探頭(tóu)、過液(yè)管(guǎn)、壓闆等(děng)部件(jiàn)組成。其中，過液(yè)管(guǎn)内徑爲(wèi)15mm，流量計主體與(yǔ)過液(yè)管(guǎn)、旋渦發(fā)生體與(yǔ)過液管之間(jiān)通過焊接(jiē)固定，壓電(diàn)晶體探頭(tóu)與流量計(jì)主體、流量(liàng)計主(zhǔ)體與壓闆之(zhī)間設置相應的o型(xíng)密封圈(quān)，以保證(zhèng)渦街(jiē)流(liú)量計在(zài)井下20～50mpa高壓(yā)環境(jìng)下的可(kě)靠密封(fēng)。

3井(jǐng)下渦街流量計(jì)的(de)檢(jiǎn)測電(diàn)路
　　井(jǐng)下渦街流量計(jì)檢測電路(lù)框圖(tú)如圖(tú)3所示，渦街(jiē)流量計(jì)壓(yā)電晶(jīng)體探(tàn)頭(tóu)在旋渦(wō)的沖擊下(xià)輸(shū)出(chū)電壓(yā)信号(hào)，該電(diàn)壓信号(hào)經(jīng)由放大器及低通濾(lǜ)波器處理後傳遞給單(dān)片機，單(dān)片機(jī)對數(shù)據進(jìn)行傅(fù)裏葉變換(huàn)，從而獲得漩渦(wō)脫落頻率。在壓(yā)電晶體探(tàn)頭與(yǔ)渦街流量電控(kòng)系統連(lián)接(jiē)的同(tóng)時，并聯一台示(shì)波(bō)器對壓電晶體探頭的輸出(chū)電壓波形進行測試。

　　渦(wō)街流量計(jì)的檢(jiǎn)測電路圖如圖4所示(shì)，壓電(diàn)晶體輸(shū)出的微弱電(diàn)信号經過(guò)2級精度運算放(fàng)大器ad8608處理，第1級(jí)放大(dà)105倍，第(dì)2級放(fàng)大500倍。放大後的(de)信号(hào)再經(jīng)由ad7091Ｒ芯片(piàn)進(jìn)行模數轉(zhuǎn)換。ad7091Ｒ芯片在(zài)3.3v下(xià)功(gōng)耗非(fēi)常低，且内(nèi)置一個(gè)2.5v基(jī)準電壓源，能夠實現(xiàn)低漂移、精度的(de)模數轉換(huàn)。且運(yùn)算放大器的輸(shū)出電壓(yā)爲0.1～2.4v，而ad7091Ｒ輸(shū)入電壓要求範圍爲(wèi)0～2.5v，配合使用(yòng)可以擁(yōng)有100mv的安(ān)全餘量，符合使(shǐ)用需求(qiú)。

　　2級放大(dà)處(chù)理後(hòu)的電壓波形圖(tú)如圖5中的下面黃波(bō)形曲線所(suǒ)示，上面白色波形則代表信号(hào)經過(guò)傅裏葉變(biàn)換後在頻域内(nèi)的分布情(qíng)況，其(qí)中，白(bái)色波形中(zhōng)非常高峰(fēng)值所對應的頻(pín)率便是旋渦脫(tuō)落頻率，通過建立該(gāi)頻率(lǜ)與流速的(de)對應(yīng)關系即可(kě)對井下渦(wō)街流量計(jì)進(jìn)行标定(dìng)。

4充分混合(hé)的油(yóu)水兩相介質流(liú)量(liàng)測試(shì)系統
　　本文搭(dā)建的(de)充分(fèn)混合的油水兩(liǎng)相介質(zhì)流量測試系(xì)統組成如(rú)圖6所(suǒ)示，由油水(shuǐ)儲存區、油水分離區(qū)、流量(liàng)計測(cè)試區3個主要功能區(qū)塊組成。油(yóu)和水分别(bié)儲存(cún)在油(yóu)水儲存區(qū)的油罐和水罐(guàn)中，需要(yào)進行試(shì)驗時(shí)，按預(yù)定比例(lì)将油/水(shuǐ)兩種(zhǒng)介質吸入混合(hé)罐中(zhōng)，進(jìn)入流量測試區(qū)。兩(liǎng)相介(jiè)質在(zài)混(hùn)合罐内(nèi)進行充分混合(hé)，随後(hòu)在泵的推(tuī)動下流經渦街流量(liàng)計與(yǔ)參考(kǎo)流量計，随後重新(xīn)流回(huí)混合罐(guàn)内，完成一個(gè)循(xún)環。試(shì)驗初(chū)期由(yóu)于油水(shuǐ)混(hùn)合不(bú)均勻(yún)，管道内含(hán)有氣體(tǐ)等原因(yīn)，流量計示數往(wǎng)往波動較大，因(yīn)此系統穩定運(yùn)行10min後，待流量計讀數穩定後再(zài)進行讀(dú)取，記錄(lù)渦街(jiē)流量計旋(xuán)渦脫落(luò)頻率與(yǔ)參考(kǎo)流(liú)量計流(liú)量示(shì)數。數據記(jì)錄完畢後，打開(kāi)參考流(liú)量(liàng)計與油水(shuǐ)分(fèn)離器間(jiān)的閥(fá)門，同(tóng)時關閉其與混合罐(guàn)之間(jiān)的閥門，使得介(jiè)質(zhì)全部流(liú)入油水分(fèn)離區(qū)進行(háng)分離，分離(lí)完成的(de)油(yóu)/水介(jiè)質分(fèn)别吸入油(yóu)罐和(hé)水(shuǐ)罐(guàn)中，用(yòng)于下一次試驗(yàn)。

　　在完(wán)成一組試(shì)驗後(hòu)，在混(hùn)合罐(guàn)内吸入足量的(de)水，并以(yǐ)非(fēi)常大流量在(zài)流量測試區内循環，清(qīng)洗過液管(guǎn)，清洗(xǐ)時間持續10min以上(shàng)。完成清洗後，液(yè)體排(pái)放至(zhì)油水(shuǐ)分離區進行分離。
5試驗(yàn)數(shù)據及(jí)分析(xī)
5.1清(qīng)水标(biāo)定試驗
　　标(biāo)定試驗(yàn)中通(tōng)過改(gǎi)變泵(bèng)的輸(shū)出(chū)流量來改變流量(liàng)計的(de)工作(zuò)環境，以 帶溫壓(yā)補償(cháng)渦街(jiē)流量(liàng)計(jì) 的旋渦(wō)脫落頻率(lǜ)與參(cān)考(kǎo)流量計的流(liú)量爲變量，對(duì)流(liú)量計特性(xìng)進行(háng)線性拟合。本文(wén)中所使用(yòng)的油相介質爲15#工業(yè)白油，運動粘度(dù)13.5mm2/s(40℃)，參考流(liú)量(liàng)計類(lèi)型爲渦輪流量(liàng)計，由于(yú)流量測(cè)量(liàng)範圍較(jiào)大，因(yīn)此選擇(zé)測量範圍爲4.8～28.8m3/d以及14.4～144m3/d的2台(tái)參考流量(liàng)計進行标定，參考流(liú)量計的(de)精(jīng)度爲(wèi)5‰。清水(shuǐ)标定試驗(yàn)數據(jù)見表1、表2所示，拟(nǐ)合(hé)曲線如圖7所(suǒ)示。由(yóu)此可(kě)見，本文井下渦(wō)街流量計具有(yǒu)良好(hǎo)的重(zhòng)複性(xìng)，且相對誤(wù)差小(xiǎo)于1%。

5.2油水(shuǐ)兩相介質測試
　　對(duì)标定(dìng)好的(de)井(jǐng)下渦(wō)街(jiē)流量計進行充分混合的油水(shuǐ)兩相介(jiè)質測試，主要(yào)測試(shì)井下(xià)渦街流量計(jì)在不同(tóng)含水率介(jiè)質以及(jí)不(bú)同流(liú)量下(xià)的測量精(jīng)度，不同(tóng)含水率(lǜ)介質中(zhōng)的流量(liàng)測量結果(guǒ)如圖(tú)8所示(shì)。可(kě)以看出(chū)，在兩相介質中，渦街流(liú)量計的(de)測量流(liú)量(liàng)值始終低(dī)于(yú)參(cān)考流(liú)量計流(liú)量值，這是由于2種(zhǒng)介質混合後(hòu)，整(zhěng)體粘(zhān)度變大(dà)，流(liú)體流态發(fā)生改(gǎi)變，因(yīn)此斯(sī)特(tè)勞(láo)哈爾(ěr)數發生一定程(chéng)度(dù)變(biàn)化(huà)。

　　爲(wèi)進一(yī)步分析含(hán)水(shuǐ)率對測(cè)量誤(wù)差的(de)影響(xiǎng)，圖9給(gěi)出了(le)不同含水率時(shí)，渦街流量計在5～80m3/d測量範圍内的(de)平均相對(duì)誤差(chà)。可以看(kàn)出，當含(hán)水率低于40%時，渦(wō)街(jiē)流(liú)量計的測(cè)量非(fēi)常大(dà)相(xiàng)對誤差(chà)爲(wèi)4.8%，主(zhǔ)要原(yuán)因在于(yú)含(hán)水率(lǜ)較低時，充分混合的油水(shuǐ)兩相(xiàng)介質形成了(le)油包水的乳狀液(yè)，兩相(xiàng)斯(sī)特勞哈(hā)爾數(shù)呈現(xiàn)非線性變(biàn)化，從(cóng)而帶(dài)來測量誤(wù)差;當含水(shuǐ)率高(gāo)于40%時(shí)，渦街(jiē)流量(liàng)計的測量(liàng)逐漸趨于(yú)穩定，相(xiàng)對誤差(chà)小于2.5%，這(zhè)一現象是由于(yú)随(suí)着含(hán)水率提升，轉變爲水包油乳狀(zhuàng)液，水相中的油(yóu)泡較小且(qiě)分布(bù)均勻(yún)，介質流态(tài)變好(hǎo)，測量精度(dù)也得(dé)到(dào)改(gǎi)善。

　　在(zài)井下(xià)渦街(jiē)流量(liàng)計試驗過程中(zhōng)，由于機(jī)械振動(dòng)以及(jí)外(wài)部環境會對(duì)壓(yā)電(diàn)傳感器(qì)産生幹擾，因(yīn)此在沒有流量(liàng)通過時(shí)依然會(huì)産生一定的振(zhèn)動，通(tōng)過傅裏葉(yè)變換後表現爲(wèi)均布(bù)在整個頻(pín)域的(de)白噪(zào)聲。将(jiāng)各測試(shì)條件下(xià)的示波器波形(xíng)進行整合，通過(guò)對比發現(xiàn):當油水比例固(gù)定時(shí)，在頻域分(fèn)析中(zhōng)，旋渦脫(tuō)落所對(duì)應的頻率(lǜ)峰值(zhí)随流(liú)量增大(dà)而(ér)增大，如圖10所示(shì);當流量一定時，在頻域分析中(zhōng)，旋渦脫落所對(duì)應的(de)頻率(lǜ)峰值随含(hán)水率升高(gāo)而升(shēng)高，如圖11所(suǒ)示。上述(shù)現象說(shuō)明(míng)，該渦街流量(liàng)計應用(yòng)于高含(hán)水、大流(liú)量(liàng)的工(gōng)作環境(jìng)中(zhōng)具有(yǒu)較強(qiáng)的抗幹擾性。反之，當(dāng)流量(liàng)較小(xiǎo)或含(hán)水率(lǜ)較低的(de)情況下(xià)，探頭檢(jiǎn)測(cè)到的(de)被測(cè)介質經旋(xuán)渦發生體分離(lí)後産生的振動(dòng)所對應的(de)頻率(lǜ)值與(yǔ)系統噪聲産生(shēng)振動的頻率值較爲(wèi)接近(jìn)，如圖12所示，無法明顯(xiǎn)區分，可能(néng)會導(dǎo)緻單片機所采(cǎi)集(jí)到的有(yǒu)效(xiào)流量值對應(yīng)頻率(lǜ)不準确，從而産(chǎn)生了在小(xiǎo)流量或低含水(shuǐ)率情(qíng)況(kuàng)下(xià)，測試(shì)精度下降的現(xiàn)象，因此需(xū)要對(duì)非常(cháng)小流(liú)量進(jìn)行限制(zhì)。

6結(jié)論
　　本(běn)文基(jī)于卡門渦(wō)街原理一種應(yīng)用于采(cǎi)油井井下的(de)渦街(jiē)流量計，并對其(qí)在充分混合(hé)的油水(shuǐ)兩相(xiàng)介質中的(de)性能(néng)進行(háng)了試(shì)驗測試。通過地面循(xún)環試(shì)驗平台，讓(ràng)不同流量(liàng)、不(bú)同含水(shuǐ)率的(de)油水(shuǐ)兩(liǎng)相介質(zhì)流經(jīng)渦街(jiē)流量(liàng)計，并(bìng)通過(guò)與參考流(liú)量計的對(duì)比評價渦(wō)街流(liú)量計的測量性(xìng)能。清水标(biāo)定試(shì)驗發現，、渦街流量計(jì)在5～80m3/d範圍的(de)流(liú)量測量(liàng)誤差(chà)小于1%。油水兩相(xiàng)介質測試試驗(yàn)發現(xiàn)，在(zài)不同含(hán)水率的(de)油水兩(liǎng)相介(jiè)質中，流量(liàng)與渦街(jiē)脫落頻(pín)率能夠進(jìn)行良(liáng)好的拟(nǐ)合(hé);當含水率低于40%時，非(fēi)常大測量(liàng)誤差(chà)小于5%;當含水率(lǜ)高于(yú)40%時，測(cè)量誤差小于(yú)2.5%。此外，試(shì)驗發現(xiàn)大流量通過渦街流量(liàng)計時(shí)能夠減弱環境噪聲帶來(lái)的影響，提(tí)高渦(wō)街流量計的測量精度。根(gēn)據上述試驗結果以(yǐ)及油田(tián)井(jǐng)下流(liú)量測量需求可(kě)以得出，本(běn)文中油田(tián)井下(xià)渦街(jiē)流量計，在(zài)在(zài)清(qīng)水介(jiè)質中标定(dìng)後，不(bú)需要(yào)進行額外(wài)修正便能(néng)夠應(yīng)用(yòng)于不同(tóng)含水率(lǜ)的油(yóu)水(shuǐ)兩相介質(zhì)流量(liàng)測量中。

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