摘要(yao):針對油井(jǐng)分層監測(ce)與開采過(guò)程中的井(jing)下充🏒分混(hùn)合的油水(shuǐ)兩相介質(zhì)流量測量(liàng)問題，一種(zhǒng)基于卡門(mén)渦街原理(li)的采油井(jing)井下渦街(jie)流量計 。搭(da)建了地面(mian)測試系統(tong)對其工作(zuò)性能進行(hang)試驗，首先(xian)利用清水(shuǐ)介質對流(liu)量計進行(hang)标定，然後(hòu)探究流量(liàng)計在充分(fen)混合的油(yóu)水兩相介(jiè)質中的測(cè)量精度。試(shi)驗研究發(fa)現，渦街流(liu)🔞量計在充(chōng)分混合的(de)油水兩相(xiang)介質中💁的(de)流量測量(liang)值略低㊙️于(yú)實際流量(liàng);在相同流(liú)量下，降低(di)兩相介質(zhì)的含水率(lü)會導緻 渦(wo)街流量計(jì) 的旋渦脫(tuo)落頻率降(jiàng)低;此外，大(dà)流量工作(zuò)狀态下，環(huan)境振動對(dui)測量結果(guo)的影響被(bei)減弱。與采(cai)油井井下(xià)👌流量的測(cè)試需求相(xiàng)對照，渦街(jiē)流量計能(néng)夠在清水(shui)标定、不需(xū)額外修正(zheng)的情況下(xià)，完成采油(you)井井下充(chong)分混合的(de)油水兩相(xiàng)介質的流(liú)㊙️量測量。
引(yǐn)言
　　油井分(fen)層開采一(yi)方面可降(jiàng)低産液綜(zōng)合含水率(lǜ)，提高原油(yóu)産量;另一(yi)方面還可(kě)有效保持(chi)油層均衡(héng)開采，提🧑🏽‍🤝‍🧑🏻高(gāo)原🌈油采收(shou)率。因此，一(yi)套适用于(yu)采油井井(jing)下的流量(liang)測試技術(shù)，可以🌏實現(xian)各油層産(chǎn)量的正确(que)監測，爲産(chan)層可控生(sheng)産提供數(shu)據支持。雖(suī)然💚電磁、超(chāo)聲等流量(liang)計已經在(zài)各個工👈業(ye)領域得到(dao)大規模應(yīng)用，但在充(chōng)分混合的(de)油水兩相(xiang)介質的流(liú)量測試中(zhōng)，往往因油(yóu)污⁉️大、被測(cè)介質組分(fèn)複雜、井下(xia)工況複雜(zá)等因素，導(dao)緻測量結(jie)果及精度(du)出現較大(da)偏差。渦街(jiē)流量測量(liang)作爲一種(zhong)介質适應(ying)性好、結構(gou)簡單、操作(zuò)方便的流(liu)量測量技(jì)術，已在油(you)田注水井(jǐng)測🌈試等涉(shè)及🔴流量監(jian)測的工藝(yì)領域得到(dao)📐了成功應(yīng)用。
　　本文将(jiang)首先設計(jì)一種适合(he)采油井井(jing)下狹小空(kōng)間😄安裝的(de) 智能渦街(jie)流量計 ，并(bing)針對采油(you)井中充分(fèn)混合的油(yóu)水兩相介(jiè)質進行地(di)面模拟試(shì)驗，獲得油(yóu)水介質含(han)水率對采(cǎi)油井井下(xia)渦街流🈲量(liàng)計測量特(te)性的影響(xiang)規律。
1渦街(jie)流量計測(ce)量原理
　　如(ru)圖1所示，在(zài)被測流體(tǐ)中垂直插(cha)入一個非(fei)流線型截(jié)面的旋渦(wō)發生體，流(liú)體的流動(dòng)狀态受其(qí)影響并🌈在(zai)下遊産生(shēng)一系列旋(xuan)渦。當兩排(pái)旋渦之間(jian)的間距㊙️h與(yǔ)同排中兩(liǎng)相鄰旋渦(wo)⚽的間距l之(zhi)比滿⛷️足h/l=0.281時(shí)，可以得到(dao)穩定且🐇交(jiāo)替排列的(de)旋渦。将旋(xuan)渦分離頻(pín)率f定義爲(wei)單位時間(jian)從旋渦發(fā)生體下遊(yóu)分離的旋(xuán)渦數目，理(lǐ)論和試驗(yàn)研究均已(yi)證明，旋渦(wō)分離頻率(lü)與流體速(sù)度v成正💰比(bǐ)，且與😍旋渦(wo)發生體迎(ying)流面的寬(kuān)度d成反比(bǐ)，即:
f=SrAv/d(1)
　　式中，f爲(wèi)旋渦脫落(luò)頻率，Hz;Sr爲斯(si)特勞哈爾(er)數(無量綱(gāng));A爲流道尺(chǐ)寸系數;v爲(wei)旋渦發生(shēng)體兩側的(de)流速，m/s;d爲旋(xuan)渦🛀發生體(ti)迎🐅流面的(de)寬度，m。
　　一旦(dan)旋渦發生(shēng)體和流道(dao)的幾何尺(chi)寸确定，旋(xuan)渦脫落頻(pín)率‼️即與流(liu)體流速構(gou)成簡單的(de)正比關系(xi)，因此通過(guò)檢測旋渦(wō)的脫落頻(pin)率便可測(cè)得流速，并(bing)以此獲得(de)流體的流(liu)量。

2井下(xià)渦街流量(liang)計整體結(jie)構
　　本文的(de)渦街流量(liàng)計主要用(yong)于集成在(zài)油井智能(néng)配産器中(zhōng)，智能配産(chǎn)器外徑114mm、内(nèi)通徑46mm，内部(bu)集成有流(liú)量計、含💁水(shuǐ)率測量🔞、電(dian)控可調閥(fá)嘴、載波通(tong)信等模塊(kuai)，且所有模(mó)塊均隻能(néng)安裝👉在智(zhi)能配産器(qì)🤩狹小的環(huan)形空間内(nei)。當智能配(pei)産器随油(you)管下入指(zhǐ)定的油層(ceng)後，其将測(ce)得的各油(you)層産液量(liang)、含水率通(tōng)過載波通(tong)信模塊和(he)電纜傳🤞輸(shū)至地面，生(shēng)産人員遵(zun)循“減小高(gāo)含水層産(chǎn)液量，增加(jia)低含水層(céng)産液量”的(de)基本原則(ze)對各油層(ceng)的産出液(yè)流量進行(hang)調控，非常(cháng)終實現油(you)井增油控(kong)水的目的(de)。基于♻️渦街(jie)流量計的(de)測量原理(lǐ)與安裝空(kōng)間要求，本(ben)文渦街流(liú)量計如圖(tu)2所示。渦街(jiē)流量計主(zhu)要由流量(liang)計主體、旋(xuan)🔞渦發生體(tǐ)、壓電晶體(tǐ)探頭、過液(ye)管、壓闆等(děng)部件組成(cheng)。其中🥵，過液(ye)管内徑爲(wèi)15mm，流量計主(zhu)體與過液(ye)管、旋渦發(fa)生體🐅與過(guò)✔️液管之間(jian)通過焊接(jiē)固定，壓電(dian)晶體探頭(tóu)與流量計(jì)主體、流量(liàng)計主體與(yǔ)壓闆之間(jian)設置相應(ying)的O型密封(fēng)圈，以保證(zhèng)渦街流量(liang)計在井下(xia)20～50MPa高壓環境(jing)下的可靠(kào)密☀️封。

3井下渦(wō)街流量計(jì)的檢測電(diàn)路
　　井下渦(wō)街流量計(ji)檢測電路(lù)框圖如圖(tú)3所示，渦街(jiē)流❓量‼️計壓(ya)電♻️晶體探(tan)頭在旋渦(wō)的沖擊下(xia)輸出電壓(yā)信号，該電(dian)壓信号經(jīng)由放大器(qì)及低通濾(lü)波器處理(li)後傳遞給(gěi)單片機，單(dan)片機🐪對數(shu)據進行傅(fu)裏葉變換(huàn)，從🌏而獲得(de)漩渦脫落(luo)頻率。在壓(yā)電晶體探(tàn)頭與渦街(jiē)流🔴量電控(kong)系統連接(jie)的同時，并(bìng)聯一台示(shì)波器對壓(yā)電晶體探(tan)頭的輸出(chū)電壓波形(xíng)進😍行測試(shi)。

　　渦(wo)街流量計(jì)的檢測電(diàn)路圖如圖(tu)4所示，壓電(diàn)晶體輸出(chū)的微弱電(dian)信号經過(guo)2級精度運(yun)算放大器(qi)AD8608處理，第1級(jí)放大105倍，第(di)2級放大500倍(bei)。放大後的(de)信号再經(jīng)由AD7091Ｒ芯片進(jin)行模數轉(zhuan)換。AD7091Ｒ芯片在(zai)3.3V下功耗非(fēi)常低🌈，且内(nei)置一個2.5V基(ji)準電壓源(yuan)，能夠實現(xian)低漂移、精(jing)度的模數(shù)轉換。且運(yùn)算放大器(qì)的輸出電(dian)壓爲0.1～2.4V，而AD7091Ｒ輸(shu)入電☔壓要(yào)求範圍爲(wèi)0～2.5V，配合使用(yòng)可以擁有(yǒu)100mV的安全餘(yu)量，符合使(shi)用🈚需求。

　　2級放大處(chù)理後的電(diàn)壓波形圖(tu)如圖5中的(de)下面黃波(bō)形✏️曲線所(suo)示♈，上面白(bái)色波形則(ze)代表信号(hao)經過傅裏(lǐ)葉變換後(hòu)在頻域内(nèi)的分布情(qíng)況，其中，白(bai)色波形中(zhong)非常高峰(feng)值所🐅對應(yīng)的頻率便(biàn)是旋渦脫(tuō)落頻率，通(tong)過建立該(gāi)頻率與流(liu)速的對應(ying)關系即可(ke)對井下渦(wo)街流量計(jì)進行标定(ding)。

4充分混合(hé)的油水兩(liang)相介質流(liu)量測試系(xì)統
　　本文搭(dā)建的充分(fen)混合的油(yóu)水兩相介(jie)質流量測(ce)試系統組(zu)成如✨圖6所(suo)示，由油水(shui)儲存區、油(you)水分離區(qu)、流量計🧡測(ce)試區3個主(zhǔ)要功能區(qū)塊組成。油(you)和水分别(bié)儲存在油(you)水儲存區(qu)的油罐和(he)水罐中，需(xu)要進行試(shi)驗時，按預(yu)定比例将(jiāng)油✏️/水兩種(zhong)介質吸入(ru)混合罐中(zhong)，進入流量(liàng)測試區。兩(liǎng)相介質在(zai)混合罐内(nèi)進行充分(fèn)混合，随後(hou)在泵的推(tui)動下流經(jing)渦💘街流量(liang)計與參考(kǎo)流💔量計，随(sui)後重新流(liú)回混合罐(guan)内，完成✏️一(yi)個循環。試(shi)驗初❌期由(you)于油水混(hun)合⭕不均勻(yún)，管道内含(hán)有氣體等(deng)原因，流量(liàng)計示數往(wǎng)往波動較(jiao)大，因此系(xì)統穩定運(yun)行10min後，待流(liú)量計讀數(shu)穩定後🈲再(zài)進行讀取(qu)，記錄渦街(jiē)流量計旋(xuán)渦脫落頻(pín)率與參🚶‍♀️考(kao)流量計流(liú)量示數。數(shu)據記錄完(wán)畢後，打開(kai)參考流🔞量(liàng)計🌏與油水(shuǐ)分離器間(jian)的閥門，同(tóng)時💔關閉其(qí)與混合罐(guan)之間的閥(fa)門，使得介(jiè)質全部流(liú)入油水🛀🏻分(fen)離⁉️區進行(hang)分離，分🏃離(li)完成的油(you)/水🚶‍♀️介質分(fen)别吸入油(yóu)罐和水罐(guan)中🔞，用于下(xià)一次試驗(yàn)。

　　在完成一(yi)組試驗後(hòu)，在混合罐(guàn)内吸入足(zú)量的水，并(bìng)以非☔常大(dà)流量在流(liu)量測試區(qū)内循環，清(qing)洗過液管(guan)，清洗時間(jian)🙇🏻持續10min以上(shàng)。完成清洗(xi)後，液體排(pai)放至油水(shui)分離區進(jin)行分離。
5試(shi)驗數據及(jí)分析
5.1清水(shui)标定試驗(yan)
　　标定試驗(yàn)中通過改(gǎi)變泵的輸(shū)出流量來(lai)改變流量(liang)計的工🙇🏻作(zuo)㊙️環境，以 帶(dai)溫壓補償(cháng)渦街流量(liàng)計 的旋渦(wo)脫落頻率(lü)與參考流(liú)量計的流(liú)量爲變量(liang)，對流量計(ji)🌐特性🏃🏻‍♂️進行(hang)線性拟合(hé)。本文中所(suo)使用的油(yóu)相介質爲(wei)15#工業白油(yóu)，運動粘度(du)13.5mm2/s(40℃)，參考流量(liàng)計類型爲(wei)渦輪流量(liang)‼️計，由于流(liú)量測量範(fàn)圍較大，因(yīn)此選擇測(cè)量範圍爲(wei)4.8～28.8m3/d以🔆及14.4～144m3/d的2台(tai)參考流量(liang)計進行标(biao)定，參考流(liu)量計的精(jīng)度爲5‰。清水(shui)标定試驗(yàn)數據見表(biao)1、表2所示，拟(ni)合曲線如(ru)圖7所☂️示。由(yóu)此可見，本(ben)文井下渦(wō)街流量計(jì)具有良好(hǎo)的重複性(xing)💃，且相對誤(wù)差小于1%。

5.2油(yóu)水兩相介(jiè)質測試
　　對(dui)标定好的(de)井下渦街(jie)流量計進(jin)行充分混(hun)合的油🐇水(shuǐ)兩相介✂️質(zhì)測試，主要(yao)測試井下(xià)渦街流量(liàng)計在不同(tóng)含水率介(jie)質以及❓不(bu)同流量下(xia)的測量精(jīng)度，不同含(han)水率♻️介質(zhì)中的流量(liàng)測量結果(guǒ)如圖8所示(shì)。可以看🧡出(chu)，在兩相介(jie)質中，渦街(jie)流量計🏒的(de)測量流量(liang)值始終低(di)于參考流(liú)量計流量(liang)值，這是由(yóu)于2種㊙️介質(zhì)混合後🤟，整(zheng)體粘度變(biàn)大♍，流體流(liu)态發生改(gai)變，因此斯(sī)特勞哈爾(ěr)數發生⚽一(yi)定程👅度變(bian)化。

　　爲進一(yī)步分析含(hán)水率對測(cè)量誤差的(de)影響，圖9給(gěi)出了不同(tóng)含水率時(shi)，渦街流量(liang)計在5～80m3/d測量(liang)範圍内的(de)平均相對(duì)誤差。可以(yǐ)看出，當💃含(han)水率低于(yu)40%時，渦街流(liú)量計的測(cè)量非常大(da)相對誤差(chà)爲4.8%，主要原(yuan)因在于含(hán)水率較低(dī)時，充分混(hùn)合㊙️的油水(shui)兩相介質(zhi)形成了油(you)包🌏水的乳(rǔ)狀液，兩相(xiang)斯特勞哈(hā)爾數呈現(xian)💜非線性變(bian)化🍉，從而帶(dai)來測量誤(wu)差;當含水(shuǐ)率高于40%時(shí)，渦街流量(liang)計的測量(liàng)逐漸趨于(yu)🌈穩定，相對(dui)誤差小于(yú)2.5%，這一現象(xiang)是由于随(sui)着含水率(lǜ)提升，轉變(bian)爲水包油(yóu)乳狀液，水(shui)相中的油(you)泡🐇較小且(qie)分布均勻(yún)，介質流态(tai)變好，測量(liang)精度也得(dé)到改善。

　　在(zai)井下渦街(jie)流量計試(shi)驗過程中(zhōng)，由于機械(xie)振動以及(jí)外部環境(jìng)會對壓電(dian)傳感器産(chan)生幹擾，因(yin)此在沒有(you)流量通過(guo)時依然會(hui)産生一定(ding)的振動，通(tōng)過傅裏🏃🏻葉(ye)變換後表(biao)現爲均布(bu)在整個♉頻(pín)域的白噪(zao)聲。将各測(ce)試條件下(xià)的示波🈚器(qì)波形進行(hang)整合，通過(guo)對比發現(xian):當油水比(bǐ)例固定時(shi)，在頻域分(fen)析中，旋渦(wo)脫落所對(dui)應的頻率(lǜ)峰🎯值随流(liú)量增大而(er)增大，如圖(tu)10所示;當🐪流(liu)量一定時(shí)，在頻域分(fen)析中，旋渦(wo)脫落所對(duì)應的頻率(lü)峰值随含(han)水率升👣高(gāo)而升高，如(rú)圖11所示。上(shàng)述現象說(shuō)明，該渦街(jiē)流量計應(ying)用于高含(hán)水、大流量(liàng)的工作環(huan)境中具有(you)較強的抗(kàng)幹擾性。反(fan)之，當流量(liang)較小或含(hán)水率較低(dī)的情況下(xià)，探頭檢測(ce)到的被測(cè)介質經旋(xuan)渦發生體(tǐ)分離後産(chan)生的振動(dòng)所對應的(de)頻率值🌈與(yǔ)系統噪聲(sheng)産生振動(dong)的頻率值(zhí)較爲🐇接近(jìn)，如圖12所🔅示(shì)，無法明顯(xiǎn)區分，可能(neng)會導緻單(dan)片機所采(cǎi)集到的有(you)效流量值(zhí)對應頻率(lü)不準确，從(cong)而産生了(le)在小流量(liang)或低含水(shuǐ)率情況下(xia)，測♊試精度(dù)下降的現(xian)象，因此需(xu)要對非常(cháng)小流量進(jin)行☀️限制🚶。

6結(jié)論
　　本文基(ji)于卡門渦(wō)街原理一(yī)種應用于(yú)采油井井(jǐng)下的渦街(jie)流量計，并(bing)對其在充(chong)分混合的(de)油水兩相(xiang)介質中的(de)性能進行(háng)了試驗測(cè)試。通過地(dì)面循環試(shi)驗平台，讓(rang)不同流🍉量(liang)、不同含水(shui)率的油水(shuǐ)兩相介質(zhì)流經渦街(jie)流量計，并(bing)通過與參(cān)考✏️流量計(jì)的對比評(ping)價📱渦街流(liu)量計的測(cè)量性能。清(qīng)水标定試(shi)驗發現，、渦(wō)街流量計(jì)在5～80m3/d範圍💞的(de)流量測量(liang)誤差小于(yu)1%。油水兩相(xiang)介🌈質測試(shi)試驗發現(xian)，在不同含(han)水率的油(yóu)水兩相介(jie)質中，流量(liang)與渦街脫(tuō)落頻率能(néng)夠進行良(liang)☔好🎯的拟合(hé);當含水率(lǜ)低㊙️于40%時，非(fei)常大測量(liang)誤差小于(yu)5%;當含水📐率(lü)高于40%時，測(cè)量誤差小(xiǎo)于2.5%。此外，試(shì)驗發現大(dà)流量通過(guo)渦街流量(liàng)計時能夠(gòu)減弱環境(jìng)噪聲帶來(lai)的影響，提(tí)高渦街流(liu)量計的測(ce)量精度。根(gen)據上述試(shi)驗結果以(yi)及油田井(jing)下流量測(ce)量需求可(kě)以得出，本(běn)文中油田(tián)井📞下渦街(jie)流量計，在(zai)在清水介(jie)質中标定(ding)後，不需要(yao)進行額外(wài)修正便能(néng)夠應用于(yú)不同含水(shuǐ)🐪率的油水(shuǐ)兩相介質(zhi)流量測量(liàng)中。

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