摘要(yào):針對油(yóu)井分層(ceng)監測與(yǔ)開采過(guo)程中的(de)井下充(chōng)分混合(hé)的🤩油水(shuǐ)兩相介(jie)質流量(liang)測量問(wèn)題，一種(zhong)基于卡(kǎ)門🈲渦街(jiē)原理的(de)采油井(jǐng)井下渦(wo)街流量(liàng)計 。搭建(jian)了地面(miàn)測試系(xi)統對其(qi)工作性(xìng)能進行(hang)試驗，首(shou)先利用(yong)清🔞水介(jie)質對流(liu)量計進(jin)行标定(dìng)，然後探(tan)究流量(liang)計在充(chōng)分混合(hé)的🈚油水(shuǐ)兩相介(jie)質中的(de)測量精(jīng)度。試驗(yàn)研究發(fa)現，渦街(jiē)流量計(ji)在充分(fèn)混合的(de)油水兩(liǎng)相介質(zhi)中的流(liú)量測量(liang)值略低(di)于實際(jì)流量;在(zài)相同流(liú)量下，降(jiang)低兩相(xiàng)介質的(de)🈲含水率(lü)會導緻(zhì) 渦街流(liu)量計 的(de)旋渦脫(tuo)落頻率(lǜ)降低;此(ci)外，大流(liu)量工作(zuo)狀态下(xia)，環境振(zhen)♊動對測(cè)🌈量結果(guo)的影響(xiang)被減弱(ruò)。與采油(yóu)井井下(xia)✉️流量的(de)測👅試需(xu)❤️求相對(dui)照🏒，渦街(jie)流量計(jì)能夠在(zai)清水标(biāo)定、不💁需(xu)額外修(xiū)正的🏃‍♀️情(qing)況下，完(wan)成采油(you)井井下(xià)充分混(hun)合的油(yóu)水兩相(xiang)介質的(de)流量測(cè)量。
引言(yán)
　　油井分(fèn)層開采(cai)一方面(mian)可降低(dī)産液綜(zong)合含水(shui)率，提高(gao)🏃原油🌍産(chǎn)量;另一(yi)方面還(hai)可有效(xiao)保持油(you)層均衡(heng)開⛷️采，提(ti)高原油(you)采收率(lǜ)。因此，一(yī)套适用(yong)于采油(yóu)井井下(xia)的流量(liang)測試技(ji)術，可以(yi)👌實現各(ge)油層産(chan)量的正(zheng)确監測(cè)，爲産層(céng)可控生(sheng)産提供(gòng)數據支(zhi)持。雖然(rán)電磁、超(chāo)聲等流(liú)量計已(yi)經在各(ge)個工🔴業(ye)領域得(dé)到大規(gui)模應用(yòng)🐕，但在充(chong)分混❓合(he)的油水(shuǐ)兩相介(jiè)質的流(liu)量測試(shì)💛中，往往(wǎng)因油污(wū)🙇‍♀️大、被測(cè)介質組(zu)分複雜(za)、井下工(gong)況複雜(zá)等📞因㊙️素(su)，導緻測(ce)量結果(guǒ)⁉️及精度(du)出現較(jiao)大偏差(chà)。渦街流(liú)量測量(liang)作爲一(yī)種介質(zhì)适應性(xing)好、結構(gou)簡單、操(cāo)作方🌈便(biàn)的流量(liang)測量技(ji)術，已在(zai)👣油田注(zhù)水井測(ce)試等涉(she)及流量(liàng)監測的(de)工藝領(lǐng)域得到(dào)了成功(gong)應用。
　　本(běn)文将首(shou)先設計(jì)一種适(shi)合采油(you)井井下(xià)狹小空(kōng)間安裝(zhuāng)的 智能(neng)渦街流(liú)量計 ，并(bìng)針對采(cai)油井中(zhōng)充分混(hùn)合的油(yóu)水兩相(xiang)介質進(jin)行🌈地面(mian)模🍉拟試(shi)驗，獲得(dé)油水介(jiè)質含水(shui)率對采(cǎi)油井井(jing)下渦街(jiē)流量計(jì)測量特(te)性的影(yǐng)響規律(lǜ)。
1渦街流(liú)量計測(ce)量原理(li)
　　如圖1所(suo)示，在被(bei)測流體(tǐ)中垂直(zhi)插入一(yi)個非流(liú)線型截(jié)面的旋(xuán)🙇🏻渦💃🏻發生(sheng)體，流體(tǐ)的流動(dong)狀态受(shòu)其影響(xiǎng)并在下(xia)遊産生(sheng)一系列(liè)旋渦。當(dāng)兩排旋(xuan)渦之間(jian)的間距(ju)h與同排(pái)中兩相(xiàng)鄰旋渦(wō)的間距(jù)🐕l之比滿(mǎn)☀️足h/l=0.281時，可(ke)以得到(dao)穩定且(qie)交替排(pái)列的旋(xuán)渦。将旋(xuan)渦分離(lí)🏃頻率f定(dìng)義爲單(dān)位時間(jian)從旋渦(wo)發生體(ti)下遊分(fèn)離的旋(xuán)渦數目(mu)🈚，理論和(hé)試驗研(yán)究均已(yǐ)證明，旋(xuan)渦分離(lí)頻率與(yu)流體速(sù)度v成正(zhèng)比，且與(yu)旋渦發(fa)🔴生體迎(yíng)流面的(de)寬度d成(cheng)反♈比，即(ji):
f=SrAv/d(1)
　　式中，f爲(wei)旋渦脫(tuo)落頻率(lü)，Hz;Sr爲斯特(te)勞哈爾(ěr)數(無量(liàng)綱);A爲流(liú)道尺寸(cùn)系數;v爲(wei)旋渦發(fā)生體兩(liang)側的流(liu)速，m/s;d爲旋(xuan)渦發生(sheng)🥰體迎流(liu)面👄的寬(kuan)度，m。
　　一旦(dan)旋渦發(fa)生體和(hé)流道的(de)幾何尺(chǐ)寸确定(dìng)，旋渦脫(tuō)👅落頻率(lü)🤩即與流(liú)體流速(su)構成簡(jian)單的正(zheng)比關系(xi)，因此通(tong)過⭕檢測(cè)☂️旋渦的(de)脫落頻(pin)🍉率便可(ke)測得流(liú)速，并以(yi)此獲得(dé)流體的(de)流量。

2井下渦(wo)街流量(liàng)計整體(ti)結構
　　本(ben)文的渦(wō)街流量(liàng)計主要(yào)用于集(ji)成在油(you)井智能(neng)配産器(qì)中，智✍️能(néng)配産器(qi)外徑114mm、内(nèi)通徑46mm，内(nèi)部集成(chéng)有流量(liang)計、含水(shui)率測量(liàng)、電控🐉可(kě)調🏃閥嘴(zui)、載波通(tōng)信等模(mó)塊，且所(suǒ)有模塊(kuai)均隻能(néng)安裝🏃‍♀️在(zai)智能配(pei)産器狹(xia)小的環(huan)形空間(jian)内。當智(zhì)能配産(chǎn)器随油(yóu)管下入(ru)指定🔱的(de)油層後(hou)，其将測(cè)得的🔞各(ge)油層産(chǎn)液量、含(han)水率通(tong)✏️過載波(bo)通信模(mó)塊和電(dian)纜傳輸(shū)至地面(miàn)，生産人(ren)員遵循(xun)“減小高(gāo)含水層(céng)産液量(liàng)，增加低(di)含水層(ceng)産液量(liang)”的基本(ben)原則對(duì)各油層(céng)的産出(chu)液流量(liàng)進行調(diao)控，非常(chang)終實現(xian)油井增(zeng)油控水(shuǐ)的目的(de)。基于渦(wō)街流⭐量(liàng)計的測(cè)量原理(li)與🚩安裝(zhuāng)空間要(yào)求，本文(wen)渦街流(liú)量計如(ru)圖2所♋示(shi)。渦街流(liu)量計主(zhǔ)要由流(liú)量計主(zhu)體⭐、旋渦(wo)發生體(tǐ)、壓電晶(jīng)體探頭(tou)、過❌液管(guan)、壓闆等(deng)部件組(zǔ)🏃🏻成。其中(zhōng)，過液管(guǎn)内徑爲(wei)15mm，流量計(jì)主體💃🏻與(yu)過液管(guǎn)、旋渦發(fa)生體與(yǔ)過液管(guan)之間通(tong)過焊接(jie)固定，壓(ya)電晶體(ti)探頭與(yǔ)流量計(jì)主體、流(liu)量計主(zhu)體與壓(ya)闆之間(jiān)設置相(xiang)應的O型(xing)密封圈(quān)，以保證(zheng)渦街流(liu)量計在(zai)井下20～50MPa高(gao)壓環境(jing)下的可(kě)靠密⭐封(feng)。

3井(jing)下渦街(jiē)流量計(jì)的檢測(cè)電路
　　井(jǐng)下渦街(jiē)流量計(jì)檢測電(diàn)路框圖(tú)如圖3所(suǒ)示，渦街(jie)流🚩量計(ji)壓電晶(jīng)體探頭(tou)在旋渦(wō)的沖擊(jī)下輸出(chū)電壓信(xin)⁉️号，該🔞電(diàn)壓🔞信号(hao)經由放(fàng)大器及(ji)低通濾(lü)波器處(chù)理後傳(chuán)遞給🈲單(dān)片機，單(dān)片機對(dui)數據進(jìn)行傅裏(lǐ)葉變換(huàn)，從而獲(huò)得漩渦(wō)脫落頻(pín)🛀率。在壓(yā)電晶體(ti)探頭與(yu)渦街流(liú)❗量電控(kòng)系統連(lian)接的同(tóng)時，并聯(lián)一台示(shi)❄️波器對(duì)壓電晶(jīng)體探頭(tóu)的輸👣出(chū)電壓波(bo)形進行(hang)測試。

　　渦街(jie)流量計(jì)的檢測(ce)電路圖(tu)如圖4所(suǒ)示，壓電(dian)晶體輸(shu)出的微(wei)弱電信(xìn)号經過(guò)2級精度(du)運算放(fang)大器AD8608處(chu)理，第🈚1級(ji)放大105倍(bèi)，第2級放(fàng)大500倍。放(fàng)大後的(de)信号再(zài)經由AD7091Ｒ芯(xīn)片進行(hang)模數轉(zhuǎn)換。AD7091Ｒ芯片(pian)在3.3V下功(gong)耗非常(chang)低，且内(nei)置一個(gè)2.5V基準電(diàn)壓源，能(neng)夠實現(xiàn)低漂移(yí)、精度的(de)模數轉(zhuǎn)換。且運(yùn)算放大(da)器的輸(shū)出電壓(ya)爲0.1～2.4V，而AD7091Ｒ輸(shū)入電壓(yā)要求範(fan)圍爲0～2.5V，配(pei)合使用(yòng)可以擁(yong)有100mV的安(ān)全餘量(liàng)，符合使(shǐ)用需求(qiu)。

　　2級放大(dà)處理後(hòu)的電壓(yā)波形圖(tu)如圖5中(zhong)的下面(mian)黃波形(xíng)曲☁️線所(suo)示，上面(miàn)白色波(bo)形則代(dai)表信号(hào)經過傅(fu)裏葉變(bian)換後在(zài)頻🔅域内(nei)的分布(bù)情況，其(qi)中，白色(se)波形中(zhong)非常高(gāo)峰值所(suǒ)🛀🏻對應的(de)頻率便(biàn)🔱是旋渦(wo)脫落頻(pín)率，通過(guò)建立該(gāi)頻率與(yǔ)流速的(de)對應關(guan)系即可(kě)對井下(xià)渦街流(liú)量計進(jìn)行标定(ding)。

4充分混(hun)合的油(you)水兩相(xiang)介質流(liú)量測試(shì)系統
　　本(běn)文搭建(jian)的充分(fèn)混合的(de)油水兩(liǎng)相介質(zhì)流量測(cè)試系統(tǒng)組成如(rú)👉圖6所示(shi)，由油水(shui)儲存區(qu)、油水分(fen)離區、流(liú)量計♻️測(ce)試區3個(gè)🏃🏻主要功(gong)能區塊(kuai)組成。油(yóu)和水分(fen)别儲存(cun)在油水(shui)儲存區(qū)的油罐(guan)和水罐(guan)中，需要(yào)進行試(shì)驗時，按(an)預定比(bi)例将油(yóu)/水兩種(zhong)介質吸(xi)入混合(hé)罐中，進(jin)入流量(liàng)測試區(qū)。兩相介(jiè)質在混(hùn)合罐内(nèi)進行充(chong)分混✊合(hé)，随後在(zai)泵的推(tui)動下流(liu)經渦街(jie)流量計(ji)與參考(kao)流量計(ji)，随後✨重(zhong)新流㊙️回(hui)混合☂️罐(guan)内，完成(chéng)一個循(xún)環。試驗(yàn)初期由(yóu)于油水(shuǐ)混合🔆不(bú)均勻，管(guan)道内含(hán)有氣體(tǐ)等原因(yin)，流量計(ji)示數往(wang)往波動(dong)較大🏃🏻‍♂️，因(yin)此系統(tǒng)穩定運(yun)行10min後，待(dai)流量計(ji)讀數穩(wen)定後再(zai)進行讀(du)取，記錄(lu)渦街流(liu)❌量計旋(xuan)渦脫落(luo)頻率與(yǔ)參考流(liu)量計流(liu)量示數(shu)。數據記(jì)錄完畢(bi)後，打開(kāi)參考流(liú)量計㊙️與(yu)油水分(fèn)離器間(jiān)的閥門(men)，同時關(guan)閉其與(yu)混合罐(guan)之間的(de)閥門🏃‍♀️，使(shi)得介質(zhi)全部流(liú)入油水(shuǐ)🏃分離👣區(qu)進行分(fen)離，分離(li)完成的(de)油/水介(jie)質分别(bie)吸入油(yóu)罐和水(shuǐ)罐中，用(yòng)于下一(yī)次試驗(yan)。

　　在完成(cheng)一組試(shi)驗後，在(zài)混合罐(guan)内吸入(rù)足量的(de)水，并以(yi)非常大(dà)流量在(zai)流量測(cè)試區内(nei)循環，清(qīng)洗過液(yè)管，清洗(xǐ)💛時間持(chí)續10min以上(shang)。完成清(qing)洗後，液(ye)體排放(fàng)至油水(shuǐ)分離區(qu)進行分(fèn)離。
5試驗(yan)數據及(ji)分析
5.1清(qīng)水标定(dìng)試驗
　　标(biao)定試驗(yàn)中通過(guò)改變泵(bèng)的輸出(chu)流量來(lái)改變流(liu)量㊙️計的(de)工作環(huán)境，以 帶(dài)溫壓補(bǔ)償渦街(jie)流量計(ji) 的旋渦(wō)脫落頻(pin)率與參(cān)考流量(liang)計的流(liú)量爲變(bian)量，對🛀流(liu)量計特(te)性進行(hang)線性拟(ni)合。本文(wen)中所使(shǐ)用的油(you)相介質(zhi)爲15#工業(ye)白油，運(yùn)動粘度(du)13.5mm2/s(40℃)，參考流(liú)量計類(lei)型爲渦(wō)🔴輪流量(liang)計，由于(yu)💁流量測(cè)量範圍(wei)較大，因(yin)👈此選擇(zé)測量範(fan)圍爲4.8～28.8m3/d以(yi)及14.4～144m3/d的2台(tái)參🈲考流(liu)量計進(jìn)行标定(ding)，參考流(liu)量🐅計的(de)精度爲(wei)5‰。清水标(biao)定試驗(yàn)數據見(jiàn)表1、表2所(suo)示，拟合(hé)曲線如(rú)圖7所示(shi)。由此可(kě)見，本文(wen)井下渦(wō)街流量(liàng)計具有(yǒu)良好的(de)重複性(xìng)，且相對(duì)誤差小(xiǎo)于💁1%。

5.2油水(shuǐ)兩相介(jie)質測試(shì)
　　對标定(dìng)好的井(jing)下渦街(jiē)流量計(ji)進行充(chong)分混合(hé)的油水(shui)兩相介(jie)✨質測試(shì)，主要測(ce)試井下(xia)渦街流(liu)量計在(zai)不同含(hán)水率介(jie)質以及(jí)不同流(liu)量下的(de)測量精(jīng)度，不同(tong)含水率(lü)介質中(zhōng)的流量(liang)測量結(jié)果如圖(tu)8所示。可(ke)以看出(chu)，在兩相(xiang)介質中(zhōng)，渦街流(liu)量計的(de)測量流(liú)量值始(shi)終低于(yú)參考流(liú)量計流(liu)量值，這(zhe)是由于(yu)2種介質(zhì)混合後(hou)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，整體粘(zhān)度變大(da)，流體流(liú)态發生(sheng)改變，因(yīn)此斯特(tè)勞哈爾(ěr)數發生(shēng)㊙️一定程(cheng)😘度變化(hua)。

　　爲進一(yī)步分析(xi)含水率(lü)對測量(liàng)誤差的(de)影響，圖(tu)9給出了(le)不同含(han)🈲水率時(shi)，渦街流(liú)量計在(zài)5～80m3/d測量範(fàn)圍内的(de)平🤩均相(xiàng)對誤差(chà)。可以看(kan)出，當☔含(hán)水率低(di)于40%時，渦(wō)街流量(liang)⭕計的測(cè)量非常(cháng)大相對(duì)♌誤差爲(wèi)🏃🏻‍♂️4.8%，主要原(yuan)因在于(yu)含水率(lü)較低時(shí)，充分混(hun)合的油(you)水兩相(xiàng)介質形(xing)⭐成了油(you)包水的(de)乳狀液(yè)，兩相斯(sī)特勞哈(hā)爾數呈(chéng)現非線(xian)性變化(huà)，從而帶(dài)來測☁️量(liàng)誤差;當(dāng)含水率(lü)㊙️高于40%時(shi)，渦街流(liú)量計的(de)測量逐(zhú)漸趨于(yu)穩定，相(xiang)對誤差(cha)小于2.5%，這(zhè)一現象(xiàng)是💘由于(yu)随着含(hán)水率提(tí)升，轉變(biàn)爲水包(bao)油乳狀(zhuàng)液，水相(xiàng)中的油(yóu)泡較小(xiao)且分布(bu)均勻，介(jiè)質流态(tai)變好，測(cè)量精🔴度(du)也得到(dào)改善。

　　在(zai)井下渦(wō)街流量(liàng)計試驗(yan)過程中(zhōng)，由于機(jī)械振動(dòng)以🐕及👨‍❤️‍👨外(wài)部環境(jing)會對壓(yā)電傳感(gǎn)器産生(shēng)幹擾，因(yīn)此在沒(mei)♈有流量(liang)通過時(shí)依然🈚會(huì)産生一(yī)定的振(zhen)動，通過(guò)傅裏葉(yè)變換後(hòu)表現🐇爲(wei)均布🤩在(zai)整個頻(pín)域的白(bai)噪聲。将(jiang)各測試(shì)條件下(xia)的示波(bō)器波形(xing)進行整(zhěng)合，通過(guò)對比發(fā)現:當油(you)水比例(lì)固定時(shí)，在⭕頻域(yù)分析中(zhōng)🐉，旋渦脫(tuo)落所對(duì)應的頻(pin)率峰值(zhí)随流量(liàng)增大㊙️而(ér)增大，如(ru)圖10所示(shi);當☎️流量(liang)一定時(shi)，在頻💯域(yu)分析中(zhōng)，旋渦脫(tuo)落所對(dui)應的頻(pín)率💚峰值(zhi)随含水(shui)率升👨‍❤️‍👨高(gao)而升高(gao)，如圖11所(suǒ)📐示。上述(shu)現象✨說(shuo)明，該渦(wō)街流量(liàng)計應用(yòng)于高含(hán)水、大流(liu)量的工(gōng)作🌍環境(jìng)中具有(you)較強的(de)抗幹擾(rao)性。反之(zhī)，當流量(liàng)較小或(huo)👅含水率(lǜ)較低的(de)情況下(xia)，探頭檢(jian)測到的(de)被測介(jie)質經旋(xuán)渦⚽發生(shēng)體分離(lí)後産生(sheng)的振動(dong)📱所對應(ying)的頻率(lü)值與系(xì)統噪聲(sheng)産生振(zhèn)動的頻(pin)率值較(jiào)爲接近(jin)，如圖12所(suo)示，無法(fǎ)明顯區(qū)分，可能(néng)會導緻(zhi)單片🤩機(jī)所采集(ji)到📞的有(you)效流量(liàng)值對應(ying)頻率不(bú)準确，從(cóng)而産生(shēng)了在小(xiǎo)流量或(huo)低含水(shui)率情況(kuàng)下，測試(shì)精度下(xià)降的現(xian)象，因此(cǐ)需要對(duì)非常小(xiao)流量進(jin)行🐅限制(zhi)。

6結論
　　本(ben)文基于(yu)卡門渦(wō)街原理(lǐ)一種應(ying)用于采(cai)油井井(jǐng)下的渦(wo)街流量(liang)計，并對(duì)其在充(chōng)分混合(hé)的油水(shuǐ)兩相介(jie)質中的(de)性能進(jìn)行了試(shi)驗測試(shì)。通過地(di)面循環(huán)試驗平(ping)台，讓不(bu)同流量(liàng)、不同含(hán)水率🌈的(de)油水兩(liang)相介質(zhi)流經渦(wō)街流🌈量(liang)計，并通(tōng)過與參(can)考流量(liang)計的⭕對(dui)比評價(jià)渦街流(liu)量計⛹🏻‍♀️的(de)測量性(xing)能。清水(shuǐ)标定試(shi)驗發現(xian)，、渦街流(liú)量計在(zai)5～80m3/d範圍的(de)流量測(ce)量誤差(chà)小于1%。油(yóu)水兩相(xiàng)介質測(ce)試試🏃🏻‍♂️驗(yan)發現，在(zài)不同含(han)水率的(de)油水兩(liǎng)相介質(zhi)中，流量(liàng)與渦街(jie)脫落✍️頻(pín)率能夠(gòu)進行良(liáng)好的拟(ni)合;當含(han)水率低(dī)于40%時，非(fei)常大測(ce)量誤差(cha)小于5%;當(dang)含水率(lǜ)高✉️于40%時(shí)，測量誤(wu)差小于(yu)2.5%。此外，試(shi)驗發現(xiàn)大流🌈量(liàng)通過渦(wo)街流量(liang)計時能(néng)夠減弱(ruo)環境噪(zao)聲帶來(lái)的影響(xiǎng)，提高渦(wo)街流量(liàng)計的測(ce)量精度(dù)。根據上(shàng)述試驗(yàn)結果以(yi)及🤟油田(tian)井下流(liu)量測量(liang)需求可(kě)以得出(chu)，本❤️文中(zhong)油田井(jing)🐪下渦街(jie)流量計(ji)，在在清(qīng)水介質(zhi)中标定(ding)後，不需(xu)要進行(hang)額外修(xiū)正便能(néng)夠❤️應用(yòng)于不同(tóng)含水率(lü)的油水(shuǐ)兩相介(jie)質流量(liàng)測量中(zhōng)。

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