摘要:針(zhen)對油井(jing)分層監(jian)測與開(kai)采過程(cheng)中的井(jing)下充分(fen)混合的(de)油水兩(liang)相介質(zhi)流量測(ce)量問題(ti)，一種基(ji)于👈卡門(men)渦街原(yuan)理的采(cai)油井井(jing)下渦街(jie)流量計(ji) 。搭建了(le)地面測(ce)試系統(tong)對其工(gong)作性能(neng)進行試(shi)驗，首先(xian)利用清(qing)水介質(zhi)對流量(liang)計進行(hang)标定，然(ran)後探究(jiu)流量計(ji)在充分(fen)混合的(de)油水兩(liang)相介質(zhi)中的測(ce)量精度(du)。試驗研(yan)🌈究發現(xian)，渦街流(liu)量計在(zai)充分混(hun)💔合的油(you)水兩相(xiang)介質中(zhong)的流量(liang)測量值(zhi)略低于(yu)實際流(liu)量;在相(xiang)同💰流量(liang)下，降低(di)兩相介(jie)質的含(han)水率會(hui)導緻 渦(wo)街流量(liang)計 的旋(xuan)渦脫落(luo)頻率降(jiang)低;此外(wai)，大流量(liang)工作狀(zhuang)态下，環(huan)境㊙️振動(dong)對測量(liang)結果的(de)影響被(bei)減弱。與(yu)采油井(jing)井下流(liu)量🐪的測(ce)試需求(qiu)相🔅對照(zhao)，渦街流(liu)量計能(neng)夠在清(qing)水标定(ding)、不需額(e)外❗修正(zheng)的🐪情況(kuang)下，完成(cheng)采油井(jing)井下充(chong)分混合(he)的油水(shui)兩相介(jie)質的流(liu)量測量(liang)。
引言
　　油(you)井分層(ceng)開采一(yi)方面可(ke)降低産(chan)液綜合(he)含水率(lü)，提高👌原(yuan)油産量(liang);另一方(fang)面還可(ke)有效保(bao)持油層(ceng)均衡開(kai)🔞采，提♈高(gao)原油采(cai)🚶‍♀️收率。因(yin)此，一套(tao)适用于(yu)采油井(jing)井下⛱️的(de)流量測(ce)試技術(shu)，可以實(shi)現各油(you)層産量(liang)的正确(que)監🔴測，爲(wei)産層可(ke)控生産(chan)提供數(shu)據支持(chi)。雖然電(dian)磁、超聲(sheng)等流量(liang)計已經(jing)在各個(ge)工業領(ling)域得到(dao)大規模(mo)應用，但(dan)在充分(fen)混合的(de)油水兩(liang)相介質(zhi)的流量(liang)測試中(zhong)，往🤩往因(yin)油污大(da)、被測介(jie)質組分(fen)複雜、井(jing)下工況(kuang)複雜等(deng)📐因素，導(dao)緻測量(liang)結果及(ji)精度出(chu)現較大(da)☂️偏差。渦(wo)街流量(liang)測量作(zuo)爲一種(zhong)介質☀️适(shi)應性好(hao)、結構簡(jian)單、操作(zuo)方便的(de)流量測(ce)量技術(shu)，已在🌈油(you)田注水(shui)井測試(shi)等涉及(ji)流量監(jian)測的😘工(gong)藝領域(yu)得到了(le)成功應(ying)用。
　　本文(wen)将首先(xian)設計一(yi)種适合(he)采油井(jing)井下狹(xia)小空間(jian)⁉️安裝的(de) 智能渦(wo)街流量(liang)計 ，并針(zhen)對采油(you)井中充(chong)分混合(he)的油水(shui)兩相介(jie)質進行(hang)地面模(mo)拟試驗(yan)，獲得油(you)水介質(zhi)含水率(lü)對采油(you)井井下(xia)渦👅街流(liu)量計測(ce)量特性(xing)的影響(xiang)規律。
1渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)原理
　　如(ru)圖1所示(shi)，在被測(ce)流體中(zhong)垂直插(cha)入一個(ge)非流線(xian)型截面(mian)的旋渦(wo)發生體(ti)，流體的(de)流動狀(zhuang)态受其(qi)影響并(bing)在下遊(you)産生一(yi)系列旋(xuan)渦。當兩(liang)排旋渦(wo)之間的(de)間距✂️h與(yu)同排中(zhong)兩相✊鄰(lin)旋渦的(de)間距l之(zhi)比滿足(zu)h/l=0.281時，可以(yi)得🎯到穩(wen)定且交(jiao)替排列(lie)的旋渦(wo)。将旋渦(wo)分離頻(pin)率f定義(yi)爲單位(wei)時間從(cong)旋渦發(fa)生體下(xia)遊分離(li)的旋渦(wo)數目🐇，理(li)論和試(shi)驗研究(jiu)均已證(zheng)明，旋渦(wo)分離頻(pin)率與流(liu)體速度(du)v成正比(bi)，且與旋(xuan)渦發🥰生(sheng)體迎流(liu)🔞面的寬(kuan)度d成反(fan)比，即:
f=SrAv/d(1)
　　式(shi)中，f爲旋(xuan)渦脫落(luo)頻率，Hz;Sr爲(wei)斯特勞(lao)哈爾數(shu)(無量綱(gang));A爲流🌏道(dao)尺寸系(xi)數;v爲旋(xuan)渦發生(sheng)體兩側(ce)的流速(su)，m/s;d爲旋渦(wo)發生體(ti)迎流面(mian)的寬🈲度(du)，m。
　　一旦旋(xuan)渦發生(sheng)體和流(liu)道的幾(ji)何尺寸(cun)确定，旋(xuan)渦脫落(luo)頻率即(ji)🌏與流體(ti)流速構(gou)成簡單(dan)的正比(bi)關系，因(yin)此通過(guo)🚶檢測旋(xuan)渦的脫(tuo)落頻❄️率(lü)便可測(ce)得流速(su)，并以此(ci)獲得流(liu)體的流(liu)量。

2井(jing)下渦街(jie)流量計(ji)整體結(jie)構
　　本文(wen)的渦街(jie)流量計(ji)主要用(yong)于集成(cheng)在油井(jing)智能配(pei)産♻️器中(zhong)，智🚶‍♀️能配(pei)産器外(wai)徑114mm、内通(tong)徑46mm，内部(bu)集成有(you)流量計(ji)、含水率(lü)👈測量、電(dian)控可調(diao)閥嘴、載(zai)波通信(xin)等模塊(kuai)，且所有(you)模♊塊均(jun)隻能安(an)裝在智(zhi)能🥵配産(chan)器狹小(xiao)的環形(xing)空間内(nei)。當智能(neng)配産器(qi)随油管(guan)😄下入指(zhi)定⁉️的油(you)層後😍，其(qi)将測得(de)的🌍各油(you)層産液(ye)量、含水(shui)率通過(guo)載波通(tong)信🔱模塊(kuai)和電纜(lan)傳輸至(zhi)地面，生(sheng)産人員(yuan)遵循“減(jian)小🧑🏾‍🤝‍🧑🏼高含(han)水層産(chan)液量，增(zeng)加❓低含(han)水層産(chan)液量”的(de)基本原(yuan)則對👈各(ge)油層的(de)産出液(ye)流💋量進(jin)行調控(kong)，非常終(zhong)實現油(you)井增油(you)控水的(de)目的。基(ji)于🔞渦街(jie)流量計(ji)的測量(liang)原理與(yu)♋安裝空(kong)間要求(qiu)，本⛹🏻‍♀️文渦(wo)街流量(liang)計如圖(tu)2所❗示。渦(wo)街流量(liang)計主要(yao)由流量(liang)計主體(ti)、旋渦發(fa)生體、壓(ya)電晶體(ti)探頭、過(guo)🏃🏻‍♂️液管、壓(ya)闆等部(bu)件組成(cheng)。其中，過(guo)液管内(nei)徑爲15mm，流(liu)量計主(zhu)體與過(guo)液管、旋(xuan)渦發生(sheng)體與過(guo)液管之(zhi)間通過(guo)焊接固(gu)定，壓電(dian)晶體探(tan)頭與流(liu)量計主(zhu)體、流量(liang)計主體(ti)與壓闆(pan)之間設(she)置相應(ying)的O型密(mi)封圈，以(yi)保證渦(wo)街流量(liang)計在井(jing)下20～50MPa高壓(ya)環境下(xia)的可靠(kao)密封。

3井下(xia)渦街流(liu)量計的(de)檢測電(dian)路
　　井下(xia)渦街流(liu)量計檢(jian)測電路(lu)框圖如(ru)圖3所示(shi)，渦街流(liu)♉量💚計壓(ya)電晶💔體(ti)探頭在(zai)旋渦的(de)沖擊下(xia)輸出電(dian)壓信号(hao)，該電壓(ya)信号經(jing)由放大(da)器及低(di)通濾波(bo)器處理(li)後傳遞(di)給單片(pian)機，單片(pian)機對數(shu)據進行(hang)傅🏃‍♂️裏葉(ye)變換，從(cong)而獲得(de)漩渦脫(tuo)落頻率(lü)。在壓電(dian)晶體探(tan)頭🐪與渦(wo)街流量(liang)電控系(xi)統連接(jie)的同時(shi)，并聯一(yi)台示波(bo)器對壓(ya)電晶體(ti)探頭的(de)♈輸出電(dian)壓波形(xing)進行測(ce)試。

　　渦街流(liu)量計的(de)檢測電(dian)路圖如(ru)圖4所示(shi)，壓電晶(jing)體輸出(chu)的微弱(ruo)電信号(hao)經過2級(ji)精度運(yun)算放大(da)器AD8608處理(li)，第1級放(fang)✔️大105倍，第(di)2級放大(da)500倍。放大(da)後的信(xin)号再經(jing)由AD7091Ｒ芯片(pian)進行模(mo)數轉換(huan)。AD7091Ｒ芯片在(zai)3.3V下功耗(hao)非常低(di)，且内置(zhi)一個2.5V基(ji)準電壓(ya)源，能夠(gou)實現低(di)漂移、精(jing)度的模(mo)✉️數轉換(huan)。且運算(suan)放大器(qi)的輸出(chu)電壓爲(wei)0.1～2.4V，而AD7091Ｒ輸入(ru)電壓要(yao)求範圍(wei)爲0～2.5V，配合(he)使用可(ke)以擁有(you)100mV的安全(quan)餘量，符(fu)合使用(yong)需求。

　　2級(ji)放大處(chu)理後的(de)電壓波(bo)形圖如(ru)圖5中的(de)下面黃(huang)波🔅形曲(qu)線所示(shi)，上面白(bai)色波形(xing)則代表(biao)信号經(jing)過傅裏(li)葉變換(huan)後🍉在頻(pin)域内的(de)分布情(qing)況，其中(zhong)，白色波(bo)形中非(fei)常高峰(feng)值所對(dui)應的🌈頻(pin)率便是(shi)旋渦脫(tuo)落頻率(lü)，通過建(jian)立該頻(pin)率與流(liu)速的對(dui)應關系(xi)即可對(dui)井下渦(wo)街流量(liang)計進行(hang)标定。

4充(chong)分混合(he)的油水(shui)兩相介(jie)質流量(liang)測試系(xi)統
　　本文(wen)搭建的(de)充分混(hun)合的油(you)水兩相(xiang)介質流(liu)量測試(shi)系統組(zu)成如🧑🏾‍🤝‍🧑🏼圖(tu)6所示，由(you)油水儲(chu)存區、油(you)水分離(li)區、流量(liang)計👨‍❤️‍👨測試(shi)區3個主(zhu)要功能(neng)區塊組(zu)成。油和(he)水分别(bie)儲存在(zai)油水儲(chu)存區的(de)油罐和(he)水罐中(zhong)，需🔞要進(jin)行試驗(yan)時，按預(yu)定🏃🏻‍♂️比例(li)将油/水(shui)兩種介(jie)🌈質吸入(ru)混合罐(guan)中，進入(ru)流量測(ce)試🐕區。兩(liang)相介質(zhi)在混合(he)罐内進(jin)行充分(fen)混💁合，随(sui)後在泵(beng)🔱的推動(dong)下流經(jing)渦街流(liu)量計與(yu)參考流(liu)量計，随(sui)後重新(xin)流回混(hun)合罐内(nei)，完成一(yi)個循環(huan)。試驗初(chu)期由于(yu)油水混(hun)合🈲不均(jun)勻，管道(dao)内含有(you)氣體等(deng)原因，流(liu)量計示(shi)數往往(wang)波✌️動較(jiao)大，因此(ci)系統穩(wen)定運行(hang)😄10min後，待流(liu)量計讀(du)數穩定(ding)後再進(jin)行讀取(qu)，記錄渦(wo)街流量(liang)計旋渦(wo)脫落頻(pin)率與參(can)考流量(liang)計流量(liang)示數。數(shu)據♊記錄(lu)完畢後(hou)，打開參(can)考流量(liang)計與油(you)水分離(li)器間的(de)✔️閥門，同(tong)時關閉(bi)其與混(hun)合罐之(zhi)間✍️的閥(fa)🏃🏻‍♂️門，使得(de)介質全(quan)部流入(ru)油水‼️分(fen)離區進(jin)行分離(li)，分離完(wan)成的油(you)/水介質(zhi)分别吸(xi)入油罐(guan)💃和水罐(guan)中，用于(yu)下一次(ci)試驗。

　　在(zai)完成一(yi)組試驗(yan)後，在混(hun)合罐内(nei)吸入足(zu)量的水(shui)，并以非(fei)常大流(liu)量在流(liu)量測試(shi)區内循(xun)環，清洗(xi)過液管(guan)，清洗時(shi)間持續(xu)🆚10min以上。完(wan)成⚽清洗(xi)後，液體(ti)排放至(zhi)油水分(fen)離區進(jin)行分離(li)。
5試驗數(shu)據及分(fen)析
5.1清水(shui)标定試(shi)驗
　　标定(ding)試驗中(zhong)通過改(gai)變泵的(de)輸出流(liu)量來改(gai)變流量(liang)計的工(gong)😍作環境(jing)，以 帶溫(wen)壓補償(chang)渦街流(liu)量計 的(de)旋渦脫(tuo)落頻率(lü)與參考(kao)流量計(ji)的流量(liang)爲變量(liang)，對流量(liang)計特性(xing)進行線(xian)性拟合(he)。本文中(zhong)所使用(yong)的油相(xiang)介質👌爲(wei)15#工業白(bai)✨油，運💃🏻動(dong)粘度13.5mm2/s(40℃)，參(can)考流量(liang)計類型(xing)爲渦輪(lun)流量計(ji)，由于🈚流(liu)量測量(liang)範圍較(jiao)大，因此(ci)選擇測(ce)量範圍(wei)爲4.8～28.8m3/d以及(ji)14.4～144m3/d的2台參(can)考流量(liang)計進行(hang)标定🏃，參(can)考流量(liang)🈲計的精(jing)度爲5‰。清(qing)水标定(ding)試✍️驗數(shu)據見表(biao)1、表2所示(shi)，拟合曲(qu)線如圖(tu)7所示。由(you)此可見(jian)，本文井(jing)下渦街(jie)流量🈲計(ji)具❄️有良(liang)好的重(zhong)複性，且(qie)相對誤(wu)差小于(yu)💃🏻1%。

5.2油水兩(liang)相介質(zhi)測試
　　對(dui)标定好(hao)的井下(xia)渦街流(liu)量計進(jin)行充分(fen)混合的(de)油水兩(liang)相介質(zhi)🚶測試，主(zhu)要測試(shi)井下渦(wo)街流量(liang)計在不(bu)💋同含水(shui)率介質(zhi)以及🍓不(bu)同流量(liang)下的測(ce)量精度(du)，不同含(han)水率介(jie)質中的(de)流量測(ce)量結果(guo)如圖🌍8所(suo)示。可以(yi)看出，在(zai)兩相介(jie)質中，渦(wo)街流量(liang)計🐪的測(ce)量流量(liang)值始終(zhong)低于參(can)考流量(liang)計流量(liang)值，這是(shi)由于2種(zhong)介質混(hun)合後，整(zheng)體粘度(du)變大，流(liu)體流态(tai)發生改(gai)變，因此(ci)斯特勞(lao)哈爾數(shu)發生一(yi)定程度(du)變化。

　　爲(wei)進一步(bu)分析含(han)水率對(dui)測量誤(wu)差的影(ying)響，圖9給(gei)出了不(bu)同👨‍❤️‍👨含水(shui)率時，渦(wo)街流量(liang)計在5～80m3/d測(ce)量範圍(wei)内的平(ping)均相對(dui)誤差。可(ke)以看出(chu)，當含水(shui)率低于(yu)40%時，渦街(jie)流量計(ji)的測量(liang)非常大(da)相對誤(wu)差爲4.8%，主(zhu)要原因(yin)在于含(han)水率較(jiao)低時👈，充(chong)分混合(he)的油水(shui)兩相介(jie)質形成(cheng)了油包(bao)水的乳(ru)狀液，兩(liang)相斯特(te)勞哈爾(er)數呈現(xian)非線性(xing)變化，從(cong)而帶來(lai)測量誤(wu)差;當含(han)水率高(gao)于40%時，渦(wo)街流量(liang)計的測(ce)量逐漸(jian)趨于穩(wen)定，相對(dui)誤差小(xiao)于2.5%，這一(yi)現象是(shi)由于随(sui)着含水(shui)率提❄️升(sheng)，轉變爲(wei)水包油(you)乳狀液(ye)，水相中(zhong)的油泡(pao)較小且(qie)分布均(jun)勻，介質(zhi)流态變(bian)好，測量(liang)精🏃度也(ye)得到改(gai)善。

　　在井(jing)下渦街(jie)流量計(ji)試驗過(guo)程中，由(you)于機械(xie)振動以(yi)及外部(bu)環🛀🏻境會(hui)對壓電(dian)傳感器(qi)産生幹(gan)擾，因此(ci)在沒有(you)流量通(tong)過時依(yi)然會産(chan)☀️生一定(ding)的振動(dong)，通過傅(fu)裏葉變(bian)換後表(biao)現爲均(jun)布在整(zheng)個頻域(yu)的白噪(zao)聲。将各(ge)測試條(tiao)件🧡下的(de)示波🔞器(qi)波形進(jin)行整合(he)，通過對(dui)比發現(xian):當油水(shui)比❌例固(gu)定時，在(zai)頻域分(fen)析中，旋(xuan)渦脫落(luo)所對應(ying)的頻率(lü)峰值随(sui)流量增(zeng)大而增(zeng)大，如圖(tu)10所示;當(dang)流量一(yi)定時，在(zai)頻域分(fen)析中，旋(xuan)渦脫落(luo)所對應(ying)的頻率(lü)峰值随(sui)含水率(lü)升⛹🏻‍♀️高而(er)升高，如(ru)圖11所示(shi)。上述現(xian)象說明(ming)，該渦街(jie)流量計(ji)應用于(yu)高含水(shui)、大流量(liang)的工作(zuo)環境中(zhong)具有較(jiao)強的抗(kang)幹✏️擾性(xing)。反之，當(dang)流量較(jiao)小或含(han)水率較(jiao)低的情(qing)況下，探(tan)㊙️頭😘檢測(ce)到的被(bei)測介質(zhi)經旋渦(wo)發生體(ti)分離後(hou)産生的(de)振🐇動所(suo)對應的(de)頻率值(zhi)與系統(tong)噪聲産(chan)生振動(dong)的頻率(lü)值較爲(wei)接☔近，如(ru)圖12所👈示(shi)，無法明(ming)顯區♍分(fen)，可能會(hui)導緻單(dan)片機所(suo)采集到(dao)的有效(xiao)流量值(zhi)對應頻(pin)率不準(zhun)确，從而(er)産生了(le)在小流(liu)量或低(di)含水率(lü)情況下(xia)，測試精(jing)度下降(jiang)的🍓現象(xiang)，因此需(xu)要對非(fei)常小流(liu)量進行(hang)限制。

6結(jie)論
　　本文(wen)基于卡(ka)門渦街(jie)原理一(yi)種應用(yong)于采油(you)井井下(xia)的渦街(jie)流🙇🏻量計(ji)，并對其(qi)在充分(fen)混合的(de)油水兩(liang)相介質(zhi)中的性(xing)能進行(hang)了試驗(yan)測試。通(tong)過地面(mian)循環試(shi)驗平台(tai)，讓不同(tong)流量、不(bu)同♍含水(shui)率的油(you)水兩相(xiang)介質流(liu)經渦街(jie)流量計(ji)，并通過(guo)與參考(kao)流量計(ji)的對比(bi)評價渦(wo)街流量(liang)計的測(ce)量性能(neng)。清水标(biao)定試驗(yan)發現，、渦(wo)街流量(liang)計在5～80m3/d範(fan)圍的流(liu)量測量(liang)誤💁差小(xiao)于1%。油水(shui)兩相介(jie)🔅質測試(shi)試驗發(fa)現，在不(bu)同含水(shui)率的油(you)水兩相(xiang)介質📐中(zhong)，流量與(yu)渦街脫(tuo)落頻率(lü)能夠進(jin)行良好(hao)❤️的拟合(he);當含水(shui)率低于(yu)40%時，非常(chang)大測量(liang)誤♉差小(xiao)于5%;當含(han)水率高(gao)📧于40%時，測(ce)量誤差(cha)小于2.5%。此(ci)外，試驗(yan)發現大(da)流量通(tong)過渦🌈街(jie)流量計(ji)時能夠(gou)減弱環(huan)境噪聲(sheng)帶來的(de)影響，提(ti)高✊渦街(jie)流量計(ji)的測量(liang)精度。根(gen)據上述(shu)試驗結(jie)果以及(ji)油田井(jing)下🔴流量(liang)測量需(xu)求可以(yi)得出，本(ben)文🔞中油(you)田井下(xia)渦街流(liu)量計，在(zai)在🛀清水(shui)介質中(zhong)标定後(hou)，不需要(yao)進行額(e)外修正(zheng)便能夠(gou)應用于(yu)不🐉同含(han)水率的(de)油水兩(liang)相介質(zhi)流量測(ce)量中。

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