摘要(yào):針對油井分層(céng)監測與開采過(guo)程中的井下充(chōng)分混合的油水(shuǐ)兩相介質流量(liang)測量問題，一種(zhong)基于卡門🈲渦街(jiē)原理的采油井(jǐng)井下渦街流量(liàng)計 。搭建了地面(mian)測試系統對其(qi)工作性能進行(háng)試驗，首先利用(yòng)清♻️水介質對流(liú)量計進行标定(dìng)，然後探究流量(liàng)計在充🌈分混合(he)的油水兩相介(jiè)質中的測量精(jīng)度。試驗研🐉究發(fā)現🛀🏻，渦街流量計(jì)在充分混💘合的(de)油水兩相介質(zhi)中的流量測量(liang)值略低于實際(jì)流🈚量;在相同流(liú)量下，降低兩相(xiang)介質的含水率(lǜ)會導緻 渦街流(liu)量計 的旋渦脫(tuo)落頻率降低;此(cǐ)外，大流量工作(zuò)狀态下，環境振(zhèn)動對測👌量結果(guǒ)的影響被減弱(ruo)。與采油井井下(xia)流量的測試需(xū)🌈求相對照，渦街(jie)流量計能夠在(zài)清水❓标定、不需(xu)額外修正的情(qíng)況下，完成采油(you)井井下充分混(hùn)合的油水兩相(xiang)介質的流量測(cè)量。
引言
　　油井分(fen)層開采一方面(miàn)可降低産液綜(zōng)合含水率，提高(gao)原🧑🏽‍🤝‍🧑🏻油⭐産量;另一(yi)方面還可有效(xiào)保持油層均衡(héng)開采，提高原油(you)采收率✉️。因此🔴，一(yī)套适用于采油(yóu)井井下的流量(liàng)測試技術，可以(yǐ)實現各油層産(chǎn)量的正确監🔞測(cè)，爲産層可控生(sheng)産提供數據支(zhi)持。雖然電磁、超(chao)聲等流量計已(yi)經在各個工業(ye)領域得到🔞大規(gui)模應用，但在充(chōng)分混合的油水(shui)兩相介質的流(liú)量測試中，往往(wǎng)因油污🐅大、被測(cè)介質組🈚分複雜(zá)、井下工況複雜(zá)等因素，導緻測(ce)量結果💘及精度(dù)出現較大偏差(cha)。渦街流量測量(liang)作爲一種介質(zhì)适應性好、結構(gou)簡單、操作方🏃便(biàn)的流量測量技(ji)術，已在油田注(zhu)水井測試等涉(shè)及流量監測的(de)工藝領域得到(dào)了成功應用。
　　本(ben)文将首先設計(jì)一種适合采油(you)井井下狹小空(kōng)間安裝的 智能(neng)渦街流量計 ，并(bing)針對采油井中(zhōng)充分混合的油(yóu)水兩相介質進(jin)行地面模拟🤩試(shi)驗，獲得油水介(jiè)質含水率對采(cǎi)油井井下渦街(jiē)流👈量計測量特(tè)性✏️的影響規律(lü)。
1渦街流量計測(cè)量原理
　　如圖1所(suǒ)示，在被測流體(tǐ)中垂直插入一(yī)個非流線型截(jié)面的旋渦發生(shēng)體，流體的流動(dong)狀态受其影響(xiǎng)并在下遊産生(sheng)一系列旋渦。當(dāng)兩排旋渦之間(jian)的間距h與同排(pái)中兩相鄰旋渦(wō)的間距❌l之比滿(mǎn)足h/l=0.281時，可以得到(dao)穩定且交替排(pái)列的旋渦。将🌈旋(xuan)渦分離頻率f定(dìng)義😄爲單位時間(jian)從旋渦發生💯體(tǐ)下遊分離的旋(xuán)渦數目，理論和(he)試驗研究均已(yi)證明，旋🧡渦分離(li)頻率與流體📱速(sù)度v成正比，且與(yu)旋渦發🤟生體迎(yíng)流🔞面的寬度d成(chéng)反比，即:
f=SrAv/d(1)
　　式中，f爲(wèi)旋渦脫落頻率(lǜ)，Hz;Sr爲斯特勞哈爾(ěr)數(無量綱);A爲流(liú)道尺寸系數;v爲(wei)旋渦發生體兩(liǎng)側的流速，m/s;d爲旋(xuan)渦發生體迎流(liu)面🌈的寬度，m。
　　一旦(dan)旋渦發生體和(he)流道的幾何尺(chi)寸确定，旋渦脫(tuō)落頻率即與流(liu)體流速構成簡(jian)單的正比關系(xì)，因此通過檢測(cè)旋渦的脫落頻(pin)率便可測得流(liu)速，并以此獲得(dé)流體的流❌量。

2井下渦街流量(liang)計整體結構
　　本(běn)文的渦街流量(liang)計主要用于集(jí)成在油井智能(néng)配産器中，智能(neng)配産器外徑114mm、内(nei)通徑46mm，内部集成(cheng)有流量計、含水(shui)率測量、電控🏒可(ke)調閥嘴、載波通(tong)信等模塊，且所(suo)有模塊均隻💃🏻能(néng)安裝在智能☂️配(pei)産器㊙️狹小的環(huan)形空間内。當智(zhì)能配産器随油(you)管下入指定的(de)油層後，其将測(cè)得的各油層産(chǎn)液量、含水率通(tong)🥵過載波通信❗模(mó)塊和電纜傳輸(shū)至地面，生産人(rén)員遵循“減小高(gao)含水層産液量(liang)，增加低含水層(céng)産液量🔞”的基本(běn)原則對各油層(ceng)的産出液流🏃‍♀️量(liàng)進行調控，非常(cháng)終實現油井增(zēng)油控水的目的(de)。基于渦街流量(liang)計的測量原理(li)與安裝空間要(yao)求，本文渦街流(liu)量計如圖2所示(shì)。渦街流🔞量計主(zhǔ)要由流量計主(zhu)體⭕、旋渦發生體(ti)、壓電晶體探頭(tóu)、過💁液管、壓闆等(děng)部件組成。其中(zhong)，過液管内徑爲(wèi)15mm，流量計主體與(yu)過液管、旋渦發(fā)生體與過✉️液管(guǎn)之間通過焊接(jie)固定，壓電晶體(tǐ)探頭與流量計(ji)主體、流量計主(zhǔ)體與壓闆之間(jiān)設置相應的O型(xíng)密封圈，以保證(zheng)渦街流量計在(zai)井下20～50MPa高壓環📞境(jing)下的可靠密封(fēng)。

3井(jǐng)下渦街流量計(jì)的檢測電路
　　井(jǐng)下渦街流量計(ji)檢測電路框圖(tu)如圖3所示，渦街(jiē)流量計⭐壓電晶(jing)體探頭在旋渦(wo)的沖擊下輸出(chu)電壓信号，該電(dian)壓信号經由💋放(fang)大器及低通濾(lǜ)波器處理後傳(chuan)遞給單片機，單(dān)片機對數據進(jin)行傅裏葉變換(huàn)，從而獲得漩渦(wō)脫落頻👉率。在壓(yā)電晶體探頭與(yu)渦街流🌐量電控(kong)系統連接的同(tong)時，并聯一台示(shi)波器對壓電晶(jīng)體探頭的輸出(chu)電壓波形進行(háng)測試。

　　渦街流量計(ji)的檢測電路圖(tu)如圖4所示，壓電(diàn)晶體輸⚽出的微(wēi)💋弱電信号經過(guò)2級精度運算放(fàng)大器AD8608處理，第🏃‍♀️1級(ji)放大105倍❗，第2級🔅放(fàng)大500倍。放👅大後的(de)信号再經由AD7091Ｒ芯(xin)片進行模數轉(zhuan)換🔞。AD7091Ｒ芯片在⭕3.3V下功(gong)耗非常低，且内(nèi)置一個2.5V基準電(diàn)壓源，能夠實現(xian)低漂移、精度的(de)模數轉換。且🈲運(yun)算放大器☔的輸(shū)出電壓爲0.1～2.4V，而AD7091Ｒ輸(shu)入電壓要求範(fan)圍爲0～2.5V，配合使用(yong)可以擁有100mV的安(an)全餘量，符合使(shi)用需求。

　　2級放大處理後(hòu)的電壓波形圖(tú)如圖5中的下面(mian)黃波形曲🔅線所(suo)示🔴，上面白色波(bo)形則代表信号(hao)經過傅裏葉變(bian)換後在頻域内(nèi)🚶‍♀️的分布情況，其(qí)中，白色波形中(zhōng)非常高峰值所(suo)對應的頻率便(biàn)是旋渦脫落頻(pin)率，通過建立該(gāi)頻率與流🔞速的(de)對應關系即可(kě)對井下渦街流(liú)量計進⁉️行标定(ding)。

4充分混合的油(you)水兩相介質流(liú)量測試系統
　　本(běn)文搭建的充分(fen)混合的油水兩(liǎng)相介質流量測(cè)試系統組成🚶‍♀️如(ru)圖6所示，由油水(shuǐ)儲存區、油水分(fèn)離區、流🌈量計測(ce)試區3個主要功(gong)能區塊組成。油(you)和水分别儲存(cun)在油水儲存區(qū)的油🤟罐和水罐(guan)中，需要進行試(shì)驗📱時，按預定比(bi)例将油/水兩種(zhong)介質吸入混合(he)罐中，進入流量(liang)測試區。兩相介(jiè)質👨‍❤️‍👨在混合罐内(nèi)‼️進行充分混㊙️合(hé)，随後在泵的推(tuī)動下流經渦街(jie)流量計與參考(kǎo)流量計，随後重(zhong)新流回混合罐(guàn)内，完成一個循(xun)環。試驗初㊙️期由(you)于油水混合📞不(bú)均勻，管道内含(hán)有氣體等原因(yin)，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(jì)讀數穩定後再(zài)進行讀取，記錄(lù)渦街流💚量計旋(xuan)渦脫落頻率與(yǔ)參👣考流量計流(liu)量示數。數據記(ji)錄完畢後，打開(kāi)參考流量計與(yu)🏒油水分離器間(jiān)的閥門，同時✨關(guan)閉其與混合罐(guan)之間的閥門，使(shǐ)得介質全部流(liu)入油水🏃‍♂️分離區(qū)進行分離，分☔離(li)完成的油/水介(jiè)質分别吸入油(yóu)罐和水罐中，用(yong)于下一次試驗(yàn)。

　　在完成一組試(shì)驗後，在混合罐(guàn)内吸入足量的(de)水，并🐅以非常🌏大(da)流量在流量測(ce)試區内循環，清(qing)洗過液管，清洗(xǐ)時間持續10min以上(shàng)。完成清洗後，液(ye)體排放至油水(shuǐ)分離區☎️進行分(fen)離。
5試驗數據及(jí)分析
5.1清水标定(dìng)試驗
　　标定試驗(yan)中通過改變泵(bèng)的輸出流量來(lái)改變流量計的(de)工作環境，以 帶(dai)溫壓補償渦街(jie)流量計 的旋渦(wo)脫落頻率與參(cān)考流量計的流(liú)量爲變量，對♉流(liú)量計特性進行(hang)線性拟合。本文(wen)中所使用的油(yóu)相介質✨爲15#工業(yè)白油，運動粘度(dù)13.5mm2/s(40℃)，參考流量計類(lèi)型爲渦❄️輪流量(liàng)計，由于👣流量測(cè)量範圍較大，因(yīn)此選擇測量範(fan)圍爲4.8～28.8m3/d以及14.4～144m3/d的2台(tái)參考流量計🚩進(jìn)行标定，參考流(liú)量計的精度爲(wèi)5‰。清水标定試❤️驗(yan)數據見表1、表2所(suǒ)示，拟合曲線如(ru)圖7所示。由此可(kě)見，本文井下渦(wo)街流量計具有(yǒu)良好的重複性(xìng)，且相對誤差小(xiao)于1%。

5.2油水兩相介(jie)質測試
　　對标定(ding)好的井下渦街(jiē)流量計進行充(chong)分混合的油水(shui)兩相介質♍測試(shì)，主要測試井下(xia)渦街流量計在(zài)不同含⛹🏻‍♀️水率介(jiè)質⛱️以及⁉️不同流(liu)量下的測量精(jing)度，不同含水率(lü)🌂介質中💘的流量(liang)測量結🍓果如圖(tu)8所示。可以看出(chu)，在兩相介質中(zhong)，渦街流量計的(de)測量流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量值始(shi)終🌂低于參考流(liú)量計流量值，這(zhe)是由于2種介質(zhi)混合後，整體粘(zhan)度變大，流體流(liú)态發生改變，因(yin)此斯特勞哈爾(er)數發生一定程(chéng)度變化。

　　爲進一(yi)步分析含水率(lü)對測量誤差的(de)影響，圖9給出💁了(le)不同含水率時(shi)，渦街流量計在(zai)5～80m3/d測量範圍内的(de)平均相對誤🔅差(cha)。可以看出，當含(hán)水率低于40%時，渦(wō)街流量計的測(cè)🍓量非常大相對(dui)誤差爲4.8%，主要原(yuán)♻️因在于含水率(lǜ)較低時，充分混(hùn)合的油水兩相(xiang)介質形成了油(yóu)包水的乳狀液(ye)，兩相斯特勞哈(ha)爾數呈現非線(xiàn)性變化，從而帶(dai)來測量誤差;當(dang)含水率高于40%時(shí)，渦街流量計的(de)測量逐漸趨于(yu)🔞穩定，相對誤差(cha)小于2.5%，這一現象(xiàng)是由于随着含(hán)水率提♻️升，轉變(biàn)爲水包油乳🥵狀(zhuang)液，水相中的油(you)泡較小且分布(bù)均勻，介質流态(tài)變好，測量精🐉度(dù)也得到改善。

　　在(zai)井下渦街流量(liang)計試驗過程中(zhōng)，由于機械振動(dòng)以‼️及外部環境(jing)🚩會對壓電傳感(gan)器産生幹擾，因(yīn)此在沒有流量(liàng)通過時依然❌會(huì)産生一定的振(zhèn)動，通過傅裏葉(yè)變換後表現爲(wei)均布在整個🎯頻(pin)域的⛱️白噪聲。将(jiang)各測試條件下(xia)的示波器波形(xing)進行整合，通過(guo)對比發現:當油(you)水比例固定時(shi)，在頻域分析中(zhōng)，旋渦脫落所對(duì)應的頻率峰值(zhi)随流量增大💛而(ér)增大，如圖10所示(shì);當流量一定時(shí)，在頻域分析🛀🏻中(zhong)，旋渦脫落所對(dui)應的頻❤️率峰值(zhí)随含水率升高(gao)而升高，如圖11所(suǒ)⁉️示。上述現象說(shuō)明，該渦街流量(liàng)計應😘用于高含(hán)水、大流量的工(gong)作環境中具有(yǒu)較強的抗幹❗擾(rao)性。反之，當流量(liàng)較小或💁含水率(lü)較低🧡的情況下(xià)，探頭檢測到的(de)被測介質經🐪旋(xuán)渦🍓發生體分離(lí)後産生的振動(dong)所對應的頻率(lü)值🐉與系統噪聲(sheng)産生振動的頻(pin)率值較爲😍接近(jìn)，如圖12所示，無法(fǎ)明顯區分，可🌈能(néng)會導緻單片機(jī)所采集到🌏的有(you)效流量值對應(ying)頻率不準确，從(cong)而産生了在小(xiao)流量或低含水(shui)率情況下，測試(shi)精度下降的😘現(xian)象，因此需要對(duì)非常小流量進(jìn)行💋限制。

6結論
　　本(ben)文基于卡門渦(wo)街原理一種應(yīng)用于采油井井(jǐng)下的渦🔱街流⭕量(liàng)計，并對其在充(chong)分混合的油水(shuǐ)兩相介質中的(de)性能進🌈行了試(shì)驗♉測試。通過地(dì)面循環試驗平(píng)台，讓不同流量(liàng)、不同含水率的(de)油水兩相介質(zhì)流經渦街流量(liang)計，并通過與參(can)考🏃‍♂️流量計的🔞對(duì)比評價渦街流(liu)量計的測量性(xìng)能。清水标定試(shi)💋驗發現，、渦街👄流(liu)量計在5～80m3/d範圍的(de)流量測量誤差(cha)小于1%。油水兩相(xiàng)介質測試試🏃‍♀️驗(yàn)發現，在不同含(hán)水率的油水兩(liang)相介質中🏃‍♀️，流量(liàng)與渦街脫落🌍頻(pín)率能夠進行良(liang)好的拟合;當含(han)水率低于40%時，非(fei)常大測量誤差(cha)小于5%;當含水率(lǜ)高于40%時，測量誤(wu)差小于2.5%。此外♻️，試(shì)驗發現大流量(liang)通過渦街流量(liàng)計時能夠減弱(ruo)環境噪聲帶來(lai)的影響，提高渦(wō)街流量計的測(cè)量精度。根據上(shàng)述試驗結果以(yǐ)及油田井下🔞流(liú)量測量需求可(kě)以得出，本文✔️中(zhōng)油田井下渦街(jiē)流量計，在在‼️清(qing)水介質中标定(dìng)後，不需要進💚行(háng)額外修正便能(néng)夠🌈應用于不同(tong)含水率的油水(shui)兩🈲相介質流量(liàng)📧測量中。

以上内(nèi)容源于網絡，如(ru)有侵權聯系即(ji)删除!