摘(zhai)要:針對油(you)井分層監(jian)測與開采(cai)過程中的(de)井下充分(fen)📐混合❤️的油(you)水兩相介(jie)質流量測(ce)量問題，一(yi)種基于卡(ka)門👣渦街原(yuan)理的采🎯油(you)井井下渦(wo)街流量計(ji) 。搭建了地(di)面測試系(xi)統對其工(gong)作性能進(jin)行試驗，首(shou)先利用清(qing)水介質對(dui)流量計進(jin)行标定，然(ran)後探究流(liu)量計♌在充(chong)分混合的(de)油水兩相(xiang)介質中的(de)測量精度(du)。試驗研究(jiu)發現，渦街(jie)流量計在(zai)充分混合(he)的油水兩(liang)相介質中(zhong)的流量測(ce)💘量值略低(di)于實際流(liu)量;在相同(tong)流量下，降(jiang)低兩相介(jie)質的含水(shui)率會導緻(zhi) 渦街流量(liang)計 的旋渦(wo)脫落頻率(lü)降低;此外(wai)，大流量工(gong)作狀态下(xia)，環境振動(dong)對測量結(jie)果的影響(xiang)被減弱。與(yu)采油井井(jing)下流量🐉的(de)測㊙️試需求(qiu)相對照，渦(wo)街流量計(ji)能夠在清(qing)水标定、不(bu)需額外⭐修(xiu)正的♻️情況(kuang)下，完成采(cai)㊙️油井井下(xia)充分混合(he)的油水兩(liang)相介質的(de)流量測量(liang)。
引言
　　油井(jing)分層開采(cai)一方面可(ke)降低産液(ye)綜合含水(shui)率，提高原(yuan)油産量;另(ling)一方面還(hai)可有效保(bao)持油層均(jun)衡開采，提(ti)高原油采(cai)收率。因此(ci)，一套适用(yong)于采油井(jing)井下💋的流(liu)量測試技(ji)術，可以實(shi)現各油層(ceng)産量的正(zheng)确監測，爲(wei)産層可控(kong)生産✂️提供(gong)數據支持(chi)。雖然電磁(ci)、超聲♈等流(liu)量計已經(jing)在各個工(gong)業領域得(de)到大規模(mo)應用，但在(zai)充分混合(he)的油水兩(liang)相介質的(de)流量測試(shi)中，往往因(yin)油污大、被(bei)測介質組(zu)分複雜、井(jing)下工況複(fu)雜等因素(su)，導緻測量(liang)結果及精(jing)度出現較(jiao)大☂️偏⚽差。渦(wo)街流量測(ce)量作爲一(yi)種介質适(shi)應性好、結(jie)構簡單、操(cao)作方便的(de)流量測量(liang)技術，已在(zai)油田注水(shui)井測試等(deng)涉及流量(liang)監測的工(gong)藝領域得(de)到💚了成功(gong)應用。
　　本文(wen)将首先設(she)計一種适(shi)合采油井(jing)井下狹小(xiao)空間安裝(zhuang)的 智能渦(wo)街流量計(ji) ，并針對采(cai)油井中充(chong)分混合的(de)油水兩相(xiang)介質進行(hang)地㊙️面模拟(ni)試🧡驗，獲得(de)油水介質(zhi)含水率對(dui)采油井井(jing)下渦街流(liu)🥵量計測量(liang)特性的影(ying)響規律。
1渦(wo)街流量計(ji)測量原理(li)
　　如圖1所示(shi)，在被測流(liu)體中垂直(zhi)插入一個(ge)非流線型(xing)截面的旋(xuan)渦發生體(ti)，流體的流(liu)動狀态受(shou)其影響并(bing)🏃🏻在下遊産(chan)生一系列(lie)旋渦。當兩(liang)排旋渦之(zhi)間的間距(ju)h與同排中(zhong)兩相鄰旋(xuan)渦的間距(ju)l之比滿足(zu)h/l=0.281時，可以得(de)到穩定且(qie)交替排列(lie)的旋渦。将(jiang)旋渦分離(li)頻率f定義(yi)爲單位時(shi)間從旋渦(wo)發生體下(xia)遊分離的(de)旋渦數目(mu)，理論和試(shi)驗🔴研究均(jun)已證明，旋(xuan)渦分離頻(pin)率與流體(ti)速度v成正(zheng)比，且與旋(xuan)渦發生體(ti)迎流面的(de)寬度d成反(fan)比💋，即:
f=SrAv/d(1)
　　式中(zhong)，f爲旋渦脫(tuo)落頻率，Hz;Sr爲(wei)斯特勞哈(ha)爾數(無量(liang)綱);A爲流道(dao)尺寸系數(shu);v爲旋渦發(fa)生體兩側(ce)的流速，m/s;d爲(wei)旋渦發生(sheng)體迎流面(mian)的寬度，m。
　　一(yi)旦旋渦發(fa)生體和流(liu)道的幾何(he)尺寸确定(ding)，旋渦脫落(luo)🌍頻率即與(yu)💯流體流速(su)構成簡單(dan)的正比關(guan)系，因此通(tong)過檢測旋(xuan)渦的脫落(luo)頻率便可(ke)測得流速(su)，并以此獲(huo)得流🥰體的(de)流🙇🏻量。

2井(jing)下渦街流(liu)量計整體(ti)結構
　　本文(wen)的渦街流(liu)量計主要(yao)用于集成(cheng)在油井智(zhi)能配産器(qi)中，智能🔆配(pei)産器外徑(jing)114mm、内通徑46mm，内(nei)部集成有(you)流量計、含(han)水率測量(liang)、電控✔️可調(diao)閥嘴、載波(bo)通信等模(mo)塊，且所有(you)模塊均隻(zhi)⭐能安裝在(zai)智能配産(chan)器狹小的(de)環形㊙️空間(jian)内。當智能(neng)配産器随(sui)油管下入(ru)指定的油(you)層後，其将(jiang)測得的各(ge)油層産液(ye)量、含水率(lü)通🙇🏻過載波(bo)通信模塊(kuai)和電纜📐傳(chuan)輸至地面(mian)，生産人員(yuan)遵循“減小(xiao)高含水層(ceng)産液量，增(zeng)加低含水(shui)層産液量(liang)”的基本原(yuan)則對各油(you)層的産出(chu)液流量進(jin)行調控，非(fei)常終實現(xian)油井增油(you)控水的目(mu)的。基于渦(wo)街流量計(ji)的測量原(yuan)理與✊安裝(zhuang)空間要求(qiu)，本文渦街(jie)流量計如(ru)圖2所示。渦(wo)街流量計(ji)主要由流(liu)量計主體(ti)、旋🎯渦發生(sheng)體、壓電晶(jing)體探🧡頭、過(guo)液管、壓闆(pan)等部件組(zu)成。其中🐉，過(guo)液管内徑(jing)爲15mm，流💰量計(ji)主體與過(guo)液管、旋渦(wo)發生體與(yu)過♻️液管之(zhi)間通過焊(han)接固定，壓(ya)電晶體探(tan)頭與流量(liang)💰計主體、流(liu)量計主體(ti)與壓闆之(zhi)間設❓置相(xiang)應的O型密(mi)封圈，以保(bao)證渦街流(liu)量計在井(jing)下20～50MPa高壓環(huan)🏒境下的可(ke)靠密🌈封。

3井下(xia)渦街流量(liang)計的檢測(ce)電路
　　井下(xia)渦街流量(liang)計檢測電(dian)路框圖如(ru)圖3所示，渦(wo)街流量🎯計(ji)壓電晶🏃🏻體(ti)探頭在旋(xuan)渦的沖擊(ji)下輸出電(dian)壓信号，該(gai)電壓信号(hao)經由放大(da)器及低通(tong)濾波器處(chu)理後傳遞(di)給🔆單片機(ji)，單片機對(dui)數據進行(hang)傅裏葉變(bian)換，從而獲(huo)得漩渦脫(tuo)落頻率。在(zai)壓電晶體(ti)探頭與渦(wo)街流⭕量電(dian)控系統㊙️連(lian)接的同時(shi)，并聯一台(tai)示🈲波器對(dui)壓電🏃🏻‍♂️晶體(ti)探頭的輸(shu)出電壓波(bo)形進行測(ce)試。

　　渦街流量(liang)計的檢測(ce)電路圖如(ru)圖4所示，壓(ya)電晶體輸(shu)出🍓的微弱(ruo)♌電信号經(jing)過2級精度(du)運算放大(da)器AD8608處理，第(di)1級放⛱️大105倍(bei)，第2級放大(da)500倍。放大後(hou)的信号再(zai)經由AD7091Ｒ芯片(pian)進行模☔數(shu)轉換🈲。AD7091Ｒ芯片(pian)在3.3V下功耗(hao)非常低，且(qie)内置一個(ge)❄️2.5V基準電壓(ya)源，能夠實(shi)現低漂移(yi)、精度的模(mo)數轉換。且(qie)💁運算放大(da)器的輸出(chu)電壓爲0.1～2.4V，而(er)AD7091Ｒ輸入電壓(ya)要求範圍(wei)👨‍❤️‍👨爲0～2.5V，配合使(shi)用可以擁(yong)有100mV的安全(quan)✂️餘量，符合(he)使用需求(qiu)。

　　2級放大(da)處理後的(de)電壓波形(xing)圖如圖5中(zhong)的下面黃(huang)波形曲線(xian)所💰示，上面(mian)白色波形(xing)則代表信(xin)号經過傅(fu)裏📱葉變換(huan)後在頻域(yu)内的分🙇‍♀️布(bu)情況，其中(zhong)，白色波形(xing)中非常高(gao)峰值所對(dui)應的頻率(lü)便是旋渦(wo)脫落頻率(lü)，通過建立(li)該頻率與(yu)流速的對(dui)應關系即(ji)可對井下(xia)渦🏒街流量(liang)計進行标(biao)定。

4充分混(hun)合的油水(shui)兩相介質(zhi)流量測試(shi)系統
　　本文(wen)搭建的充(chong)分混合的(de)油水兩相(xiang)介質流量(liang)測試系統(tong)組成如圖(tu)6所示，由油(you)水儲存區(qu)、油水分離(li)區、流量計(ji)測試⭐區3個(ge)主要功能(neng)區塊組成(cheng)。油和水分(fen)别儲存在(zai)油水儲存(cun)區的油罐(guan)和水罐中(zhong)，需🔆要進行(hang)試驗時，按(an)預定比例(li)将油/水兩(liang)種介質吸(xi)入混合罐(guan)中，進☁️入流(liu)量測試區(qu)。兩相介質(zhi)🙇🏻在混合罐(guan)内進行充(chong)分混合，随(sui)後在泵的(de)推動下流(liu)經渦🍓街流(liu)量計與參(can)💃🏻考流🐆量計(ji)，随後重新(xin)流回混合(he)罐内，完成(cheng)一個循環(huan)。試驗初期(qi)由于油水(shui)混合不均(jun)勻，管道内(nei)含有氣體(ti)等原因，流(liu)量計示數(shu)往往波動(dong)較大，因此(ci)系統穩定(ding)運行☂️10min後，待(dai)流量計讀(du)數⛷️穩定後(hou)再進行讀(du)取，記錄渦(wo)街流量計(ji)旋渦脫落(luo)頻率與參(can)考流量計(ji)流量示數(shu)。數據記錄(lu)完畢後，打(da)開參考流(liu)量計與❗油(you)水分離器(qi)間的閥門(men)，同時關閉(bi)其與混合(he)罐之間✨的(de)閥門，使得(de)介質全部(bu)流入油水(shui)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻分離區進(jin)行分離，分(fen)離完成的(de)油🏃🏻/水介質(zhi)分别吸入(ru)油罐和水(shui)罐中，用于(yu)下一次試(shi)驗。

　　在完成(cheng)一組試驗(yan)後，在混合(he)罐内吸入(ru)足量的水(shui)，并以非常(chang)🔞大流量在(zai)流量測試(shi)區内循環(huan)，清洗過液(ye)管，清洗✍️時(shi)間持續10min以(yi)上㊙️。完成清(qing)洗後，液體(ti)排放至油(you)水分離區(qu)💔進行分離(li)。
5試驗數據(ju)及分析
5.1清(qing)水标定試(shi)驗
　　标定試(shi)驗中通過(guo)改變泵的(de)輸出流量(liang)來改變流(liu)量計的工(gong)作🆚環境，以(yi) 帶溫壓補(bu)償渦街流(liu)量計 的旋(xuan)渦脫落頻(pin)率與參考(kao)流量計的(de)流量爲變(bian)量，對流量(liang)🐇計特性進(jin)行線性拟(ni)合。本文中(zhong)所使用的(de)油相介質(zhi)爲15#工🔞業白(bai)油，運動粘(zhan)度13.5mm2/s(40℃)，參考流(liu)量計類型(xing)爲渦輪流(liu)量❤️計，由于(yu)流量測量(liang)範圍💁較大(da)，因此選擇(ze)測量💃範圍(wei)爲4.8～28.8m3/d以及14.4～144m3/d的(de)2台參考流(liu)量計進行(hang)标定，參考(kao)流量⚽計的(de)精度爲5‰。清(qing)水标定試(shi)驗數據見(jian)表1、表2所示(shi)，拟合曲線(xian)如圖7所示(shi)。由此可見(jian)，本文井下(xia)渦街流量(liang)計具有良(liang)好的重複(fu)性，且相對(dui)誤差小于(yu)1%。

5.2油水兩相(xiang)介質測試(shi)
　　對标定好(hao)的井下渦(wo)街流量計(ji)進行充分(fen)混合的油(you)🌈水兩相介(jie)質測試，主(zhu)要測試井(jing)下渦街流(liu)量計在不(bu)同含水率(lü)介質🍓以及(ji)🔞不同☀️流量(liang)下的測量(liang)精度，不同(tong)含水率🌈介(jie)質中的流(liu)量測量結(jie)果如圖8所(suo)示。可以看(kan)⭕出，在兩相(xiang)介質中，渦(wo)🌏街流量計(ji)的測量流(liu)量值始終(zhong)低于參考(kao)流量計流(liu)量值，這是(shi)由于2種介(jie)質混合後(hou)，整體粘度(du)變🌈大，流體(ti)流态發生(sheng)改變，因此(ci)斯特勞哈(ha)爾數發生(sheng)一定程度(du)變化。

　　爲進(jin)一步分析(xi)含水率對(dui)測量誤差(cha)的影響，圖(tu)9給出了不(bu)✌️同📞含水率(lü)時，渦街流(liu)量計在5～80m3/d測(ce)量範圍内(nei)的平均相(xiang)對誤差。可(ke)以看出，當(dang)含水率低(di)于40%時，渦街(jie)流量🌈計的(de)測量非常(chang)大相對誤(wu)差爲4.8%，主要(yao)原因在于(yu)含水率較(jiao)低時，充分(fen)混合的油(you)水兩⚽相介(jie)質形成了(le)油包水的(de)乳狀液，兩(liang)相斯特勞(lao)哈爾數呈(cheng)現非線性(xing)變化，從而(er)帶來測量(liang)誤差;當含(han)水率高于(yu)40%時，渦街流(liu)量計的測(ce)量逐🔞漸趨(qu)于㊙️穩定，相(xiang)對誤差小(xiao)于2.5%，這一現(xian)象是由于(yu)随着含水(shui)率提升，轉(zhuan)變爲水包(bao)油乳狀液(ye)，水相中的(de)油泡較小(xiao)且分布均(jun)勻，介質流(liu)态變好，測(ce)量精👌度也(ye)得到改善(shan)。

　　在井下渦(wo)街流量計(ji)試驗過程(cheng)中，由于機(ji)械振動以(yi)💃🏻及外部環(huan)境🥰會對壓(ya)電傳感器(qi)産生幹擾(rao)，因此在沒(mei)有流量通(tong)過時依然(ran)會産生一(yi)定的振動(dong)，通過傅裏(li)葉變換後(hou)表現爲均(jun)布在整個(ge)頻域的❓白(bai)噪聲。将各(ge)🍓測試條件(jian)🌈下的示波(bo)器波形進(jin)行整合，通(tong)過對比發(fa)㊙️現:當油水(shui)比例固定(ding)時，在💚頻域(yu)分析中，旋(xuan)渦脫落所(suo)對應的頻(pin)率峰值随(sui)流量增大(da)而增大，如(ru)圖10所🤞示;當(dang)流量一定(ding)時，在頻🚶域(yu)分析中，旋(xuan)渦脫🚶落所(suo)對應的頻(pin)率峰值随(sui)含水率升(sheng)⛷️高而升高(gao)，如圖11所☀️示(shi)🈚。上述現象(xiang)說明，該渦(wo)街流量計(ji)應用于高(gao)含水、大流(liu)量的工作(zuo)🏃‍♀️環境中具(ju)有較強的(de)抗幹擾性(xing)。反之，當流(liu)🍉量較小或(huo)✂️含水率較(jiao)低的情況(kuang)下，探🈲頭檢(jian)測到的被(bei)測介質經(jing)㊙️旋渦發生(sheng)體分離後(hou)産生的振(zhen)♍動所對應(ying)的頻率值(zhi)與系統噪(zao)聲産生振(zhen)動的頻率(lü)值😘較爲接(jie)近，如圖12所(suo)示，無法明(ming)顯區分，可(ke)能會導緻(zhi)單片機所(suo)采集到的(de)有效流量(liang)值對應頻(pin)率不準确(que)，從而産❤️生(sheng)了在小流(liu)📧量或低含(han)水🔴率情況(kuang)下，測試精(jing)度下降的(de)現象，因此(ci)需要對非(fei)常小流量(liang)進行限制(zhi)。

6結論
　　本文(wen)基于卡門(men)渦街原理(li)一種應用(yong)于采油井(jing)井下的渦(wo)街流量計(ji)，并對其在(zai)充分混合(he)的油水兩(liang)相介質中(zhong)的性能進(jin)行了試驗(yan)💘測試。通過(guo)地面循環(huan)試驗平台(tai)，讓不同流(liu)量、不同含(han)水率⛱️的油(you)水‼️兩相介(jie)質流經渦(wo)街流量計(ji)，并通過與(yu)參考流量(liang)計的對比(bi)評價渦街(jie)流量計的(de)測量性能(neng)。清水标定(ding)試驗發現(xian)，、渦街流量(liang)計在5～80m3/d範圍(wei)的流量測(ce)量誤差小(xiao)于1%。油水兩(liang)✔️相介🌏質測(ce)試試驗發(fa)現，在不同(tong)含水率的(de)油水兩相(xiang)介質⛷️中，流(liu)量與渦街(jie)脫落頻率(lü)能夠進行(hang)良💃好的拟(ni)合;當含水(shui)率低🏃于40%時(shi)，非常大測(ce)量誤差小(xiao)于5%;當含水(shui)率高🐉于40%時(shi)，測量誤差(cha)小于2.5%。此外(wai)，試驗發現(xian)大流量通(tong)過渦街流(liu)量計時能(neng)夠減弱環(huan)💘境噪聲帶(dai)來的影響(xiang)，提高渦街(jie)流量計的(de)測量精度(du)。根據上述(shu)試驗結果(guo)以及油田(tian)井下流量(liang)測量需求(qiu)可以得🐉出(chu)，本文中油(you)田井下渦(wo)街流量計(ji)，在在清水(shui)介質中标(biao)定後，不需(xu)要進行額(e)外修正便(bian)能夠應用(yong)于不同含(han)水率的油(you)水兩相介(jie)質流量測(ce)量中。

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