一种用于低流量测量的浮子流量传感器

于宝，孔垂广，于靖民

（1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆163318；2.中国石油辽河油田公司兴隆台采油厂，辽宁盘锦124010）

一种用于低流量测量的浮子流量传感器

于宝1，孔垂广1，于靖民2

（1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆163318；2.中国石油辽河油田公司兴隆台采油厂，辽宁盘锦124010）

针对目前广泛存在的日产量小于10m3的油井及目前所应用的涡轮流量计测量下限较高和易砂卡等问题，根据流体力学相关原理，建立适合低流量测量的理论模型，分析其中的影响因素，采用独特设计技术，研制出外径为28mm的浮子流量传感器。通过实验，确立油井流量在0～20m3／d变化范围内，所研制的浮子流量传感器的测量频率响应与被测液体流量之间为线性关系。在模拟仿真系统所能提供的水流量下限（0.24m3／d）和油流量下限（0.05m3／d）情况下，传感器仍有较高频率输出响应，表明所研制的浮子流量传感器适合低产液油井流量测量。

生产测井；低孔隙度；低渗透率；油井测试；产出剖面；流量测量；传感器

0 引 言

高含水、低产液是我国目前多数油田生产井的主要特点。低产液井通常指总产液量小于30m3／d的井［1－2］。随着油田开发需求的不断提高，老式流量测量仪器很难适应新的应用需求［3］。辽河油田、华北油田、吉林油田等普遍存在低产液油井，这些油井产液量一般都在10m3／d以下，单层产液量最低可达1m3／d。目前大庆油田有注水井10 000多口，其中，含低渗透率油层的分注井有8 000多口［4］。据油田油井管理调查报告，在老区和外围低渗透油田普遍存在的井下流量计量程不符的问题占流量计问题的91%［5］。大庆外围油田储层物理性质较差，孔隙度和有效渗透率都很低，属于低渗透油田。这些区块油井产液比较低，平均单井产液在5m3／d以下，对合层开采的井，每层产液就更低了，有的甚至不到1m3／d。因此，提高低产出井测试资料的准确度和精确度是急需解决的难题［6－7］。老式流量计经常出现超量程现象，主要是由于流量计的启动排量高、量程大、小排量下精度偏低［8－9］。目前常用的涡轮流量计、示踪流量计在高含水、低产液井中，通常会产生非线性响应或非一致性响应，已经不能很好解决低产液井的实际问题［10－11］。因此，研究启动排量更低的油井流量计是油田测试工作必须面对和解决的重要课题，对于低渗透油田开发具有重大现实意义。

1 流量测量原理

图1为研制的流量敏感元件流量测量原理图。流量敏感元件是由圆形浮子和外筒2部分构成，其中，浮子为倒T型圆柱体，其上面大部分细长，下端面为直径等于外筒内径的薄圆片；外筒开2个长方形出液窗口，窗口的下面设置一个浮子挡环，挡环上表面与窗口下端面平齐。整个浮子完全浸没在液体中。

图1 低流量测量原理图

当液体体积流量为0时，浮子在重力作用下其下端面落在挡环平面上。随着液体流量增加，浮子在其薄圆片上下两面的压力差的作用下会向上移动，到达某一位置后达到平衡状态。设浮子薄圆片的面积为Sa，浮子体积为Va，浮子密度为ρa，外筒出液窗口开口宽度为b，液体密度为ρf，流进窗口的液体体积流量为Q，流速为v1，流出窗口的液体流速为v2，流体流动中浮子薄片受到的上下压力分别为p1、p2，在压差作用下浮子在窗口中升起的高度为h，浮子上下两端面的高度分别为y1和y2。

忽略浮子薄片厚度的影响，通过受力分析得

流进窗口和流出窗口的液体体积流量相等

对窗口应用伯努利方程［12－13］，有

因为y1≈y2，则有

联立式（1）式（4）得

式中，b、h的单位为cm；ρa、ρf的单位为g／cm3；Sa的单位为cm2；Va的单位为cm3；g的单位为m／s2；Q的单位为m3／d。

由式（7）可以看出液体体积流量Q只与浮子抬升高度h有关。当4b2h2与相比非常小时，4b2h2／可以忽略，此时，液体体积流量Q与浮子抬升高度h成正比。

2 测量模型影响因素分析

从上述得到的液体流量测量模型中可以看到，液体流量可以通过测量浮子上升的高度确定，但还受到出液窗口宽度、浮子材料的密度、浮子的体积和液体的密度影响，这些影响因素对于浮子流量敏感元件的设计有很高参考价值。

（1）出液窗口宽度变化对模型的影响。图2（a）给出了出液口宽度分别为0.6、0.8、1.0cm时，浮子位移与计算出的流体体积流量之间关系交会图。从图2（a）可以看出，不同出液窗口宽度下位移与流体流量关系曲线在位移较小范围近似直线关系，随着位移增大，曲线非线性化。此外，宽度对流量测量的影响也不同。宽度增大，同一浮子位移计算的流量增大。

（2）浮子材料密度变化对模型的影响。不同密度的浮子其位移与流体流量关系曲线在位移较小范围近似直线关系，随着位移增大，曲线非线性化。此外，密度对流量测量的影响也不同。密度增大，同一浮子位移计算的流量增大［见图2（b）］。

（3）流体密度变化对模型的影响。不同流体密度下位移与流体流量关系曲线在位移较小范围近似直线关系，随着位移增大，曲线非线性化。此外，流体密度变化对流量测量的影响也不同。密度增大，同一浮子位移计算的流量减小［见图2（c）］。

（4）浮子体积变化对模型的影响。不同浮子体积下位移与流体流量关系曲线在位移较小范围近似直线关系，随着位移增大，曲线非线性化。此外，不同的浮子体积对流量测量的影响也不同。浮子体积增大，同一浮子位移计算的流量增大［见图2（d）］。

图2 模型影响因素关系图

3 传感器研制

3.1 流量敏感元件

流量敏感元件是将油井流量变化转化为浮子高度变化的装置，其结构见图3。它是由倒T型浮子、差动变压器、开窗口外筒组成，其中利用了差动变压器线圈骨架作为浮子的导引支架，同时也利用差动变压器将浮子的位移变化转化为对应的电信号变化。为了配合差动变压器工作，在浮子一定位置处内嵌一段铁氧体磁棒。它的各组成部分均为不锈钢材料加工而成。

图3 流量敏感元件结构图

3.2 测量电路

测量电路是用来将浮子位移变化转化为对应的电信号频率变化的装置。它是由正弦波信号源、差动变压器、差动放大器、相敏检波器、低通滤波器、零位调整器和压频转换器组成，其结构方框图见图4［14－15］。其中，正弦波信号源为差动变压器提供5kHz的调制用载波信号。差动变压器将浮子的位移变化通过磁芯转变为缓慢的直流电压变化，并用该变化的直流电压去调制5kHz正弦波，使其变为调幅波。浮子在离开起点不同位置处，调幅波的幅度和相位不同。差动放大器对差动变压器的调幅波进行幅度放大。相敏检波器在调幅波与正弦波信号源间相位差控制下，对差动放大器输出的调幅波进行幅度检波，使其变成与浮子位移成正比的单向脉动直流电压信号。低通滤波器滤除单向脉动直流电压信号中的载波成分，使其变成平滑的直流电压。零位调整器是当流量为0或者说浮子处于0位移处时，不管电路前面电路是否有输出，输出的直流电压是多少，零位调整器统统输出一个恒定电压；当浮子位移变化时，零位调整器输出的电压为该恒定电压与由前面转换电路转换的直流电压之和。压频转换器将零位调整器输出的直流电压变为与之成正比的脉冲频率量，这有利于信号远距离传输和提高抗干扰能力。经压频转换器输出频率与浮子位移近似成正比的脉冲信号给记录仪器，在采集软件作用下，输出流量测井曲线。

图4 测量电路结构方框图

4 低流量传感器实验测量

4.1 浮子位移与传感器输出响应之间关系测量

将浮子置于0位移处，调节转换电路中的零位调节电位器，使转换电路输出频率为100Hz。依次移动浮子，并用游标卡尺量出浮子的每次位移，分别读出对应的由转换电路输出的脉冲信号频率。整理得到浮子位移与传感器输出电信号频率间的关系曲线（见图5）。

图5 浮子位移与转换电路输出频率间关系曲线图

由图5可知，浮子位移与传感器输出频率间关系曲线在位移0～20mm变化范围内基本为直线关系。如此特性与浮子位移与流量间表现的特性配合，有可能使流量与输出频率间成线性关系。

4.2 流量与传感器输出频率间关系测量

实验在流量模拟仿真系统中进行，其结构和流程示意图见图6。实验介质为自来水和10号工业白油。流量模拟仿真系统由油水储藏罐、油水稳压装置、油水分离罐、油水控制与计量装置、模拟井以及数据采集装置组成。其中，油水稳压装置通过设置在油水储藏罐中的溢流管将连续注入的多余油或水泄放达到流量稳定；油水控制与计量装置采用阀门调控所需流量，由LZB－15及LZB－25玻璃转子流量计读出体积流量值。LZB－15量程范围：10～100 l／h，刻度间隔10l／h，最小刻度1l／h；LZB－25量程范围：100～1 000l／h，刻度间隔100l／h，最小刻度10l／h。为了测量准确，事先分别用量筒对玻璃转子流量计的刻度重新进行了标定。

图6 模拟仿真系统结构和流程图

4.2.1 油、水和油水混合介质条件下的流量测量

将研制的低流量传感器安装到垂直模拟井中，采用全集流方式确保全部流体都能够经过流量传感器。连接仪器各部分，在模拟井尚未输出流量情况下，调节转换电路中零位调整器，使频率计读数为100Hz。启动模拟井循环系统，让系统输出流体分别为自来水、白油、70%油水混合液体和90%油水混合液体。调节模拟仿真系统中油水输出的流量或比例，介质的流量逐渐增大，同时记录各流量下对应的输出频率。测量结果见图7。

4.2.2 油、水及混合介质流量测量结果分析

由图7实验结果可以看出，①由于传感器出液窗口的下端面采用了三角形设计以及差动变压器采用了阶梯形线圈设计技术，弥补了传感器由于浮子圆片与外筒存在间隙而对于低黏度液体在极低流量范围产生的测量非线性，使得所研制的浮子流量传感器对于水和含水率较高的混合液体的流量测量响应在0～20m3／d变化范围内基本为线性关系，流量测量下限对于混合介质条件远低于0.24m3／d，对于全水介质条件稍差些，但也比0.24m3／d低得多。传感器对白油在模拟仿真系统所限的0～8m3／d流量变化范围内的测量响应也基本为线性关系，流量测量下限更小，远低于模拟系统提供的0.05m3／d流量下限，只是在流量极低范围内由于传感器过补偿而出现了非线性。②研制的浮子流量传感器对流量的测量受被测液体的密度影响，被测介质从白油到水在同一流量条件下测量响应依次增大，这是由于液体的密度依次增大的结果，该结果与理论分析相符合。③在0～20m3／d流量变化范围内，对于油井含水率大于90%的情况，研制的低流量传感器的流量测量误差可以忽略。

图7 不同介质条件下流量与传感器输出响应间关系图

5 结 论

（1）基于流体力学有关原理，建立了一种适合低流量测量的理论模型，在分析了模型中影响因素基础上，研制出了一种浮子式低流量测量敏感元件，其结构有利于防止测井中的砂卡现象。

（2）采用非接触位移测量传感器和一系列转换电路将浮子位移变化转变成为转换电路输出的脉冲频率变化。

（3）通过实验研究，确立了所研制的低流量浮子传感器在0～20m3／d的流量变化范围内油井中被测液体的流量与传感器输出频率之间为线性关系，在模拟仿真系统所能提供的水介质流量下限0.24m3／d和油介质0.05m3／d条件下，传感器仍有较高频率输出响应，表明所研制的浮子流量传感器适合于低产液油井流量的测量。

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A Float Flow Sensor for Low Flow Measurement

YU Bao1，KONG Chuiguang1，YU Jingmin2
（1.School of Earth Sciences，Northeast Petroleum University，Daqing，Heilongjiang 163318，China；2.Xinglongtai Oil Production Plant，Liaohe Oilfield Company，PetroChina，Panjin，Liaoning 124010，China）

At present，the production of oil wells is less than 10m3／d，and the turbine flowmeter often provides non－accurate log responses and results in sanding－in problem，etc.According to the fluid mechanics principle，established are theory models for the low flow measurement，and analyzed are influence factors on the models.Developed is a unique float flow sensor with 28mm diameter.Through a series of experiments，established are linear relationships between the measurement frequency response of the sensor and the measured liquid flow when flow variation range of the oil wells is 0～20m3／d.Estimated is lower flow limit of float flow sensor，the result of which shows that even when the lower water flow limit is 0.24m3／d and lower oil flow limit is 0.05m3／d，the sensor also has higher frequency output response，which indicates that the float flow sensor developed is suitable for lower yield oil wells flow measurement.

production logging，low porosity，low permeability，oil well testing，output profile，flow measurement，sensor

P631.83

A

2011－12－15 本文编辑 余迎）

1004－1338（2012）04－0401－05

于宝，男，1964年生，硕士，副教授，从事油井产出剖面系列测试仪器与测试技术研究以及油藏物性参数测量技术研究工作。