便携式超声波注水流量计在线校正技术研究

郭发荣 （中石油长庆油田分公司油田开发处，陕西 西安710018）

赵防震 （中石油长庆油田分公司第三采油厂，宁夏 银川750000）

杨印华 （中石油长庆油田分公司油田开发处，陕西 西安710018）

张随望 （中石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西 西安710018）

在油田注水开发中，注水量是既反映地层能力，也反映注水设备生产能力、能耗的重要参数，是注水管理水平的重要体现。因此，对注水量精确的计量显得尤其重要。实际注水过程，受注入水水质和其他因素的影响，需要定期对注水流量计进行标定校验，以确保计量的准确性。为保证注水生产数据（压力、流量）准确，必须定期对在用压力变送器和流量计进行检定校正。目前常规做法是将现场变送器和流量计拆卸下来，拿到实验室去进行标准表校正［1］，完成校正后再送到现场安装。这种做法主要存在以下问题：需要一批备用变送器进行周转，才能减少校正后再安装工作；在没有周转变送器的情况下，一次校正需要2次到现场服务，还需要停注，影响生产；流量计校正只是将一次表芯取回实验室，实验室的流量计流道与现场流道存在多种差异，造成校正后的流量计在现场安装后依然存在较大误差。

在实际注水过程中，注水流量计无法实现每年2次的标定校验要求，严重影响正常注水计量，影响油田的精细注水开发。为了解决以上问题，笔者提出了在线校正模式，以实现在现场校验，减少中间环节，提高注水的精确性。

1 超声波流量计量原理

声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增加，逆流方向传播速度则会减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体速度之间的关系求取流速，称为传播时间法。即在流体中发射一定频率的超声波，传播相同的距离时，顺流与逆流之间存在相位差，此差值与流体速度成正比，若管径一定，则通过相位差可求出流量［2］。

设流量的流速为V，超声波声速为C，声波发射探头与接收探头之间的距离为L，管道内径为D，则顺流时间为：

逆流时间为：

时间差Δt为：

由于流体中超声波声速C远远大于流体速度V，可将式（3）简化为：

则流体速度为：

由式（5）可见，流体速度与超声波在流体中传播的顺流与逆流的时间差成正比。因此，流体的流量可以表示为：

超声波流量计具有不扰乱流体流场、无腐蚀、无额外压力损失、测量精度高、测量范围宽等特点［3］。超声波流量计是非接触式流量测量仪表，测量过程中传感原件不接触流，采用夹装式超声波流量计可实现不停流载管安装，只需在管道外部安装换能器。因此，笔者采用超声波流量计进行注水流量计在线校验。

2 在线校正技术

2.1 超声波在线校验主机优选

通过文献调研和对比试验，目前常用的超声波流量计普遍存在一些问题：一是测试反应不够灵敏，二是在复杂状况下测不出，三是测试重复性不好，应用效果不是很理想。

为此，优选德国弗莱克森超声波流量计作为主机，并进行了汉化处理。该仪器累计流量及瞬时流量计量误差小，并且精度可以达到0.25%。为了测试方便，将壁厚测试集成到了超声波在线校验的主机上［4］。

2.2 配套标准罐的研制

对流量较小的流量计，校验时需要进行累计流量修正。为了避免放空水过多，研制了80L标准计量罐（见图1），计量精度为0.25%。为了适应现场管线放流阀出口低的实际情况，设计采用下入罐方式，并配套换流器［5］。

2.3 测试方式优选

根据装夹方式不同，可分为3种方法：第1种利用现有管线装夹直接标定；第2种是利用现有管线装夹＋标准罐法标定；第3种加装不锈钢标准测流段来夹装超声波流量计进行标定。根据现场实际，选择第1种和第2种测试方法进行监测。

图1 80L标准罐结构示意图

实际测试时，根据超声波反射次数的多少，将测试方式分为1次、2次、3次和4次声程测试，室内采取4种不同声程进行对比测试，结果相差不大［6，7］。考虑到超声波信号强弱等因素，选择2次声程进行测试试验。

表1 超声波流量计采用不同声程的测试数据

3 测试分析

为进一步验证超声波流量计计量的准确性，采取在流量计校验装置上进行同步对比测试，同时，选择不同区块与刚经过利用常规流量计校验装置校验过水表进行对比试验。

3.1 流量计校验装置上的对比试验

采取超声波在线校验仪器与现场在用的DELL－2010型流量校验装置上进行对比测试，流量计校验装置为沈阳兴大通仪器仪表有限公司生产的DTLL－2010A型流量标定装置，该装置有4种不同管径的流道［1］。通过调节流量大小，采取二次声程在4种不同流道上进行了对比测试试验（见表2），不同管径测量的平均误差在0.1%～1.1%。

表2 与流量标定装置进行对比检验

3.2 现场注水阀组流量测试

采取超声波流量计与标准水罐计量数据进行对比，现场测试了83口井212井次，平均误差在3%以内。在普测的基础上，开展了不同流量范围、不同测试时间、不同测试位置等情况的对比测试分析（见表3～表5），结果表明，研制的超声波在线校验装置对5m3／d以上的流量都是适应的，测试不受时间及阀前、阀后等测试位置的影响，测试误差均能控制在4%以内。

表3 大流量（50m3／d以上）与小流量（10m3／d以下）测试结果统计

表4 同一流量计同一位置不同时间测试结果对比统计

表5 同一流量计不同位置测试结果对比统计

4 结论与认识

1）超声波流量计对油田注水在线流量计现场校正是完全可行的，计量精度可以满足生产管理需要。

2）超声波在线校验技术可以在注水正常工作现状下实现对流量计的标定校验，改变了流量计拆卸校验的方式，简化了流量计校验程序，提高了计量的准确性。

3）超声波在线校验装置稳定性较高，消除了测试位置及测试时间等对校验测试结果影响。

［1］JJG643－2003，标准表法流量标定装置 ［S］.

［2］李广峰，高勇 .超声波流量计的高精度测量技术 ［J］.仪器仪表学报，2001（12）：645.

［3］王宏伟，戚翠红 .超声波流量计在油田污水计量中的应用探讨 ［J］.科技信息，2008（15）：370.

［4］王继庆，浅谈便携式超声波流量计的实际应用及注意事项 ［J］.中国石油和化工标准与质量，2012（4）：244.

［5］蔡武昌，孙淮清，纪纲 .流量测量方法和仪表的选用 ［M］.北京：化学工业出版社，2001.

［6］邹蓬，吕传玉，李凤名 .时差法超声波流量计的原理和设计 ［J］.建设科技，2012（2）：88～89.

［7］孟华，闫菲，李明伟 .新型时差法超声波流量计 ［J］.仪表技术与传感器，2007（8）：18～20.