采油井井下涡街流量计的研制与试验研究*

魏爱拴，刘全全，张 斌，左 凯，孔学云，乔健鑫，宋文平

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452;2.哈尔滨工业大学机电工程学院 黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

我国大庆、胜利、渤海等主力油田经过多年开发后，综合含水率逐年上升，油水关系进一步复杂，层间干扰现象严重，层间动用不均衡。油井分层开采一方面可降低产液综合含水率，提高原油产量；另一方面还可有效保持油层均衡开采，提高原油采收率[1-2]。因此，一套适用于采油井井下的流量测试技术，可以实现各油层产量的准确监测，为产层可控生产提供数据支持。虽然电磁、超声等流量计已经在各个工业领域得到大规模应用，但在充分混合的油水两相介质的流量测试中，往往因油污大、被测介质组分复杂、井下工况复杂等因素，导致测量结果及精度出现较大偏差[3-8]。涡街流量测量作为一种介质适应性好、结构简单、操作方便的流量测量技术[9-11]，已在油田注水井测试等涉及流量监测的工艺领域得到了成功应用[12-14]。本文将首先设计研制一种适合采油井井下狭小空间安装的涡街流量计，并针对采油井中充分混合的油水两相介质进行地面模拟试验，获得油水介质含水率对采油井井下涡街流量计测量特性的影响规律[15-18]。

1 涡街流量计测量原理

如图1所示，在被测流体中垂直插入一个非流线型截面的旋涡发生体，流体的流动状态受其影响并在下游产生一系列旋涡。当两排旋涡之间的间距h与同排中两相邻旋涡的间距l之比满足h/l=0.281时，可以得到稳定且交替排列的旋涡[19-21]。将旋涡分离频率f定义为单位时间从旋涡发生体下游分离的旋涡数目，理论和试验研究均已证明，旋涡分离频率与流体速度v成正比，且与旋涡发生体迎流面的宽度d成反比，即：

f=SrAv/d

(1)

式中，f为旋涡脱落频率，Hz；Sr为斯特劳哈尔数(无量纲)；A为流道尺寸系数；v为旋涡发生体两侧的流速， m/s；d为旋涡发生体迎流面的宽度，m。

一旦旋涡发生体和流道的几何尺寸确定，旋涡脱落频率即与流体流速构成简单的正比关系，因此通过检测旋涡的脱落频率便可测得流速，并以此获得流体的流量。

图1 卡门涡街原理图

2 井下涡街流量计整体结构

本文研制的涡街流量计主要用于集成在油井智能配产器[22]中，智能配产器外径114 mm、内通径46 mm，内部集成有流量计、含水率测量、电控可调阀嘴、载波通信等模块，且所有模块均只能安装在智能配产器狭小的环形空间内。当智能配产器随油管下入指定的油层后，其将测得的各油层产液量、含水率通过载波通信模块和电缆传输至地面，生产人员遵循“减小高含水层产液量，增加低含水层产液量”的基本原则对各油层的产出液流量进行调控，最终实现油井增油控水的目的。

基于涡街流量计的测量原理与安装空间要求，本文研制的涡街流量计如图2所示。涡街流量计主要由流量计主体、旋涡发生体、压电晶体探头、过液管、压板等部件组成。其中，过液管内径为15 mm，流量计主体与过液管、旋涡发生体与过液管之间通过焊接固定，压电晶体探头与流量计主体、流量计主体与压板之间设置相应的O型密封圈，以保证涡街流量计在井下20～50 MPa高压环境下的可靠密封。

图2 井下涡街流量计模型

3 井下涡街流量计的检测电路

井下涡街流量计检测电路框图如图3所示，涡街流量计压电晶体探头在旋涡的冲击下输出电压信号，该电压信号经由放大器及低通滤波器处理后传递给单片机，单片机对数据进行傅里叶变换，从而获得漩涡脱落频率。在压电晶体探头与涡街流量电控系统连接的同时，并联一台示波器对压电晶体探头的输出电压波形进行测试。

图3 涡街流量计检测电路框图

涡街流量计的检测电路图如图4所示，压电晶体输出的微弱电信号经过2级高精度运算放大器AD8608处理，第1级放大105倍，第2级放大500倍。放大后的信号再经由AD7091R芯片进行模数转换。AD7091R芯片在3.3 V下功耗非常低，且内置一个2.5 V基准电压源，能够实现低漂移、高精度的模数转换。且运算放大器的输出电压为0.1～2.4 V,而 AD7091R输入电压要求范围为0～2.5 V，配合使用可以拥有100 mV的安全余量，符合使用需求。

2级放大处理后的电压波形图如图5中的下面黄色波形曲线所示，上面白色波形则代表信号经过傅里叶变换后在频域内的分布情况，其中，白色波形中最高峰值所对应的频率便是旋涡脱落频率，通过建立该频率与流速的对应关系即可对井下涡街流量计进行标定。

图4 涡街流量计电路图

图5 压电晶体探头波形图

4 充分混合的油水两相介质流量测试系统

图6 充分混合的油水两相介质流量测试系统框图

本文搭建的充分混合的油水两相介质流量测试系统组成如图6所示，由油水储存区、油水分离区、流量计测试区3个主要功能区块组成。油和水分别储存在油水储存区的油罐和水罐中，需要进行试验时，按预定比例将油/水两种介质吸入混合罐中，进入流量测试区。两相介质在混合罐内进行充分混合，随后在泵的推动下流经涡街流量计与参考流量计，随后重新流回混合罐内，完成一个循环。试验初期由于油水混合不均匀，管道内含有气体等原因，流量计示数往往波动较大，因此系统稳定运行10 min后，待流量计读数稳定后再进行读取，记录涡街流量计旋涡脱落频率与参考流量计流量示数。数据记录完毕后，打开参考流量计与油水分离器间的阀门，同时关闭其与混合罐之间的阀门，使得介质全部流入油水分离区进行分离，分离完成的油/水介质分别吸入油罐和水罐中，用于下一次试验。

在完成一组试验后，在混合罐内吸入足量的水，并以最大流量在流量测试区内循环，清洗过液管，清洗时间持续10 min以上。完成清洗后，液体排放至油水分离区进行分离。

5 试验数据及分析

5.1 清水标定试验

标定试验中通过改变泵的输出流量来改变流量计的工作环境，以涡街流量计的旋涡脱落频率与参考流量计的流量为变量，对流量计特性进行线性拟合。本文中所使用的油相介质为15#工业白油，运动粘度13.5 mm2/s(40 ℃)，参考流量计类型为涡轮流量计，由于流量测量范围较大，因此选择测量范围为4.8～28.8 m3/d以及14.4～144 m3/d的2台参考流量计进行标定，参考流量计的精度为5‰。清水标定试验数据见表1、表2所示，拟合曲线如图7所示。由此可见，本文研制的井下涡街流量计具有良好的重复性，且相对误差小于1%。

表1 第1次清水标定试验数据

表2 第2次清水标定试验数据

图7 流量计清水标定试验曲线

5.2 油水两相介质测试

对标定好的井下涡街流量计进行充分混合的油水两相介质测试，主要测试井下涡街流量计在不同含水率介质以及不同流量下的测量精度，不同含水率介质中的流量测量结果如图8所示。可以看出，在两相介质中，涡街流量计的测量流量值始终低于参考流量计流量值，这是由于2种介质混合后，整体粘度变大，流体流态发生改变，因此斯特劳哈尔数发生一定程度变化。

图8 不同油水比例介质下的测试曲线

为进一步分析含水率对测量误差的影响，图9给出了不同含水率时，涡街流量计在5～80 m3/d测量范围内的平均相对误差。可以看出，当含水率低于40%时，涡街流量计的测量最大相对误差为4.8%，主要原因在于含水率较低时，充分混合的油水两相介质形成了油包水的乳状液，两相斯特劳哈尔数呈现非线性变化，从而带来测量误差；当含水率高于40%时，涡街流量计的测量逐渐趋于稳定，相对误差小于2.5%，这一现象是由于随着含水率提升，转变为水包油乳状液，水相中的油泡较小且分布均匀，介质流态变好，测量精度也得到改善[23-24]。

图9 不同含水率下的平均测量误差

在井下涡街流量计试验过程中，由于机械振动以及外部环境会对压电传感器产生干扰，因此在没有流量通过时依然会产生一定的振动，通过傅里叶变换后表现为均布在整个频域的白噪声。将各测试条件下的示波器波形进行整合，通过对比发现：当油水比例固定时，在频域分析中，旋涡脱落所对应的频率峰值随流量增大而增大，如图10所示；当流量一定时，在频域分析中，旋涡脱落所对应的频率峰值随含水率升高而升高，如图11所示。上述现象说明，该涡街流量计应用于高含水、大流量的工作环境中具有较强的抗干扰性。反之，当流量较小或含水率较低的情况下，探头检测到的被测介质经旋涡发生体分离后产生的振动所对应的频率值与系统噪声产生振动的频率值较为接近，如图12所示，无法明显区分，可能会导致单片机所采集到的有效流量值对应频率不准确，从而产生了在小流量或低含水率情况下，测试精度下降的现象，因此需要对最小流量进行限制。

图10 相同含水率下的振幅随流量增大而增强

图11 相同流量下的振幅随含水率升高而增强

图12 无明显振动频率波形

6 结 论

本文基于卡门涡街原理研制了一种应用于采油井井下的涡街流量计，并对其在充分混合的油水两相介质中的性能进行了试验测试。通过地面循环试验平台，让不同流量、不同含水率的油水两相介质流经涡街流量计，并通过与参考流量计的对比评价涡街流量计的测量性能。清水标定试验发现，本文研制的涡街流量计在5～80 m3/d范围的流量测量误差小于1%。油水两相介质测试试验发现，在不同含水率的油水两相介质中，流量与涡街脱落频率能够进行良好的拟合；当含水率低于40%时，最大测量误差小于5%；当含水率高于40%时，测量误差小于2.5%。此外，试验发现大流量通过涡街流量计时能够减弱环境噪声带来的影响，提高涡街流量计的测量精度。根据上述试验结果以及油田井下流量测量需求可以得出，本文中所研制的油田井下涡街流量计，在在清水介质中标定后，不需要进行额外修正便能够应用于不同含水率的油水两相介质流量测量中。