摘要(yào):針對油井(jing)分層監測(cè)與開采過(guo)程中的井(jǐng)下充分混(hùn)合的油水(shuǐ)兩相介質(zhi)流量測量(liang)問題，一種(zhong)基于卡門(men)渦街原理(lǐ)的采油井(jing)井下渦街(jiē)流量計 。搭(da)建了地面(miàn)測試系統(tǒng)對其工作(zuò)性能進行(háng)試驗，首🏃‍♂️先(xian)利用⚽清水(shuǐ)💃🏻介質對流(liu)量計進行(háng)标定，然後(hòu)探究流🤞量(liang)計在充分(fèn)混合的油(yóu)水兩相介(jiè)質中的測(cè)量精度。試(shi)驗研究發(fā)現，渦街流(liú)量計在充(chōng)分混🚩合的(de)油水兩📧相(xiang)介質中的(de)流量測量(liàng)值略低于(yu)實際流量(liang);在相同流(liú)量下，降低(dī)兩相介質(zhì)的含水率(lü)會導緻 渦(wō)街流量計(jì) 的旋渦脫(tuo)落頻率降(jiang)低;此外，大(dà)流量工作(zuò)狀态下，環(huán)☂️境振動對(dui)測量結果(guǒ)的影響被(bèi)減弱。與采(cai)油井井下(xià)流量的測(cè)試需求相(xiàng)對照，渦街(jiē)流量計能(néng)夠在清水(shui)✨标定、不需(xu)額外修正(zheng)的情況下(xia)，完成采油(yóu)井井下充(chong)分混合的(de)油水兩相(xiàng)介質的流(liú)量測量。
引(yin)言
　　油井分(fèn)層開采一(yī)方面可降(jiàng)低産液綜(zong)合含水率(lü)，提高原❌油(yóu)産量;另一(yi)方面還可(kě)有效保持(chi)油層均衡(héng)開❓采，提⁉️高(gāo)原油采收(shou)率。因此⭐，一(yi)套适用于(yú)采油井井(jing)下的流量(liang)測試技術(shù)，可以實現(xiàn)各油層産(chǎn)量的正确(què)監測，爲産(chǎn)層可控生(shēng)産🔆提供數(shu)據支持。雖(suī)然✉️電磁、超(chāo)聲等流量(liàng)計已經在(zài)各個工業(ye)領域得到(dao)🔴大規模應(ying)用，但在充(chong)分混合🐆的(de)油水兩相(xiang)介🤟質的流(liu)量測試中(zhong)，往👌往因油(yóu)污大、被測(ce)介質組分(fen)複雜、井下(xia)工況複雜(zá)等因素，導(dao)緻測量結(jie)果及精度(du)出現較大(dà)偏差。渦街(jiē)流量測量(liang)作爲一種(zhong)介質适應(ying)性好、結構(gòu)簡單、操作(zuò)方❗便的流(liú)量測量技(ji)術，已在👌油(yóu)田注水井(jǐng)測🔞試等涉(shè)及流量監(jiān)測的工藝(yi)領域得到(dao)了成功應(yīng)用。
　　本文将(jiang)首先設計(ji)一種适合(hé)采油井井(jing)下狹小空(kong)間安裝的(de) 智能渦街(jie)流量計 ，并(bìng)針對采油(yóu)井中充分(fèn)混合的油(you)水兩相介(jiè)質進行地(dì)面模拟試(shi)驗，獲得油(yóu)水介質含(han)水率對采(cai)油井井下(xià)渦🌐街流量(liàng)計🏃‍♂️測量特(te)性的影響(xiang)規律。
1渦街(jiē)流量計測(ce)量原理
　　如(rú)圖1所示，在(zài)被測流體(ti)中垂直插(chā)入一個非(fēi)流線型截(jié)面的旋渦(wo)發生體，流(liú)體的流動(dong)狀态受其(qi)影響并在(zai)下🧡遊産生(shēng)一系列旋(xuán)渦。當兩排(pái)旋渦之間(jian)的間距h與(yǔ)同排⛹🏻‍♀️中兩(liang)相鄰旋渦(wō)的間距l之(zhī)比滿足h/l=0.281時(shi)，可以得到(dào)穩定且交(jiāo)替排列的(de)旋渦。将🥵旋(xuan)渦分離頻(pin)率f定義⚽爲(wèi)單位時間(jiān)從旋渦發(fa)生體下遊(yóu)分離♋的旋(xuan)渦數目，理(li)論和試驗(yan)研‼️究均已(yi)證明，旋🆚渦(wo)分離頻率(lü)與流體速(su)度v成正🈲比(bi)，且與旋渦(wō)發生體迎(ying)流面的寬(kuan)度d成反比(bi)，即:
f=SrAv/d(1)
　　式中，f爲(wei)旋渦脫落(luo)頻率，Hz;Sr爲斯(si)特勞哈爾(er)數(無量綱(gāng));A爲流道尺(chi)📱寸系數;v爲(wèi)旋渦發生(sheng)體兩側的(de)流速，m/s;d爲旋(xuán)渦發生體(ti)迎流面的(de)寬度，m。
　　一旦(dàn)旋渦發生(shēng)體和流道(dao)的幾何尺(chǐ)寸确定，旋(xuan)渦脫落頻(pin)⁉️率即與流(liu)體流速構(gòu)成簡單的(de)正比關系(xì)，因此通過(guò)檢測旋渦(wō)的脫落頻(pín)率便可測(ce)得流速，并(bìng)以此獲得(dé)流體的流(liu)量。

2井下(xia)渦街流量(liàng)計整體結(jie)構
　　本文的(de)渦街流量(liang)計主要用(yòng)于集成在(zai)油井智能(néng)配産器中(zhōng)，智能配産(chan)器外徑114mm、内(nèi)通徑46mm，内部(bu)集成有流(liú)量計、含水(shui)率測量、電(diàn)控可調💰閥(fá)嘴、載波通(tong)信等模塊(kuai)，且所有模(mo)塊均隻能(neng)安裝在智(zhi)能配産器(qi)狹小的環(huán)形💘空間内(nei)。當🛀智能配(pèi)産器随油(yóu)管下入指(zhǐ)定的油層(céng)後，其将測(cè)得的各油(yóu)層産液量(liàng)、含水率通(tōng)過載波通(tong)信模塊和(he)電纜傳輸(shū)至地面，生(sheng)産人員遵(zūn)循“減小❌高(gāo)含水層産(chan)液量，增加(jiā)低含水層(céng)産液量”的(de)基本原則(zé)對各油層(ceng)的産出液(yè)流量進行(háng)調控，非常(chang)終實現油(you)井❌增油控(kòng)水🍉的目的(de)。基于渦街(jiē)流量計的(de)測量原理(li)與安裝空(kong)間要求，本(ben)文渦街流(liu)量計如圖(tu)2所示。渦街(jiē)流量計主(zhǔ)要由流量(liàng)計主體、旋(xuan)渦發生體(tǐ)、壓電晶體(ti)探頭、過液(ye)管、壓闆等(děng)部件組成(cheng)。其中🈲，過液(yè)管内徑爲(wèi)15mm，流量計主(zhu)體👄與過液(ye)管、旋渦發(fa)生體與過(guo)液🛀🏻管之間(jiān)通✍️過焊接(jie)固定，壓電(dian)晶體探頭(tóu)與流量計(jì)主體、流量(liàng)計主體與(yǔ)壓闆之間(jian)設🈲置相應(ying)的💞O型密封(fēng)圈，以保證(zheng)渦街流量(liàng)計在井下(xià)20～50MPa高壓環境(jing)下的可靠(kao)密💃🏻封。

3井下渦(wō)街流量計(jì)的檢測電(diàn)路
　　井下渦(wo)街流量計(jì)檢測電路(lu)框圖如圖(tu)3所示，渦街(jie)流㊙️量計🌏壓(yā)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼電晶體探(tàn)頭在旋渦(wo)的沖擊下(xia)輸出電壓(ya)信号，該電(diàn)壓信号🙇🏻經(jing)由放大☁️器(qi)及低通濾(lü)波器處理(lǐ)後傳遞給(gěi)🔴單片機，單(dān)片機對數(shù)據進行傅(fu)👈裏葉變換(huàn)，從而獲得(dé)漩渦脫落(luò)頻👈率。在壓(ya)電晶體探(tan)頭與渦街(jie)流量電控(kòng)系統💃連接(jie)的同時，并(bing)聯一台示(shi)♋波器對壓(ya)電晶體探(tàn)頭的輸出(chū)電壓波形(xing)進行測試(shì)。

　　渦(wo)街流量計(ji)的檢測電(dian)路圖如圖(tú)4所示，壓電(dian)晶體輸出(chu)的微弱電(diàn)信号經過(guo)2級精度運(yùn)算放大器(qi)AD8608處理，第1級(ji)放大105倍，第(dì)2級放大500倍(bei)。放大後的(de)信号再經(jing)由AD7091Ｒ芯片進(jìn)行模數轉(zhuan)換。AD7091Ｒ芯片在(zài)3.3V下功耗非(fēi)常低，且内(nei)置一個2.5V基(ji)準電壓源(yuan)，能夠實現(xian)低漂移、精(jing)度的模數(shù)轉換。且運(yun)算放大器(qì)的輸出電(dian)壓爲0.1～2.4V，而AD7091Ｒ輸(shū)入電壓要(yao)求範圍爲(wei)0～2.5V，配合使用(yong)可以擁有(you)100mV的安全餘(yú)量，符合使(shi)用需求。

　　2級放大處(chu)理後的電(dian)壓波形圖(tu)如圖5中的(de)下面黃波(bō)形曲線所(suo)示📱，上面白(bai)色波形則(zé)代表信号(hào)經過傅裏(li)🛀🏻葉變⛷️換後(hou)✍️在頻域内(nèi)的分布情(qíng)況，其中，白(bai)色波形中(zhong)非常高峰(fēng)值所對應(yīng)的頻率便(bian)🛀🏻是旋渦脫(tuo)落頻率，通(tong)過建立該(gai)頻率與流(liu)速的對應(ying)關系即可(ke)👨‍❤️‍👨對井下渦(wō)🏃‍♂️街流量計(jì)進行标定(dìng)。

4充分混合(hé)的油水兩(liang)相介質流(liú)量測試系(xì)統
　　本文搭(dā)建的充分(fen)混合的油(yóu)水兩相介(jie)質流量測(cè)試系統組(zǔ)成如圖6所(suǒ)示，由油水(shuǐ)儲存區、油(you)水分離區(qū)、流❄️量計測(cè)試區3個✏️主(zhu)要☁️功能區(qu)塊組成。油(yóu)和水分别(bie)儲存在油(yóu)水儲存區(qu)的油罐和(hé)水罐中，需(xu)🐇要進行試(shì)驗時，按預(yù)定比例将(jiāng)油♋/水兩種(zhǒng)介質吸入(ru)混合罐中(zhōng)，進入流量(liàng)測試區。兩(liang)相介質在(zài)混合罐内(nei)進行充分(fèn)混合，随後(hou)在泵的推(tui)動下流經(jing)渦街流量(liang)計與參考(kao)流量計，随(sui)後重新流(liu)回混合🌈罐(guan)内，完成一(yī)個循環。試(shi)驗初期由(yóu)于油水混(hùn)合不均勻(yún)，管道内含(hán)有㊙️氣體等(děng)原因，流量(liàng)計示數往(wang)往波動較(jiào)大，因此系(xì)統穩定運(yun)行10min後，待流(liú)量計讀數(shu)穩定後再(zài)進行讀取(qǔ)，記錄渦街(jie)流量計旋(xuán)渦脫落頻(pin)率與參考(kǎo)流量計流(liu)量示數。數(shu)據記錄完(wán)畢後，打開(kāi)參考流量(liàng)計與油水(shuǐ)分離器間(jian)的👣閥門，同(tong)時關閉其(qi)與混合罐(guan)之間的閥(fa)🌂門，使得介(jiè)質全部流(liú)入油水分(fen)離🔞區進行(háng)分離，分離(lí)完成的油(you)/水介質分(fen)别吸入油(you)罐和水罐(guàn)中🐇，用于下(xia)一次試驗(yan)。

　　在完成一(yi)組試驗後(hou)，在混合罐(guan)内吸入足(zú)量的水，并(bing)以非常😍大(da)流量在流(liú)量測試區(qu)内循環，清(qing)洗過液管(guan)，清洗💋時間(jiān)持續10min以上(shàng)。完成清洗(xǐ)後，液體排(pai)放至油水(shuǐ)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼分離區進(jìn)行分離。
5試(shi)驗數據及(ji)分析
5.1清水(shui)标定試驗(yan)
　　标定試驗(yàn)中通過改(gai)變泵的輸(shu)出流量來(lái)改變流量(liàng)⁉️計㊙️的工作(zuo)環境，以 帶(dài)溫壓補償(chang)渦街流量(liang)計 的旋渦(wō)脫落頻率(lǜ)與參考流(liu)量計的流(liu)量爲變量(liàng)，對流量❌計(ji)🤟特性進行(hang)線性拟合(he)。本文中所(suǒ)使用的油(yóu)相介質爲(wei)15#工💃業白油(yóu)，運🤞動粘度(dù)13.5mm2/s(40℃)，參考流量(liàng)計類型爲(wei)渦輪流量(liàng)計，由于✂️流(liu)量測量範(fàn)圍🏃🏻‍♂️較大，因(yin)此選擇測(cè)量範圍爲(wei)4.8～28.8m3/d以及14.4～144m3/d的2台(tái)參考流量(liàng)計進行标(biāo)定，參考流(liú)量💋計的精(jing)度爲5‰。清水(shui)标定試驗(yàn)數據見表(biǎo)1、表2所示，拟(nǐ)合曲線如(ru)圖7所示。由(yóu)此可見，本(ben)文井下渦(wo)街流量💜計(jì)具有良好(hǎo)的⭐重複性(xing)✍️，且相對誤(wu)差小于1%。

5.2油(yóu)水兩相介(jie)質測試
　　對(dui)标定好的(de)井下渦街(jiē)流量計進(jin)行充分混(hùn)合的油🚩水(shuǐ)兩相介質(zhi)📧測試，主要(yào)測試井下(xia)渦街流量(liang)計在不同(tóng)含水率♊介(jiè)質以及不(bú)同流量下(xià)的測量精(jīng)度，不同含(han)水率介質(zhi)中的流量(liàng)測量結果(guo)如圖8所示(shi)。可以看出(chū)，在兩相介(jiè)質中，渦街(jie)流量計的(de)測量流📐量(liàng)值始終低(dī)于參考流(liu)量計流量(liang)值，這是由(you)于2種⛱️介質(zhì)混合後🔆，整(zhěng)體粘度變(biàn)大，流體流(liu)态發生💛改(gai)變，因此斯(sī)特🔴勞哈爾(ěr)數發生一(yī)定程度變(bian)化㊙️。

　　爲進一(yi)步分析含(han)水率對測(ce)量誤差的(de)影響，圖9給(gěi)出了❌不同(tong)含水率時(shí)，渦街流量(liang)計在5～80m3/d測量(liàng)範圍内的(de)平均相對(duì)誤差。可🤩以(yǐ)看出，當含(hán)水率低于(yu)40%時，渦街流(liu)量計的測(cè)量非常大(da)相對誤差(chà)爲4.8%，主要原(yuan)⭕因在于含(han)水率較低(di)時，充分混(hun)合的油水(shuǐ)兩相介質(zhi)形成了油(yóu)包水的乳(ru)狀液，兩相(xiang)斯特勞哈(hā)爾數呈現(xian)非線性變(bian)化，從而帶(dài)來測量誤(wu)差;當含水(shuǐ)率高于40%時(shí)，渦街流量(liang)計的測量(liang)逐漸趨于(yú)穩定，相對(duì)誤差小于(yú)2.5%，這一現象(xiàng)是由于随(sui)着含水率(lü)提👄升，轉變(biàn)爲水包油(yóu)乳🏃‍♂️狀液，水(shui)相中的油(yóu)泡較小且(qiě)分布均勻(yún)，介🌍質流态(tai)變好，測量(liang)精度也得(de)到改善。

　　在(zai)井下渦街(jiē)流量計試(shi)驗過程中(zhōng)，由于機械(xiè)振動以及(jí)✂️外💞部環境(jìng)會對壓電(dian)傳感器産(chǎn)生幹擾，因(yīn)此在沒有(yǒu)流⛱️量通過(guo)時依然🛀🏻會(hui)産生一定(dìng)的振動，通(tōng)過傅裏葉(yè)變換後表(biǎo)現爲均布(bu)✨在整個頻(pin)域的白噪(zào)聲。将各測(ce)試條件🈲下(xià)的示波器(qì)波形進行(hang)整合，通過(guò)對比發💋現(xian):當油水比(bi)例固定時(shí)，在頻域分(fèn)析中，旋渦(wo)脫落所對(dui)應的頻率(lǜ)峰值随流(liu)量增大而(er)增大，如圖(tu)10所示;當流(liu)量一定時(shí)，在頻域分(fen)析中，旋渦(wō)脫落所對(dui)應的頻🍉率(lü)峰值随含(hán)水率升高(gao)而升高，如(rú)圖11所示。上(shang)述現象說(shuō)明，該渦街(jiē)流量計應(yīng)☔用于高含(han)水、大流量(liàng)的工作環(huán)境中具有(yǒu)較強的抗(kang)幹😘擾性。反(fan)之，當流量(liang)較小或🏃🏻‍♂️含(han)水率較低(di)的情況下(xia)，探🔞頭檢測(ce)到的被測(cè)介質經旋(xuán)渦發生體(ti)分離後産(chǎn)生的振動(dong)所對應的(de)頻率值與(yǔ)系統噪❌聲(sheng)産生振動(dòng)的頻率值(zhí)較爲接近(jìn)，如圖12所示(shì)，無法明顯(xiǎn)區分，可能(neng)會導緻單(dan)片機所采(cǎi)集到的有(yǒu)效流量值(zhi)對應頻率(lǜ)不準确，從(cóng)而産生了(le)在小流量(liang)或低含水(shui)率情況下(xia)，測試精度(du)下降的現(xiàn)象，因此需(xū)要對非常(chang)小流量進(jìn)行☂️限制。

6結(jie)論
　　本文基(ji)于卡門渦(wo)街原理一(yi)種應用于(yu)采油井井(jing)下的渦💰街(jiē)流⭐量計，并(bìng)對其在充(chong)分混合的(de)油水兩相(xiàng)介質中的(de)性能進行(hang)了試驗測(ce)試。通過地(dì)面循環試(shì)驗平台，讓(ràng)🏃‍♂️不同流💜量(liàng)、不同含水(shui)率的油水(shuǐ)兩相介質(zhì)流經渦街(jie)流量計，并(bìng)通過與參(can)考流量計(ji)的對比評(ping)價渦街流(liu)量計的測(cè)量性能。清(qing)水标定試(shì)♋驗發現，、渦(wo)街流量計(jì)在5～80m3/d範圍的(de)流量測量(liang)誤差小于(yú)1%。油水兩相(xiàng)介質測試(shi)試🌈驗發現(xian)💁，在不同含(hán)水率的🏃‍♀️油(you)水兩相介(jie)質中，流量(liàng)與渦街脫(tuō)落頻率能(neng)夠進行良(liáng)好的拟合(he);當🌍含水率(lǜ)低🚶‍♀️于40%時，非(fei)常大✔️測量(liang)誤差小于(yu)5%;當含水率(lü)高于40%時，測(cè)量誤差小(xiao)🐅于2.5%。此外🔞，試(shi)驗發現大(da)流量通過(guò)渦街流量(liang)計時能夠(gòu)減弱環境(jìng)噪聲帶來(lai)的影響，提(ti)高💛渦街流(liu)量計的測(ce)量精度💃。根(gen)據☁️上述試(shì)驗結果以(yi)及👌油田井(jing)下流量測(ce)量需求可(kě)以得🏒出，本(ben)文中油田(tian)井下渦街(jiē)流量計，在(zai)在清水介(jiè)質中标定(dìng)後，不需要(yào)進😍行額外(wai)修正便能(néng)夠應用于(yu)不同含水(shuǐ)率的油水(shui)兩相介質(zhì)流量測量(liang)中。

以上内(nei)容源于網(wǎng)絡，如有侵(qīn)權聯系即(jí)删除!