摘要(yao):針對油井(jing)分層監測(ce)與開采過(guò)程中的井(jing)下充分混(hùn)合的油水(shui)兩相介質(zhi)流量測量(liang)問題，一種(zhǒng)基于卡門(mén)渦街原理(li)的采油井(jing)井下渦街(jiē)流量計 。搭(dā)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(liú)量計進行(hang)标定，然後(hou)探究流量(liang)計在充分(fen)混合的🙇🏻油(yóu)水💃🏻兩相介(jiè)質中的測(cè)量精度。試(shì)驗研🌈究發(fa)現，渦街流(liu)量計在充(chōng)分混合的(de)油水兩相(xiang)介質中的(de)流量測💞量(liang)值略低于(yú)實際流量(liàng);在相同流(liu)量下，降低(di)🍓兩相介質(zhì)的含水率(lü)會導緻 渦(wo)街流量計(ji) 的旋渦脫(tuō)落頻率降(jiang)低;此外，大(da)流量工作(zuò)狀态下，環(huan)境振動對(duì)測量結果(guo)的影響被(bei)減弱。與采(cǎi)油井井下(xia)流量的測(ce)試需求相(xiàng)對照，渦街(jiē)流量計能(néng)夠在清水(shuǐ)❤️标定、不需(xū)額外修正(zhèng)的情況下(xià)，完成采油(you)井井下充(chong)分混合的(de)油水兩相(xiàng)介質的流(liu)☁️量測量。
引(yǐn)言
　　油井分(fen)層開采一(yi)方面可降(jiàng)低産液綜(zōng)合含水率(lǜ)，提高原油(you)🐕産量☔;另一(yī)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(yī)套适用于(yú)采油井井(jǐng)下🚶‍♀️的流量(liang)測試技術(shù)，可以實現(xian)各油層産(chan)量的正确(què)監測，爲産(chǎn)層♋可控生(sheng)産提供數(shu)據支持。雖(suī)然電磁、超(chāo)聲等流量(liang)計已經在(zai)各個工業(ye)領域得到(dào)大規模應(ying)用🤩，但在充(chong)分混合的(de)油水兩相(xiàng)介💃質的流(liu)量測試中(zhōng)，往往因油(yóu)污大、被測(cè)介質組💚分(fèn)複雜、井👄下(xia)工況複雜(za)等因素，導(dǎo)緻測量結(jié)果及精度(du)出現較大(dà)偏差。渦街(jiē)流量測量(liàng)作爲一種(zhong)介質适應(yīng)性🛀🏻好、結構(gou)簡單、操作(zuò)方便的流(liú)量測量技(jì)術，已在油(you)田注水井(jǐng)測試等涉(she)及🌈流量監(jiān)測的✔️工藝(yi)領域得到(dào)了成功應(ying)用。
　　本文将(jiāng)首先設計(ji)一種适合(hé)采油井井(jing)下狹小空(kōng)間💘安裝的(de) 智能渦街(jiē)流量計 ，并(bìng)針對采油(you)井中充分(fèn)混合的油(yóu)水兩相介(jie)質進行地(dì)面模拟⛹🏻‍♀️試(shi)驗，獲得油(you)水介質含(han)水率對采(cai)油井井💚下(xià)渦街流🧡量(liang)計測量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻特(tè)性的影響(xiang)規律。
1渦街(jiē)流量計測(ce)量原理
　　如(ru)圖1所示，在(zai)被測流體(ti)中垂直插(cha)入一個非(fei)流線型截(jie)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(xuan)渦🌂。當兩排(pai)旋渦之間(jiān)的間距h與(yu)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(jiao)替排列的(de)旋渦。将旋(xuán)渦分離⭕頻(pin)率f定義😄爲(wèi)單位時間(jian)🚶從旋渦發(fā)生體下遊(you)分離的旋(xuán)渦數目，理(lǐ)論和試驗(yan)研究均已(yǐ)證明，旋渦(wō)分離頻率(lǜ)與流體🐪速(sù)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(bǐ)，即:
f=SrAv/d(1)
　　式中，f爲(wèi)旋渦脫落(luò)頻率，Hz;Sr爲斯(si)特勞哈爾(ěr)數(無量綱(gang));A爲流道尺(chi)㊙️寸系數;v爲(wèi)旋渦發生(shēng)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(dan)旋渦發生(sheng)體和流道(dào)的幾何尺(chi)寸确定，旋(xuán)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(pin)率便可測(ce)得流速，并(bing)以此獲得(de)流體的流(liu)✨量。

2井下(xià)渦街流量(liàng)計整體結(jié)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(chǎn)器外徑114mm、内(nèi)通徑46mm，内部(bù)集成有流(liu)量計、含水(shuǐ)率測量🆚、電(dian)控可調閥(fá)嘴、載波通(tōng)信等模塊(kuài)，且所有模(mo)塊均隻能(néng)安裝在智(zhi)能配産器(qi)狹小的環(huan)形🈲空間内(nei)。當❄️智能配(pèi)産器随油(yóu)管下入指(zhǐ)定的油層(ceng)後，其将測(cè)得的各油(yóu)層産液🈚量(liang)、含水率通(tōng)過載波通(tong)信模塊和(he)電纜傳輸(shu)至地面，生(sheng)産人員遵(zun)循“減小高(gao)含水層産(chǎn)液量，增加(jiā)低含水層(céng)産液量”的(de)基本原則(ze)對各📐油層(céng)的産出液(ye)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(jie)流量計的(de)測量原理(lǐ)與安裝空(kōng)間要求，本(běn)文渦街流(liú)量計如圖(tú)2所示。渦街(jiē)流💔量計主(zhu)要由流量(liàng)計主體、旋(xuan)渦發生體(tǐ)、壓電晶體(tǐ)探頭、過液(yè)管、壓闆等(deng)部件組成(cheng)。其中‼️，過液(ye)管内徑爲(wei)15mm，流量計主(zhǔ)體⛱️與過液(yè)管、旋渦發(fā)生體與過(guo)🈲液管之間(jiān)通🌏過焊接(jiē)固定，壓電(diàn)晶體探頭(tóu)與流量🏃🏻‍♂️計(jì)主體、流量(liàng)計主體與(yǔ)壓闆之間(jiān)設置相應(ying)的O型密封(feng)圈，以保證(zheng)渦街流👈量(liang)計在井下(xià)20～50MPa高壓環境(jing)下的可靠(kào)密🈲封。

3井下渦(wō)街流量計(ji)的檢測電(diàn)路
　　井下渦(wō)街流量計(jì)檢測電路(lù)框圖如圖(tu)3所示，渦街(jie)流量計☔壓(ya)電💰晶體探(tàn)頭在旋渦(wō)的沖擊下(xià)輸出電壓(yā)信号，該電(diàn)壓信号經(jīng)由放大器(qi)及低通濾(lü)波器處理(lǐ)後傳遞給(gei)單片機，單(dān)片機對數(shu)據進行傅(fù)裏葉變換(huàn)，從而獲得(dé)漩渦脫落(luo)頻率。在壓(ya)電晶體探(tàn)頭與渦街(jiē)流量電控(kòng)系統連接(jiē)的同時🌈，并(bing)聯一台示(shi)波器對壓(ya)電👄晶體探(tan)頭的輸出(chu)電壓波形(xing)進行測試(shì)。

　　渦(wō)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(guò)2級精度運(yùn)算放大器(qi)AD8608處理，第1級(ji)放大105倍💰，第(di)2級放大500倍(bèi)。放♈大後的(de)信号再經(jing)由AD7091Ｒ芯片進(jìn)行模數轉(zhuǎn)換。AD7091Ｒ芯片在(zài)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻3.3V下功耗非(fei)常低，且内(nei)置一個2.5V基(jī)準電壓源(yuan)，能夠實現(xiàn)低漂移、精(jing)度的模數(shu)轉換。且🔅運(yùn)算放大器(qi)的輸出電(diàn)壓爲0.1～2.4V，而AD7091Ｒ輸(shū)入電壓要(yào)求範圍爲(wèi)0～2.5V，配合使用(yòng)🔞可以擁有(you)100mV的安全餘(yu)量，符合使(shi)用需求🐅。

　　2級放大處(chu)理後的電(diàn)壓波形圖(tú)如圖5中的(de)下面黃波(bō)形曲線🌍所(suǒ)示，上面白(bai)色波形則(ze)代表信号(hào)經過傅裏(li)葉變🔞換後(hòu)在頻域内(nei)的分✔️布情(qing)況，其中，白(bái)色波形中(zhong)非常高峰(fēng)值所對應(ying)的頻率便(biàn)是旋渦脫(tuō)落頻率，通(tōng)🚶過建立該(gāi)🎯頻率與流(liu)🔱速的對應(ying)關系即可(kě)對井下渦(wo)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(fèn)混合的油(you)水兩相介(jie)質流量測(cè)試系統組(zu)成🎯如圖6所(suǒ)示，由油水(shui)儲存區、油(yóu)水分離區(qū)、流量計測(ce)試區3個主(zhǔ)要♋功能區(qu)塊組成。油(yóu)和水分别(bié)儲存在油(you)水儲存區(qū)的油罐和(hé)水罐中，需(xu)要進行試(shi)驗時，按預(yu)定比例将(jiāng)油/水兩種(zhong)介質吸入(ru)混合罐中(zhōng)，進入流量(liàng)測試區。兩(liang)相介質在(zai)混合罐内(nei)進行充分(fen)混🏃🏻‍♂️合，随後(hòu)在泵的♍推(tui)動下流經(jing)渦街流量(liang)計與參考(kao)流量計，随(suí)後重新流(liú)回混合㊙️罐(guàn)内，完成一(yi)個循環。試(shi)驗初期由(yóu)于油水混(hùn)合不均勻(yun)，管道内含(hán)🔅有氣體等(děng)原💔因，流量(liàng)計示數往(wǎng)往波動較(jiào)大，因此系(xì)統穩定運(yun)行10min後，待流(liu)量計讀數(shù)💯穩定後再(zai)進行讀取(qu)，記錄渦街(jiē)流量計旋(xuan)渦脫落頻(pín)率與參考(kao)流量計流(liú)量示數。數(shu)據🐕記錄完(wán)畢後，打開(kai)參考流量(liàng)計與✔️油水(shuǐ)分離器間(jian)的閥門，同(tóng)時👄關閉其(qí)與混合罐(guàn)之間的閥(fá)門🌈，使得介(jie)質全部流(liu)入油水分(fèn)離區進行(háng)分離，分離(li)完成的油(you)/水介質分(fèn)别吸入油(you)罐和水罐(guan)中，用于下(xia)一次試驗(yan)。

　　在完成一(yī)組試驗後(hòu)，在混合罐(guan)内吸入足(zú)量的水，并(bing)以非常大(da)☁️流量在流(liu)量測試區(qu)内循環，清(qing)洗過液管(guǎn)，清洗時間(jiān)持續10min以上(shang)。完成清洗(xǐ)後，液體排(pai)放至油水(shui)分離區進(jìn)行分離。
5試(shi)驗數據及(jí)分析
5.1清水(shuǐ)标定試驗(yan)
　　标定試驗(yan)中通過改(gǎi)變泵的輸(shū)出流量來(lai)改變流量(liàng)計的工作(zuò)環境，以 帶(dài)溫壓補償(cháng)渦街流量(liang)計 的旋渦(wō)脫落頻率(lü)與參考流(liu)量計的流(liú)量爲變量(liang)，對流量計(jì)👈特🈲性進行(hang)線性拟合(he)。本文中所(suo)使用的油(you)相🧑🏾‍🤝‍🧑🏼介質爲(wèi)15#工業白油(yóu)，運動粘度(du)13.5mm2/s(40℃)，參考流量(liang)計類型爲(wèi)渦輪流量(liang)計，由于⭐流(liú)量測量範(fan)圍較大，因(yīn)此選擇測(ce)量範圍爲(wèi)4.8～28.8m3/d以及14.4～144m3/d的2台(tái)參考流量(liang)計進行标(biao)定，參考流(liu)量計的精(jing)度爲5‰。清水(shuǐ)标定試驗(yan)數據見表(biao)1、表2所示，拟(ni)合曲線如(rú)圖7所示。由(yóu)此可見，本(běn)文井下渦(wō)街流量🔆計(ji)具有良好(hao)的重複性(xing)，且相對誤(wu)差小于🏃‍♂️1%。

5.2油(you)水兩相介(jie)質測試
　　對(dui)标定好的(de)井下渦街(jie)流量計進(jìn)行充分混(hùn)合的油水(shui)兩相介質(zhì)測試，主要(yao)測試井下(xia)渦街流量(liang)計在不同(tong)含水率🥰介(jie)質以及不(bú)同流量下(xia)的測量精(jīng)度，不同含(han)水率⭐介質(zhì)中的流量(liang)🚩測量結果(guo)如圖8所示(shi)。可以看出(chū)，在兩相介(jie)質中，渦街(jiē)流量計的(de)測量流量(liang)值始終低(di)于參考流(liu)🔅量計流量(liang)值，這是由(you)于2種介質(zhi)混合後💃，整(zheng)體粘度變(bian)大✏️，流體流(liú)态發生改(gai)變，因此斯(sī)特勞哈👉爾(er)數發生一(yi)定程度變(biàn)化。

　　爲進一(yi)步分析含(hán)水率對測(cè)量誤差的(de)影響，圖9給(gei)出✔️了不同(tong)含水率時(shí)，渦街流量(liàng)計在5～80m3/d測量(liang)範圍内的(de)平均相👨‍❤️‍👨對(dui)誤🔞差。可以(yi)看出，當㊙️含(hán)水率低于(yú)40%時，渦街流(liu)量計的測(ce)量非常大(dà)相對☎️誤差(chà)爲4.8%，主要原(yuan)🚩因在于含(han)水🔴率較低(dī)時，充分混(hun)合🏃‍♀️的油水(shuǐ)兩相介質(zhì)形成了油(you)包水的乳(ru)狀液，兩相(xiang)斯特勞哈(ha)爾數呈現(xiàn)非線性變(biàn)化，從而帶(dài)來測量誤(wù)差;當含水(shui)率💔高于40%時(shi)，渦街流量(liàng)計的測量(liang)逐漸趨于(yu)穩定，相對(duì)誤差小于(yu)2.5%，這一現象(xiang)是由于随(suí)着含水率(lü)提升，轉變(biàn)爲水包油(yóu)乳狀液，水(shui)相中的油(you)泡較小且(qiě)分布均勻(yun)，介質流态(tài)變好，測📞量(liàng)精🐪度也得(de)到改善。

　　在(zai)井下渦街(jie)流量計試(shi)驗過程中(zhong)，由于機械(xie)振動以及(jí)外部環境(jing)☂️會對壓電(diàn)傳感器産(chǎn)生幹擾，因(yin)此在沒有(yǒu)流😄量通♌過(guò)時依然會(huì)産生一定(ding)的振動，通(tōng)過傅裏葉(ye)變換後表(biǎo)現爲均布(bu)在整個頻(pín)域的白噪(zao)聲。将各測(ce)試條件下(xià)的示波器(qì)波形進💃🏻行(háng)整合，通過(guo)對比發🛀🏻現(xian):當油水比(bǐ)💋例固定時(shí)，在🔞頻域分(fen)析中，旋渦(wō)脫落所對(dui)應的頻率(lü)峰值随流(liu)量增大而(er)增大，如圖(tú)10所示;當流(liú)量一定時(shi)，在頻✏️域分(fèn)析中，旋渦(wo)脫落所對(dui)應的頻率(lǜ)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(shuo)明，該渦街(jie)流量計應(yīng)🤞用于高☀️含(hán)水、大流量(liàng)的工作🧑🏽‍🤝‍🧑🏻環(huan)境中具有(you)較強的抗(kàng)幹擾性。反(fan)之，當流量(liang)較小或含(hán)水率較低(di)的情況下(xia)，探頭檢測(cè)到的被測(cè)介質經旋(xuan)渦發生體(tǐ)分離後産(chan)生的振動(dong)所對應的(de)頻率值與(yǔ)系統噪聲(sheng)産生振動(dong)的頻率值(zhí)較爲✔️接近(jin)，如圖12所示(shi)，無法明顯(xiǎn)區分，可能(neng)會導緻單(dan)片🌈機所采(cai)集到的有(yǒu)效流量值(zhí)對應頻🌂率(lǜ)不準确💔，從(cong)而産生了(le)在小流量(liang)或💚低含水(shui)率情況下(xià)，測✏️試精度(dù)下降的現(xian)象，因此需(xū)要對非常(cháng)小流量進(jin)行🌈限制。

6結(jie)論
　　本文基(jī)于卡門渦(wō)街原理一(yi)種應用于(yu)采油井井(jǐng)下的👄渦街(jie)流量計，并(bing)對其在充(chong)分混合的(de)油水兩相(xiang)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(rang)不同流量(liang)、不同含水(shui)率的油水(shuǐ)👨‍❤️‍👨兩相介質(zhì)流經渦街(jiē)流量計，并(bìng)通過與參(can)考流量計(jì)的對比評(ping)價渦街流(liu)量計♉的測(ce)量性能。清(qing)水标定試(shì)驗發現，、渦(wō)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(xiang)介質測試(shì)試驗發現(xian)，在不同含(hán)水率的油(yóu)水兩相介(jie)質中，流量(liàng)與渦街脫(tuō)落頻率能(néng)夠進行良(liang)好🤩的拟合(he);當😄含水率(lü)低👅于40%時，非(fei)常大測量(liàng)誤☂️差小于(yú)5%;當含水率(lǜ)高于40%時，測(cè)量誤差小(xiǎo)于2.5%。此外，試(shì)驗發現大(da)流💋量通過(guo)渦🏃‍♀️街流量(liang)計時能夠(gou)減弱環境(jìng)噪聲帶來(lái)的影響，提(tí)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(jǐng)下流量測(cè)量需求可(ke)以得出，本(ben)文🧑🏾‍🤝‍🧑🏼中油田(tián)井下渦街(jiē)流量計，在(zai)在清水介(jiè)質中标定(dìng)後，不需要(yao)⚽進🔞行額外(wài)修正便能(néng)夠應用于(yú)不同含水(shui)率的油水(shui)兩相介質(zhi)流量🚶‍♀️測量(liang)中。

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