摘要(yao):針對油井分(fen)層監測與開(kāi)采過程中的(de)井下充🚶‍♀️分混(hùn)合的油水兩(liang)相介質流量(liàng)測量問題，一(yi)種基于卡門(men)渦街原理的(de)采油井井下(xià)渦街流量計(ji) 。搭建了地面(miàn)測試系統對(dui)其工作性能(neng)進行試驗，首(shǒu)先利用💞清水(shui)介質對流量(liàng)計進行标定(ding)，然後探究流(liú)量計在充分(fèn)混合的⛷️油水(shui)兩相介質中(zhong)的測量精度(du)。試驗研究發(fā)現，渦街流量(liàng)計在⭐充分混(hùn)合的油水兩(liǎng)相介質中的(de)流量測🐪量值(zhí)略低于實際(ji)流量;在相同(tóng)🈲流量下，降低(dī)兩相介質的(de)♌含水率會導(dǎo)緻 渦街流量(liàng)計 的旋渦脫(tuō)落頻率降低(di);此外，大流量(liàng)工作狀态下(xià)，環境振動對(duì)測量結果的(de)影響被減弱(ruo)。與采油井井(jing)下流量的測(ce)試需求相☂️對(duì)照👅，渦街流量(liàng)計能夠在清(qīng)水标定、不需(xu)額外修正的(de)情況下，完成(chéng)采油井井下(xia)充分混合的(de)油水兩相介(jiè)質的流量測(ce)量。
引言
　　油井(jing)分層開采一(yi)方面可降低(di)産液綜合含(hán)水率，提🏃‍♀️高原(yuán)油🈲産量;另一(yī)方面還可有(you)效保持油層(ceng)均衡開采，提(ti)高原油采收(shou)率。因此😄，一套(tào)适用于采油(yóu)井井下的流(liu)量測試技術(shu)，可以實現各(ge)油層産量的(de)正确監測，爲(wèi)産層可控生(sheng)産提供數據(jù)支持。雖然電(diàn)磁、超聲等流(liú)量計已經在(zai)各個工業領(lǐng)域得到大規(gui)模應用，但在(zai)充分混合的(de)油水兩相介(jiè)🚶質的流量測(cè)試中，往往因(yīn)油污大、被測(ce)介質組分複(fu)雜、井下工況(kuang)複雜等🈲因素(su)，導緻測量結(jie)果及精度出(chu)現較大偏☁️差(chà)。渦街流量測(cè)量作爲一種(zhǒng)介質适應性(xing)好、結構簡單(dān)、操作方便的(de)流量測量技(ji)術，已在油田(tián)注水井測試(shi)等涉及💚流量(liang)監測的工藝(yi)領域得到了(le)成功應用。
　　本(ben)文将首先設(shè)計一種适合(he)采油井井下(xia)狹小空間安(ān)👣裝的 智能渦(wo)街流量計 ，并(bìng)針對采油井(jǐng)中充分混合(he)的油水兩相(xiàng)介質進行地(dì)面模拟試驗(yan)，獲得油水介(jie)質含水率對(dui)采油井井下(xia)渦⛱️街流量計(ji)測量特性的(de)影響規律。
1渦(wo)街流量計測(ce)量原理
　　如圖(tu)1所示，在被測(ce)流體中垂直(zhí)插入一個非(fei)流線型📧截面(miàn)的旋渦發生(sheng)體，流體的流(liú)動狀态受其(qi)影響并在下(xià)遊産生一系(xì)列旋渦。當兩(liang)排旋渦之間(jiān)的間距h與同(tóng)排✨中兩相鄰(lín)旋渦的間距(jù)l之比滿♻️足h/l=0.281時(shi)，可以得到穩(wěn)定且交替排(pái)列🌏的旋渦。将(jiāng)⛱️旋渦分離🔱頻(pin)率f定義爲單(dan)位時間從旋(xuan)渦發生😘體下(xia)遊分離的旋(xuán)渦數目，理論(lùn)和試驗研究(jiu)均已證明，旋(xuan)渦分離頻率(lǜ)與流體♋速度(du)v成正比，且與(yu)旋渦發生體(tǐ)迎流面的寬(kuān)度d成反比，即(ji):
f=SrAv/d(1)
　　式中，f爲旋渦(wō)脫落頻率，Hz;Sr爲(wei)斯特勞哈爾(ěr)數(無量綱);A爲(wèi)流道尺寸系(xì)數;v爲旋渦發(fa)生體兩側的(de)流速，m/s;d爲旋渦(wō)發生🌈體迎📧流(liú)面的寬度，m。
　　一(yi)旦旋渦發生(sheng)體和流道的(de)幾何尺寸确(què)定，旋渦脫落(luò)頻🔱率即與流(liú)體流速構成(cheng)簡單的正比(bi)關系，因此通(tōng)過檢測旋渦(wo)的脫落頻♻️率(lü)便可測得流(liu)速，并以此獲(huò)得流體的流(liu)量。

2井(jing)下渦街流量(liàng)計整體結構(gòu)
　　本文的渦街(jie)流量計主要(yao)用于集成在(zài)油井智能配(pèi)♋産器中🔅，智能(neng)配産器外徑(jing)114mm、内通徑46mm，内部(bù)集成有流量(liang)計、含水率測(cè)量、電控可調(diao)閥嘴、載波通(tong)信等模塊，且(qie)✏️所有模塊均(jun1)隻能安裝在(zai)智能配産器(qi)狹小的環形(xíng)空間内。當智(zhi)能配産器随(suí)油管☔下入指(zhi)定的油層後(hòu)🛀🏻，其将測得的(de)各油層産液(ye)量、含水率通(tōng)過載波通信(xìn)🌂模塊和電纜(lǎn)傳🧑🏽‍🤝‍🧑🏻輸至地面(miàn)，生産人員遵(zūn)循“減小高含(han)水層産液量(liang)，增加低含水(shui)層産液量”的(de)基本原則對(duì)各油層的産(chǎn)出液流量進(jin)行調控，非常(cháng)終實現油井(jǐng)增油控水的(de)目的。基于渦(wo)街流量計的(de)測量原理與(yu)🤩安裝空間要(yao)求，本文渦街(jie)流量計如圖(tu)2所示。渦街流(liú)量計主要由(you)流量計主體(ti)🌐、旋渦發生體(tǐ)、壓電晶體探(tan)頭、過液管、壓(ya)闆等部件組(zu)成。其中🐆，過液(ye)管内徑爲15mm，流(liu)量計主體與(yǔ)過液管、旋渦(wō)發生體與過(guo)液管之間通(tong)過焊接固定(ding)，壓電晶體探(tàn)頭與流量計(ji)主體、流量計(ji)👈主體與壓闆(pan)之間設置相(xiang)應的O型密封(fēng)圈，以保證渦(wō)街流量計在(zai)井下20～50MPa高壓環(huán)❄️境下的可靠(kào)密封。

3井下(xià)渦街流量計(ji)的檢測電路(lu)
　　井下渦街流(liú)量計檢測電(dian)路框圖如圖(tu)3所示，渦街流(liú)量計壓電晶(jīng)體探頭在旋(xuán)渦的沖擊下(xia)輸出電壓信(xìn)号，該電壓信(xìn)号經由🈲放大(da)器及低通濾(lǜ)波器處理後(hòu)傳遞給單片(pian)機🚶‍♀️，單片機💞對(dui)數據進行傅(fu)裏葉變換，從(cóng)而獲得漩渦(wō)脫落頻率。在(zài)壓電晶體探(tan)頭與渦街流(liu)🈲量電控系統(tong)連接的同時(shí)，并聯一台示(shi)🌈波器對壓電(diàn)晶體探頭的(de)輸出電壓波(bō)形進行測試(shì)。

　　渦街流量(liang)計的檢測電(diàn)路圖如圖4所(suo)示，壓電晶體(tǐ)輸出的微弱(ruò)電信号經過(guo)2級精度運算(suan)放大器AD8608處理(lǐ)，第1級放大105倍(bei)，第2級放大500倍(bei)。放大後的信(xin)号再經由AD7091Ｒ芯(xin)片進行模數(shu)轉換。AD7091Ｒ芯片在(zai)3.3V下功耗非常(chang)低，且内置一(yī)個☀️2.5V基準電壓(ya)源，能夠實現(xiàn)低漂移、精度(du)的模數轉換(huan)。且運算放大(da)器的輸出電(dian)壓爲0.1～2.4V，而AD7091Ｒ輸入(rù)電壓要求範(fan)圍爲0～2.5V，配合使(shǐ)用可以擁有(yǒu)100mV的安全餘量(liàng)，符合使用需(xu)求。

　　2級放大處理(li)後的電壓波(bō)形圖如圖5中(zhong)的下面黃波(bo)形💚曲線所示(shi)，上面白色波(bō)形則代表信(xin)号經過傅裏(lǐ)葉變換後在(zài)頻域内的分(fèn)🍓布情況，其中(zhong)，白色波形中(zhōng)⭕非常高峰值(zhi)所對應的🎯頻(pín)率便是旋渦(wō)⭐脫落頻率，通(tōng)過建立該頻(pín)率與流速的(de)對應關系即(jí)可♻️對井下渦(wo)街流量計進(jìn)行标定。

4充分(fen)混合的油水(shui)兩相介質流(liú)量測試系統(tong)
　　本文搭建的(de)充分混合的(de)油水兩相介(jiè)質流量測試(shì)系統組成如(rú)圖6所示，由油(yóu)水儲存區、油(yóu)水分離區、流(liu)量計測試區(qū)3個主要功能(néng)區塊組成。油(you)和水分别儲(chu)✊存在油水儲(chu)存區的油罐(guan)和水罐中，需(xu)要進行試驗(yan)時，按預定比(bǐ)例将油/水兩(liang)種介質吸入(rù)混合罐中，進(jìn)入流量測試(shì)區。兩相介質(zhì)在混合罐内(nèi)進行充分混(hùn)合，随後在泵(beng)的推動下流(liu)經渦街流量(liang)計與參考流(liu)量計，随後重(zhòng)新流回混合(hé)罐内，完成一(yī)個循環。試驗(yàn)初期由于油(you)水混合🔆不均(jun1)勻，管道内含(hán)有氣體等原(yuán)✏️因，流量計示(shi)數往往波🧑🏾‍🤝‍🧑🏼動(dòng)較大，因此系(xì)統穩定運行(háng)10min後，待流量計(jì)讀數穩定後(hòu)再進行讀取(qu)，記㊙️錄渦街流(liú)💯量計旋渦脫(tuo)落頻率與參(can)考🌍流量計流(liu)量示數。數據(ju)‼️記錄完畢後(hòu)，打開參考流(liu)量計與油水(shuǐ)分離器間的(de)閥門，同時關(guan)閉其與混合(he)罐之間♋的閥(fá)⛱️門，使得介質(zhi)全部流入油(you)水分離區進(jìn)行分離，分🔱離(lí)完成的油/水(shui)介質分别吸(xī)入油罐和水(shui)罐中，用于下(xia)一次試驗。

　　在(zai)完成一組試(shi)驗後，在混合(hé)罐内吸入足(zú)量的水，并以(yǐ)非常大流量(liàng)在流量測試(shì)區内循環，清(qing)洗過液管，清(qing)洗時間持續(xù)10min以上。完成清(qing)洗後，液體排(pái)放至油水分(fen)離區進行分(fèn)離。
5試驗數據(ju)及分析
5.1清水(shuǐ)标定試驗
　　标(biao)定試驗中通(tong)過改變泵的(de)輸出流量來(lai)改變流量計(jì)的工作環🥰境(jìng)，以 帶溫壓補(bu)償渦街流量(liàng)計 的旋渦脫(tuō)落頻率與參(cān)考流量計的(de)流量爲變量(liang)，對📧流量計特(te)性☀️進行線性(xing)拟合。本文中(zhōng)所使用的油(yóu)相介質爲15#工(gōng)業白油，運動(dong)粘度13.5mm2/s(40℃)，參考流(liú)量計類型爲(wèi)渦✔️輪流量計(ji)，由于🚩流量測(cè)量範圍較大(dà)，因此選擇測(ce)量範圍爲4.8～28.8m3/d以(yi)及14.4～144m3/d的2台參🏃考(kao)流量計進行(háng)标定，參考流(liu)量計的精度(dù)爲5‰。清水标定(dìng)試👨‍❤️‍👨驗數據見(jiàn)表1、表2所示，拟(nǐ)合曲線如圖(tu)7所示。由此可(kě)見，本文🐪井下(xia)渦街流量計(ji)具✍️有良好的(de)🐉重複性🎯，且相(xiàng)對誤差小于(yu)1%。

5.2油水兩相介(jiè)質測試
　　對标(biao)定好的井下(xia)渦街流量計(ji)進行充分混(hun)合的油水兩(liǎng)相介質🍉測試(shi)，主要測試井(jǐng)下渦街流量(liàng)計在不同含(han)水率介質以(yi)及不同流量(liang)下的測量精(jing)度，不同含水(shuǐ)率介質中的(de)流量測量結(jié)果如圖8所示(shi)。可以看出，在(zai)兩相介質中(zhōng)，渦街流量計(jì)的測量流量(liàng)值始終低于(yu)參考流量計(ji)流量值🐪，這是(shi)由于2種介質(zhì)混合後，整體(tǐ)粘度變大，流(liú)體流态發生(shēng)改變，因此斯(sī)特勞哈爾數(shu)發生一定程(chéng)⭕度變化。

　　爲進(jìn)一步分析含(han)水率對測量(liang)誤差的影響(xiǎng)，圖9給出了不(bú)同含水率時(shí)，渦街流量計(jì)在5～80m3/d測量範圍(wei)内的平均相(xiàng)對誤差。可以(yǐ)看出，當含水(shuǐ)率低于40%時，渦(wo)街流量🧡計的(de)測量非常大(dà)相對☂️誤差爲(wei)4.8%，主要原因在(zai)于含水率較(jiao)低時🐇，充分混(hun)合的油水兩(liǎng)相介質形成(cheng)了油包水的(de)乳狀液，兩相(xiàng)斯特勞🛀哈爾(er)數呈現非線(xiàn)性變化，從而(ér)帶來測量誤(wù)差;當含水率(lü)高于40%時，渦街(jiē)流量計的測(cè)量逐🏃🏻‍♂️漸趨于(yu)穩定，相對誤(wù)差小⭐于2.5%，這一(yi)現象是♋由于(yu)随着含水率(lü)提升，轉變爲(wei)水包油☎️乳✍️狀(zhuàng)液，水相中的(de)油泡較小且(qie)分布均勻，介(jie)質流态變好(hao)，測🈲量精度也(ye)得到改善。

　　在(zài)井下渦街流(liu)量計試驗過(guo)程中，由于機(jī)械振動以及(jí)🍉外部環境會(hui)對壓電傳感(gǎn)器産生幹擾(rǎo)，因此在沒有(you)流量通✨過時(shí)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼依然會産生(shēng)一定的振動(dòng)，通過傅裏💋葉(yè)變換後表現(xian)爲均布在整(zhěng)個頻域的白(bai)噪聲。将各測(ce)試條件下的(de)示波器波形(xing)進❓行整合，通(tōng)過對比發現(xiàn):當油水比例(li)固定時，在頻(pín)域分析中，旋(xuan)渦脫落所對(dui)應的頻率峰(fēng)值随流量增(zeng)大而增大，如(ru)圖10所示;當流(liu)量一定時，在(zài)頻域分析中(zhōng)，旋渦脫落所(suǒ)對應的頻率(lü)峰值随含水(shuǐ)率升高而升(sheng)高，如圖11所示(shì)。上述現象說(shuo)明，該渦街流(liu)量計應用于(yú)高含水、大流(liu)量的工作🔞環(huan)境中具有較(jiao)強的抗幹擾(rǎo)性。反之，當流(liu)🍓量較小或🐇含(han)水率較低的(de)情況下，探頭(tou)檢測到的被(bei)測介質經旋(xuán)渦發生體分(fen)離後産生的(de)振動所對應(yīng)的頻率值與(yu)系統噪🌏聲産(chǎn)生振動的頻(pín)率值較爲接(jie)近，如圖12所示(shì)，無法明顯區(qū)分，可♌能會導(dao)緻單片機所(suǒ)采集到的有(you)效流量值對(dui)應頻率不準(zhǔn)确，從而産📱生(shēng)了在小流量(liàng)或低含水率(lü)情況下，測👄試(shi)精度下降的(de)現象，因此需(xū)要對非常小(xiao)流量進行限(xiàn)制。

6結論
　　本文(wen)基于卡門渦(wō)街原理一種(zhong)應用于采油(yóu)井井下的☀️渦(wō)⛷️街✊流量計，并(bing)對其在充分(fèn)混合的油水(shui)兩相介質中(zhōng)的性能進行(hang)了🔴試驗⛹🏻‍♀️測試(shì)。通過地面循(xun)環試驗平台(tái)，讓不同流㊙️量(liang)、不同⭐含水率(lǜ)的油水兩相(xiàng)介質流經渦(wo)街流🙇🏻量計，并(bìng)通過與參考(kǎo)流量計的對(duì)比評價💋渦街(jiē)流量計的測(ce)量性能。清水(shuǐ)标定試驗發(fā)現，、渦街💜流量(liang)計在5～80m3/d範圍的(de)流量測量誤(wu)⭐差小于1%。油水(shui)兩相介質測(ce)試試驗發現(xian)，在不同含水(shuǐ)率的油水兩(liang)相介質中，流(liú)量與渦街脫(tuō)落頻率能夠(gòu)進行良好的(de)拟合;當含水(shui)率低于40%時，非(fei)常大測量誤(wu)差小于5%;當含(hán)水率高于40%時(shi)，測量誤差小(xiǎo)于2.5%。此外，試驗(yan)發現大流量(liang)通過渦❌街流(liu)量計時能夠(gou)減弱環境噪(zao)聲帶來的影(ying)響，提高渦街(jie)流量計的測(ce)量精度。根據(ju)上述試驗結(jie)果以及油田(tián)井下流量測(cè)量需求可以(yi)得出，本文❓中(zhōng)油田井下渦(wō)街流量計，在(zai)在清水介質(zhi)中标定後，不(bu)需要進📱行額(é)外修正便能(néng)夠應用于不(bú)同含水率的(de)油水兩相介(jiè)質流量測量(liàng)中。

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