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摘要:針對油井分層監測與開采過程中的井下充分混合的油水兩相介質流量測量問題，一種基于卡門渦街原理的采油井井下渦街流量計。搭建了地面測試系統對其工作性能進行試驗，首先利用清水介質對流量計進行標定，然后探究流量計在充分混合的油水兩相介質中的測量精度。試驗研究發現，渦街流量計在充分混合的油水兩相介質中的流量測量值略低于實際流量;在相同流量下，降低兩相介質的含水率會導致渦街流量計的旋渦脫落頻率降低;此外，大流量工作狀態下，環境振動對測量結果的影響被減弱。與采油井井下流量的測試需求相對照，渦街流量計能夠在清水標定、不需額外修正的情況下，完成采油井井下充分混合的油水兩相介質的流量測量。
引言
　　油井分層開采一方面可降低產液綜合含水率，提高原油產量;另一方面還可有效保持油層均衡開采，提高原油采收率。因此，一套適用于采油井井下的流量測試技術，可以實現各油層產量的正確監測，為產層可控生產提供數據支持。雖然電磁、超聲等流量計已經在各個工業領域得到大規模應用，但在充分混合的油水兩相介質的流量測試中，往往因油污大、被測介質組分復雜、井下工況復雜等因素，導致測量結果及精度出現較大偏差。渦街流量測量作為一種介質適應性好、結構簡單、操作方便的流量測量技術，已在油田注水井測試等涉及流量監測的工藝領域得到了成功應用。
　　本文將首先設計一種適合采油井井下狹小空間安裝的智能渦街流量計，并針對采油井中充分混合的油水兩相介質進行地面模擬試驗，獲得油水介質含水率對采油井井下渦街流量計測量特性的影響規律。
1渦街流量計測量原理
　　如圖1所示，在被測流體中垂直插入一個非流線型截面的旋渦發生體，流體的流動狀態受其影響并在下游產生一系列旋渦。當兩排旋渦之間的間距h與同排中兩相鄰旋渦的間距l之比滿足h/l=0.281時，可以得到穩定且交替排列的旋渦。將旋渦分離頻率f定義為單位時間從旋渦發生體下游分離的旋渦數目，理論和試驗研究均已證明，旋渦分離頻率與流體速度v成正比，且與旋渦發生體迎流面的寬度d成反比，即:
f=SrAv/d(1)
　　式中，f為旋渦脫落頻率，Hz;Sr為斯特勞哈爾數(無量綱);A為流道尺寸系數;v為旋渦發生體兩側的流速，m/s;d為旋渦發生體迎流面的寬度，m。
　　一旦旋渦發生體和流道的幾何尺寸確定，旋渦脫落頻率即與流體流速構成簡單的正比關系，因此通過檢測旋渦的脫落頻率便可測得流速，并以此獲得流體的流量。

2井下渦街流量計整體結構
　　本文的渦街流量計主要用于集成在油井智能配產器中，智能配產器外徑114mm、內通徑46mm，內部集成有流量計、含水率測量、電控可調閥嘴、載波通信等模塊，且所有模塊均只能安裝在智能配產器狹小的環形空間內。當智能配產器隨油管下入指定的油層后，其將測得的各油層產液量、含水率通過載波通信模塊和電纜傳輸至地面，生產人員遵循“減小高含水層產液量，增加低含水層產液量”的基本原則對各油層的產出液流量進行調控，非常終實現油井增油控水的目的。基于渦街流量計的測量原理與安裝空間要求，本文渦街流量計如圖2所示。渦街流量計主要由流量計主體、旋渦發生體、壓電晶體探頭、過液管、壓板等部件組成。其中，過液管內徑為15mm，流量計主體與過液管、旋渦發生體與過液管之間通過焊接固定，壓電晶體探頭與流量計主體、流量計主體與壓板之間設置相應的O型密封圈，以保證渦街流量計在井下20～50MPa高壓環境下的可靠密封。

3井下渦街流量計的檢測電路
　　井下渦街流量計檢測電路框圖如圖3所示，渦街流量計壓電晶體探頭在旋渦的沖擊下輸出電壓信號，該電壓信號經由放大器及低通濾波器處理后傳遞給單片機，單片機對數據進行傅里葉變換，從而獲得漩渦脫落頻率。在壓電晶體探頭與渦街流量電控系統連接的同時，并聯一臺示波器對壓電晶體探頭的輸出電壓波形進行測試。

　　渦街流量計的檢測電路圖如圖4所示，壓電晶體輸出的微弱電信號經過2級精度運算放大器AD8608處理，第1級放大105倍，第2級放大500倍。放大后的信號再經由AD7091Ｒ芯片進行模數轉換。AD7091Ｒ芯片在3.3V下功耗非常低，且內置一個2.5V基準電壓源，能夠實現低漂移、精度的模數轉換。且運算放大器的輸出電壓為0.1～2.4V，而AD7091Ｒ輸入電壓要求范圍為0～2.5V，配合使用可以擁有100mV的安全余量，符合使用需求。

　　2級放大處理后的電壓波形圖如圖5中的下面黃波形曲線所示，上面白色波形則代表信號經過傅里葉變換后在頻域內的分布情況，其中，白色波形中非常高峰值所對應的頻率便是旋渦脫落頻率，通過建立該頻率與流速的對應關系即可對井下渦街流量計進行標定。

4充分混合的油水兩相介質流量測試系統
　　本文搭建的充分混合的油水兩相介質流量測試系統組成如圖6所示，由油水儲存區、油水分離區、流量計測試區3個主要功能區塊組成。油和水分別儲存在油水儲存區的油罐和水罐中，需要進行試驗時，按預定比例將油/水兩種介質吸入混合罐中，進入流量測試區。兩相介質在混合罐內進行充分混合，隨后在泵的推動下流經渦街流量計與參考流量計，隨后重新流回混合罐內，完成一個循環。試驗初期由于油水混合不均勻，管道內含有氣體等原因，流量計示數往往波動較大，因此系統穩定運行10min后，待流量計讀數穩定后再進行讀取，記錄渦街流量計旋渦脫落頻率與參考流量計流量示數。數據記錄完畢后，打開參考流量計與油水分離器間的閥門，同時關閉其與混合罐之間的閥門，使得介質全部流入油水分離區進行分離，分離完成的油/水介質分別吸入油罐和水罐中，用于下一次試驗。

　　在完成一組試驗后，在混合罐內吸入足量的水，并以非常大流量在流量測試區內循環，清洗過液管，清洗時間持續10min以上。完成清洗后，液體排放至油水分離區進行分離。
5試驗數據及分析
5.1清水標定試驗
　　標定試驗中通過改變泵的輸出流量來改變流量計的工作環境，以帶溫壓補償渦街流量計的旋渦脫落頻率與參考流量計的流量為變量，對流量計特性進行線性擬合。本文中所使用的油相介質為15#工業白油，運動粘度13.5mm2/s(40℃)，參考流量計類型為渦輪流量計，由于流量測量范圍較大，因此選擇測量范圍為4.8～28.8m3/d以及14.4～144m3/d的2臺參考流量計進行標定，參考流量計的精度為5‰。清水標定試驗數據見表1、表2所示，擬合曲線如圖7所示。由此可見，本文井下渦街流量計具有良好的重復性，且相對誤差小于1%。

5.2油水兩相介質測試
　　對標定好的井下渦街流量計進行充分混合的油水兩相介質測試，主要測試井下渦街流量計在不同含水率介質以及不同流量下的測量精度，不同含水率介質中的流量測量結果如圖8所示。可以看出，在兩相介質中，渦街流量計的測量流量值始終低于參考流量計流量值，這是由于2種介質混合后，整體粘度變大，流體流態發生改變，因此斯特勞哈爾數發生一定程度變化。

　　為進一步分析含水率對測量誤差的影響，圖9給出了不同含水率時，渦街流量計在5～80m3/d測量范圍內的平均相對誤差。可以看出，當含水率低于40%時，渦街流量計的測量非常大相對誤差為4.8%，主要原因在于含水率較低時，充分混合的油水兩相介質形成了油包水的乳狀液，兩相斯特勞哈爾數呈現非線性變化，從而帶來測量誤差;當含水率高于40%時，渦街流量計的測量逐漸趨于穩定，相對誤差小于2.5%，這一現象是由于隨著含水率提升，轉變為水包油乳狀液，水相中的油泡較小且分布均勻，介質流態變好，測量精度也得到改善。

　　在井下渦街流量計試驗過程中，由于機械振動以及外部環境會對壓電傳感器產生干擾，因此在沒有流量通過時依然會產生一定的振動，通過傅里葉變換后表現為均布在整個頻域的白噪聲。將各測試條件下的示波器波形進行整合，通過對比發現:當油水比例固定時，在頻域分析中，旋渦脫落所對應的頻率峰值隨流量增大而增大，如圖10所示;當流量一定時，在頻域分析中，旋渦脫落所對應的頻率峰值隨含水率升高而升高，如圖11所示。上述現象說明，該渦街流量計應用于高含水、大流量的工作環境中具有較強的抗干擾性。反之，當流量較小或含水率較低的情況下，探頭檢測到的被測介質經旋渦發生體分離后產生的振動所對應的頻率值與系統噪聲產生振動的頻率值較為接近，如圖12所示，無法明顯區分，可能會導致單片機所采集到的有效流量值對應頻率不準確，從而產生了在小流量或低含水率情況下，測試精度下降的現象，因此需要對非常小流量進行限制。

6結論
　　本文基于卡門渦街原理一種應用于采油井井下的渦街流量計，并對其在充分混合的油水兩相介質中的性能進行了試驗測試。通過地面循環試驗平臺，讓不同流量、不同含水率的油水兩相介質流經渦街流量計，并通過與參考流量計的對比評價渦街流量計的測量性能。清水標定試驗發現，、渦街流量計在5～80m3/d范圍的流量測量誤差小于1%。油水兩相介質測試試驗發現，在不同含水率的油水兩相介質中，流量與渦街脫落頻率能夠進行良好的擬合;當含水率低于40%時，非常大測量誤差小于5%;當含水率高于40%時，測量誤差小于2.5%。此外，試驗發現大流量通過渦街流量計時能夠減弱環境噪聲帶來的影響，提高渦街流量計的測量精度。根據上述試驗結果以及油田井下流量測量需求可以得出，本文中油田井下渦街流量計，在在清水介質中標定后，不需要進行額外修正便能夠應用于不同含水率的油水兩相介質流量測量中。

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