摘要(yào):針對油井(jǐng)分層監測(ce)與開采過(guo)程中的井(jǐng)下充分混(hùn)合的🔱油水(shuǐ)兩相介質(zhì)流量測量(liàng)問題，一種(zhong)基于卡門(men)渦街原理(li)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(shui)介質對流(liú)量計進行(hang)标定，然後(hòu)探究流量(liang)計🏃🏻‍♂️在充分(fen)混合的油(you)水🏃🏻‍♂️兩相介(jiè)質中的測(cè)量精度。試(shi)驗研究發(fā)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(yu)實際流量(liàng);在相同流(liu)量下，降低(di)兩相介質(zhi)的含水率(lǜ)會導緻 渦(wo)街流量計(ji) 的旋渦脫(tuō)落頻率降(jiàng)低;此外，大(dà)流量工作(zuò)狀态下，環(huan)境振動對(duì)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(xiang)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(xiang)介質的流(liu)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(chí)油層均衡(heng)開采，提高(gāo)原油采收(shou)率。因此♈，一(yī)套适用于(yu)采油井井(jǐng)下的流量(liàng)測試技術(shù)，可以實現(xian)各油層産(chǎn)量的正确(què)監測，爲産(chǎn)層可控生(shēng)産㊙️提供數(shù)據支持。雖(suī)然電磁、超(chāo)聲🔴等流量(liàng)計已經在(zai)各個工業(yè)領域得到(dào)大規模應(yīng)用，但在充(chōng)分混合🍉的(de)油水兩相(xiàng)介質的流(liu)量測試中(zhong)，往往因油(you)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(dù)出現較大(da)偏差。渦街(jie)流量測量(liàng)作爲一種(zhǒng)介質适應(ying)性好、結構(gòu)簡單、操作(zuò)方✏️便的流(liu)量測量技(ji)🌍術，已在油(you)田注水井(jing)測🏃🏻‍♂️試等涉(she)及🏒流量監(jiān)測的工藝(yi)領域得到(dao)了成功應(ying)用。
　　本文将(jiang)首先設計(jì)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(bing)針對采油(yóu)井中充分(fen)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(hán)水率對采(cǎi)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(jie)流量計測(ce)量原理
　　如(ru)圖1所示，在(zài)被測流體(tǐ)中垂直插(chā)入一個非(fei)流線型截(jie)面的旋渦(wo)發生體，流(liú)體的流動(dòng)狀态受其(qi)影響并在(zài)下遊産生(sheng)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(shí)，可以得到(dao)穩定且交(jiāo)替排列的(de)旋渦。将旋(xuán)渦分離頻(pin)率f定義🤩爲(wei)單位時間(jian)從旋渦發(fa)生體下遊(yóu)分離的旋(xuán)渦數目‼️，理(lǐ)論和試驗(yan)研究均已(yi)證明，旋渦(wo)分離頻率(lǜ)與流體速(sù)度v成正比(bi)，且與旋渦(wo)發♉生體迎(yíng)流⁉️面的寬(kuān)度d成反比(bǐ)，即:
f=SrAv/d(1)
　　式中，f爲(wei)旋渦脫落(luò)頻率，Hz;Sr爲斯(sī)特勞哈爾(er)數(無量綱(gāng));A爲流💯道尺(chi)寸系數;v爲(wei)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(dàn)旋渦發生(sheng)體和流道(dao)的幾何尺(chǐ)寸确定，旋(xuan)渦脫落頻(pín)🌈率即🈚與💰流(liú)體流速構(gòu)成簡單的(de)正比關系(xi)，因此通過(guò)檢測🌈旋渦(wo)的脫落頻(pín)率便可測(cè)得流速，并(bìng)以此獲得(de)流體的流(liu)量。

2井下(xia)渦街流量(liang)計整體結(jié)構
　　本文的(de)渦街流量(liàng)計主要用(yòng)于集成在(zài)油井智能(néng)配産器中(zhong)，智👄能🏃🏻配産(chan)器外徑114mm、内(nèi)通徑46mm，内部(bù)集成有流(liú)量計、含水(shui)率測量、電(diàn)控🍓可調✨閥(fa)嘴、載波通(tong)信等模塊(kuai)，且所有模(mó)塊均隻能(neng)安裝在智(zhì)能配産器(qì)狹小的環(huan)形😄空間内(nei)。當智能配(pei)産器随油(you)管下入指(zhǐ)定的油層(céng)後，其将測(cè)得的各油(you)層産液量(liàng)、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(chan)液量，增加(jiā)💰低含水層(céng)産液量”的(de)基本原則(ze)對各油層(ceng)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(li)與安裝空(kōng)間要求，本(ben)文渦街流(liú)量計如圖(tú)2所示。渦街(jie)流量計主(zhu)要由流量(liang)計主體💘、旋(xuan)渦發生體(ti)、壓電晶體(ti)探❗頭、過液(yè)管、壓闆等(deng)部件組👄成(cheng)。其中，過液(ye)管内徑爲(wèi)15mm，流量計主(zhǔ)體與過液(ye)管、旋渦發(fā)生體與過(guo)液🔅管之間(jiān)通過焊接(jiē)固定，壓㊙️電(dian)晶體探頭(tou)與流量計(jì)主體、流量(liàng)⭐計📱主體與(yu)壓闆之間(jian)設置相應(ying)的O型密封(feng)圈，以保證(zhèng)渦街流量(liàng)計在井下(xià)20～50MPa高壓環境(jìng)下的可靠(kào)密♊封。

3井下渦(wō)街流量計(ji)的檢測電(dian)路
　　井下渦(wō)街流量計(jì)檢測電路(lu)框圖如圖(tu)3所示，渦街(jiē)流👣量計壓(ya)💞電晶體探(tan)頭在旋渦(wo)的沖擊下(xia)輸出電壓(ya)信号，該電(dian)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(dan)片機對數(shù)據🌏進行傅(fù)裏葉變換(huan)，從💃而獲得(dé)漩渦脫落(luò)頻率。在壓(yā)電晶體探(tan)頭🔞與渦街(jiē)流量電控(kong)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(chu)電壓波形(xing)進行測試(shi)。

　　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(chū)✌️的微弱電(dian)信号經過(guò)2級精度運(yun)算放大器(qì)AD8608處理，第1級(jí)放大105倍，第(dì)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(zhuan)換。AD7091Ｒ芯片在(zai)🏒3.3V下功耗非(fēi)常低，且内(nèi)置一個2.5V基(jī)準電壓🍓源(yuán)，能夠實現(xian)低漂移、精(jīng)度的模數(shu)轉換。且運(yùn)算放大器(qì)🈲的輸出電(dian)壓爲0.1～2.4V，而AD7091Ｒ輸(shu)入電壓要(yào)求範圍爲(wèi)0～2.5V，配合使用(yòng)可以擁有(yǒu)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(tu)如圖5中的(de)下面黃波(bo)形曲線所(suǒ)示，上面白(bai)色波形則(ze)代表信号(hao)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(zhōng)非常高峰(feng)值所⛱️對應(ying)的💜頻率便(bian)是旋渦♋脫(tuo)落頻率，通(tōng)過建立該(gai)頻率與流(liú)速的對應(ying)關系即可(ke)對井下渦(wo)街流量計(jì)進行标定(dìng)。

4充分混合(he)的油水兩(liang)相介質流(liu)量測試系(xi)統
　　本文搭(dā)建的充分(fèn)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(suo)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(qū)塊組成。油(yóu)和水分别(bié)儲☎️存在油(yóu)水儲存區(qū)的油罐和(he)水罐中，需(xū)要進行試(shì)驗時，按預(yù)定比例将(jiāng)油/水兩種(zhǒng)介⚽質吸入(rù)混合罐中(zhōng)，進🔆入流量(liàng)測試區。兩(liǎng)相介質在(zai)混合罐内(nei)進行充分(fèn)混💃🏻合，随後(hòu)在泵的推(tui)動下流經(jīng)渦街流量(liàng)計與參🏃🏻考(kao)流量計，随(sui)後重新流(liu)回混合罐(guan)内，完成一(yi)個循環。試(shi)驗初期由(yóu)于油水混(hùn)合不均勻(yún)，管道内含(han)有氣體等(deng)原因，流量(liang)計示數往(wang)往波動較(jiào)大💔，因此系(xi)統穩定運(yùn)行10min後，待流(liu)量計讀數(shu)穩定後再(zai)進行讀取(qǔ)，記錄渦街(jiē)流量計旋(xuán)渦脫落頻(pín)率與參考(kǎo)流量計流(liu)量示數。數(shù)據😍記錄完(wan)畢後，打開(kāi)參考流❗量(liang)計與油水(shuǐ)分離器間(jian)的閥門，同(tong)時關閉其(qi)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(hang)分離，分離(lí)完成的油(yóu)/水❄️介質分(fen)别吸入油(you)罐和水罐(guàn)中，用于下(xià)一次試驗(yàn)。

　　在完成一(yi)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(liú)量測試區(qū)内循環，清(qīng)洗過液管(guǎn)，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(jin)行分🏒離。
5試(shì)驗數據及(jí)分析
5.1清水(shuǐ)标定試驗(yàn)
　　标定試驗(yan)中通過改(gǎi)變泵的輸(shu)出流量來(lai)改變流量(liàng)計🏃🏻的工🔅作(zuò)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(liú)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(you)相介質❌爲(wei)15#工♈業白油(you)，運動粘度(dù)13.5mm2/s(40℃)，參考流量(liàng)計類型爲(wei)渦輪流量(liang)計，由于流(liú)量測量範(fàn)圍較大，因(yīn)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(biao)定，參考流(liú)量🐪計的精(jīng)度爲5‰。清水(shui)标定試驗(yan)數據見表(biao)1、表2所示，拟(nǐ)合曲線如(ru)圖7所示。由(you)此可見，本(ben)文井下渦(wo)街流量計(ji)具有良好(hǎo)的重複性(xìng)，且相對誤(wu)差小于1%。

5.2油(yóu)水兩相介(jie)質測試
　　對(duì)标定好的(de)井下渦街(jiē)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(xià)渦街流量(liàng)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(hán)水率🔴介質(zhì)中的流量(liàng)測量結果(guǒ)如圖8所示(shi)。可以看出(chu)，在兩相介(jie)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(liàng)值🤟，這是由(you)于2種介質(zhì)混合後，整(zheng)體粘度變(bian)大，流體流(liu)态發生🌍改(gai)變，因此斯(sī)特勞哈♈爾(ěr)數發生一(yi)定程度變(bian)化。

　　爲進一(yi)步分析含(han)水率對測(cè)量誤差的(de)影響，圖9給(gei)出☀️了不同(tóng)含水率時(shi)，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(han)水率低于(yú)40%時，渦街流(liú)量計的測(cè)量非常大(dà)相對誤差(cha)爲4.8%，主要原(yuan)因在于含(han)水率較低(di)時，充分混(hùn)合的油水(shuǐ)兩⛹🏻‍♀️相介質(zhì)形成了油(you)包🙇🏻水的乳(rǔ)狀液，兩相(xiang)斯特勞哈(hā)爾數呈現(xian)❌非線性變(biàn)化🛀，從而帶(dài)來測量誤(wu)差;當含水(shuǐ)率高于40%時(shi)，渦街流量(liàng)計🆚的測量(liang)逐漸趨于(yú)⛷️穩定，相對(dui)誤差小于(yú)2.5%，這一現象(xiàng)是🈲由♈于随(sui)着含水率(lǜ)提㊙️升，轉變(bian)爲水包油(you)乳狀液，水(shui)相☁️中的油(yóu)泡較小且(qie)分布均勻(yun)，介質流态(tai)變好，測量(liang)精度也得(de)到改善。

　　在(zài)井下渦街(jie)流量計試(shi)驗過程中(zhong)，由于機械(xiè)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(you)流量通過(guò)時🔞依然會(huì)産生一定(dìng)的振動，通(tong)過傅裏葉(yè)變換後表(biao)現爲均布(bù)‼️在整個👌頻(pín)域的白噪(zào)聲。将各測(cè)試條件下(xia)的示波🐆器(qì)波形進行(háng)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(lü)峰值随流(liú)量增大而(er)增大，如圖(tu)10所示;當流(liú)量一定時(shi)，在頻域分(fen)析中，旋渦(wo)脫落所對(dui)應的頻率(lǜ)峰值随含(han)水率升🔞高(gāo)而升高，如(rú)圖11所🌈示。上(shang)述現象說(shuo)明，該渦街(jiē)流量計應(ying)用于高含(han)水、大流量(liàng)的工作環(huán)境中具有(you)較強的抗(kang)幹擾性。反(fan)之，當流👉量(liàng)較小或含(han)水率較低(dī)的情況下(xia)，探頭檢測(ce)到的被測(ce)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(yu)系統噪聲(sheng)産生振動(dòng)的頻率值(zhí)較爲接近(jin)，如圖12所示(shì)，無法明顯(xian)區分，可能(neng)會導緻單(dān)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(liàng)或低含水(shuǐ)率情況下(xia)，測💁試精度(du)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(ji)于卡門渦(wo)街原理一(yī)種應用于(yu)采油井井(jǐng)下的渦街(jiē)流👄量計，并(bìng)對其在充(chong)分混合的(de)油水兩相(xiang)介質中的(de)性能進⛷️行(háng)了試驗測(ce)試。通過地(di)面循環試(shi)驗平台，讓(rang)不同流量(liàng)、不同含水(shuǐ)率的油水(shuǐ)兩相介質(zhi)流經渦街(jiē)流量計，并(bing)通過與參(cān)考流量計(ji)的對比評(píng)價渦街流(liu)量計的測(cè)量性能。清(qing)水标定試(shi)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(xiàng)介質測試(shi)試驗發現(xiàn)👄，在不同含(han)水率的📞油(yóu)水兩相介(jie)質中，流量(liang)與渦街脫(tuo)落頻率能(néng)夠進行良(liang)好的拟合(he);當含水率(lǜ)低于40%時，非(fēi)常大測量(liang)誤差小于(yú)5%;當含水率(lǜ)高㊙️于40%時，測(cè)量誤差小(xiao)于2.5%。此外，試(shì)驗發現大(da)流量通過(guo)渦街流量(liàng)計時❗能夠(gou)減弱環🌈境(jing)噪聲帶來(lai)的影響，提(tí)高✍️渦街流(liu)量計的測(cè)量精度㊙️。根(gēn)據上述試(shi)驗結果以(yǐ)及油田井(jing)下流量測(ce)量需求可(kě)以得出，本(běn)文中油田(tián)井下渦街(jie)流量計，在(zai)在清水介(jie)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(shuǐ)兩相介質(zhì)流量測量(liang)中。

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