摘要(yao):針對油井分(fèn)層監測與開(kai)采過程中的(de)井下充分混(hùn)合的油✏️水兩(liǎng)相介質流量(liang)測量問題，一(yi)種基于卡門(mén)渦街原理的(de)采油井井下(xia)渦街流量計(jì) 。搭建了地面(mian)測試系統對(dui)其工作性能(néng)進行試驗，首(shou)先利用清水(shui)👅介質對流量(liang)計進行标定(ding)，然後探究流(liu)量計㊙️在充📧分(fen)混❤️合的油水(shuǐ)兩相介質中(zhōng)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(liang)相介質中的(de)流量測量值(zhí)略低于實際(jì)流量;在相同(tóng)♈流量下，降低(dī)兩相介質的(de)含水率會導(dao)緻 渦街流量(liang)計 的旋渦脫(tuo)落頻率降低(di);此外，大流量(liàng)工作狀态下(xia)，環🐪境振🧡動對(duì)測量結果的(de)影響被減弱(ruò)。與采油井井(jǐng)下流量的測(ce)試需✊求相對(duì)照，渦街流量(liang)計能夠在清(qīng)水标定、不💁需(xu)額外修正的(de)🧡情況下，完成(cheng)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(jǐng)分層開采一(yī)方面可降低(dī)産液綜合含(hán)水率，提高原(yuan)👅油産🔞量;另一(yi)方面還可有(yǒu)效保持油層(ceng)均衡開采，提(tí)高原油采收(shou)率✉️。因此，一套(tào)适用于采油(you)井井下的流(liú)量測試技🌂術(shu)，可以實現各(gè)油層産量的(de)正确監測，爲(wèi)産層可控生(sheng)産🚩提供數據(ju)支持。雖然電(dian)磁、超聲🚶等流(liu)量計已經在(zai)各個工☎️業領(lǐng)域得到大規(guī)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(cè)介質組分複(fu)雜、井下工況(kuàng)複雜等因素(sù)，導緻測量結(jie)果及精度出(chu)現較大偏差(cha)。渦街流量測(ce)量作爲一種(zhong)介質适應性(xing)🤩好、結構簡單(dan)、操作方👈便的(de)流量測量技(ji)術，已在油田(tián)注水井測試(shì)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(she)計一種适合(he)采油井井下(xià)狹小空間安(ān)裝的 智能渦(wō)街流量計 ，并(bìng)針對采油井(jǐng)中充分混合(he)的油水兩相(xiang)介質進行地(dì)面模拟試驗(yan)，獲得油水介(jiè)質含水率對(dui)采油井井下(xià)渦街流🌏量計(ji)測量特性的(de)影響規律。
1渦(wō)街流量計測(ce)量原理
　　如圖(tú)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(shēng)體，流體的流(liu)動狀态受其(qi)影響并在下(xià)遊産生一系(xi)列旋渦。當兩(liang)排旋渦之間(jian)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(shí)，可以得🔆到穩(wěn)定且交替排(pai)列☔的旋渦。将(jiāng)旋渦分離頻(pín)率f定義爲單(dān)位時間從旋(xuán)渦發生😍體下(xià)遊分離的旋(xuán)渦數目，理論(lun)和試驗研究(jiu)均已證明，旋(xuán)渦分離頻率(lü)與🐅流體👣速度(dù)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(jí):
f=SrAv/d(1)
　　式中，f爲旋渦(wo)脫落頻率，Hz;Sr爲(wèi)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(wo)發生體迎💛流(liu)面的寬度，m。
　　一(yi)旦旋渦發生(shēng)體和流道的(de)幾何尺寸确(que)定，旋渦脫落(luò)頻率即與流(liú)體流速構成(chéng)簡單的正比(bǐ)關系，因此通(tong)過檢測旋渦(wō)🌍的脫落頻率(lü)便可測得流(liú)速，并以此🧑🏽‍🤝‍🧑🏻獲(huò)得流🧡體的流(liu)量。

2井(jǐng)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(zai)油井智能配(pei)産🧑🏾‍🤝‍🧑🏼器中，智能(neng)配産器外徑(jìng)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(qiě)所有模塊均(jun1)隻能安裝在(zai)智能配産器(qì)狹小的環形(xing)空間内。當智(zhì)能配産器随(sui)油管下入指(zhǐ)定📞的油層後(hòu)，其将測得的(de)各油層産液(yè)量、含水率通(tong)🔱過載波通信(xìn)☀️模塊和電纜(lan)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(chan)出液流量進(jìn)行調控，非常(chang)終實現油井(jing)增油控水的(de)目的。基于♉渦(wō)街流量計的(de)測量原理與(yu)安裝空間要(yào)求，本文渦街(jie)流量計如圖(tú)2所示。渦街流(liu)量計主要由(yóu)流量計主體(ti)、旋渦發生體(tǐ)、壓電晶體探(tan)頭、過液管、壓(yā)闆等部件組(zǔ)成。其♊中，過液(yè)管内徑爲15mm，流(liu)量計主體✊與(yǔ)過液管、旋渦(wo)發生體與過(guò)液管之間通(tong)過焊接固定(dìng)，壓電晶體探(tan)頭與流量計(ji)主體、流量計(ji)主體與壓闆(pǎn)之間設置相(xiàng)應的O型密封(feng)圈，以保證渦(wō)街流量計在(zài)井下20～50MPa高壓環(huan)境下的可靠(kào)密封。

3井下(xia)渦街流量計(ji)的檢測電路(lu)
　　井下渦街流(liu)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(xuan)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(piàn)機，單片機💋對(duì)數據進行傅(fù)裏葉變換，從(cóng)而獲得漩渦(wo)脫落頻率。在(zài)壓電晶體探(tàn)頭與渦街流(liu)量電控系統(tong)連接的同時(shí)，并聯一台示(shì)波器對壓電(diàn)晶體探頭的(de)🏒輸出電壓波(bo)形進行測試(shi)。

　　渦街流量(liàng)計的檢測電(diàn)路圖如圖4所(suǒ)示，壓電晶體(ti)輸出的微弱(ruò)電信号經過(guò)2級精度運算(suàn)放大器AD8608處理(li)，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(cháng)低，且内置一(yī)個🔞2.5V基準電壓(yā)源，能夠實現(xian)低漂移、精度(dù)的模數轉換(huan)。且⛱️運算放大(dà)器的輸出電(dian)壓爲0.1～2.4V，而AD7091Ｒ輸入(ru)電壓要求範(fàn)圍爲0～2.5V，配合使(shi)用可以擁有(you)100mV的安全💔餘量(liang)，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(zhōng)的下面黃波(bo)形💞曲線🔅所🏃‍♀️示(shì)❄️，上面白色波(bō)形則代表信(xin)号經過傅裏(li)🚩葉變換後在(zài)頻⁉️域内的分(fen)布情況，其中(zhong)，白色波形中(zhong)非常高峰值(zhí)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(jin)📐行标定。

4充分(fèn)混合的油水(shuǐ)兩相介質流(liu)量測試系統(tǒng)
　　本文搭建的(de)充分混合的(de)油水兩相介(jiè)質流量測試(shi)😍系🧑🏾‍🤝‍🧑🏼統組成如(ru)圖6所示，由油(yóu)水儲存區、油(you)水分離區、流(liu)量計測試區(qū)3個主要功能(neng)區塊組成。油(yóu)和水分别儲(chǔ)存在油水儲(chǔ)存區的油罐(guan)和水罐中，需(xū)要進行試驗(yàn)時，按預定🏃🏻比(bǐ)例将油/水兩(liǎng)種介質吸入(rù)混合罐中，進(jìn)入流量測試(shi)區。兩相介質(zhì)在混合罐内(nèi)進行充分混(hùn)合，随後在泵(bèng)的推動下流(liú)經渦❌街流量(liang)計與參考流(liú)量計，随後重(zhòng)新流回混合(hé)罐内，完成一(yi)個循環。試驗(yan)💃初期由于油(you)水混合不均(jun)勻，管道内含(han)有氣體等原(yuán)因，流量計示(shì)數往往波動(dong)較大，因此系(xi)統穩定運行(háng)🐪10min後，待流量計(ji)讀數穩定後(hou)再進行讀取(qǔ)，記錄渦街流(liu)量計旋渦脫(tuo)落頻率與參(cān)考㊙️流量計流(liu)量示數。數據(ju)⛹🏻‍♀️記錄完畢後(hou)，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(hé)罐之間☁️的閥(fá)門🔞，使得介質(zhì)全部流入油(yóu)水💛分離區進(jìn)行分離，分離(lí)完成的油/水(shui)介質分别吸(xi)入油罐和水(shuǐ)罐中，用于下(xia)一次試驗。

　　在(zài)完成一組試(shi)驗後，在混合(he)罐内吸入足(zu)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(xu)10min以上。完成清(qing)洗後，液體排(pai)放至油水分(fèn)離區🔴進行分(fèn)🐉離。
5試驗數據(ju)及分析
5.1清水(shui)标定試驗
　　标(biao)定試驗中通(tōng)過改變泵的(de)輸出流量來(lái)改變流量🐕計(jì)的工🌈作環境(jing)，以 帶溫壓補(bu)償渦街流量(liàng)計 的旋渦脫(tuo)落頻率與參(can)考流量計的(de)流量爲變量(liàng)，對⁉️流😘量計特(te)🔱性進行線性(xìng)拟合。本文中(zhōng)所使用的油(you)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(jì)，由于💯流量測(cè)量範圍較大(da)，因此選擇測(cè)量範圍爲4.8～28.8m3/d以(yǐ)及14.4～144m3/d的2台參考(kao)流量計⭐進行(hang)标定，參考流(liu)量計的精度(du)爲5‰。清水标定(ding)試驗數據見(jian)表1、表2所示，拟(ni)合曲線如圖(tú)7所示。由此可(kě)見，本文井下(xià)渦街流量👌計(ji)具有良好的(de)重複性㊙️，且相(xiang)對誤差小于(yú)1%。

5.2油水兩相介(jiè)質測試
　　對标(biāo)定好的井下(xià)渦街流量計(ji)進行充分混(hun)合的油水兩(liǎng)相介質💞測試(shì)，主要測試井(jǐng)下渦街流量(liang)計在不同含(han)☁️水率介質🔆以(yi)及不同流量(liàng)下的測量精(jīng)度，不同含水(shui)率介質中的(de)流量☎️測量結(jié)果如圖8所示(shì)。可以看出，在(zài)兩相介質中(zhong)，渦街流量計(jì)的測量流💛量(liang)值始終低于(yú)參考流量計(ji)流量值，這是(shi)由于2種介質(zhi)混合後🚩，整體(ti)粘度變大，流(liu)體流态發生(shēng)改變，因此斯(si)特👄勞哈爾數(shu)發生一定程(chéng)度變化。

　　爲進(jin)一步分析含(hán)水率對測量(liang)誤差的影響(xiang)，圖9給出了💯不(bu)同含水率時(shí)，渦街流量計(ji)在5～80m3/d測量範圍(wéi)内的平均相(xiàng)對誤差。可以(yǐ)看出，當含水(shuǐ)率低于40%時，渦(wō)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(zài)于含水率較(jiao)低時，充分混(hùn)合的油水兩(liǎng)相介質形成(chéng)了油包水的(de)乳狀液，兩相(xiang)斯特勞🌏哈爾(ěr)數呈現非線(xian)性變化，從而(er)帶來測量誤(wù)差;當含水率(lü)高于40%時，渦街(jie)流量計的測(ce)量逐漸趨于(yú)🌐穩定，相📱對誤(wu)差小于2.5%，這一(yi)現象是由💜于(yu)随着含水率(lǜ)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(hǎo)，測量精度也(ye)得到改善。

　　在(zai)井下渦街流(liú)量計試驗過(guò)程中，由于機(ji)械振動以及(jí)外部環境🔞會(huì)對壓電傳感(gǎn)器産生幹擾(rao)，因此在沒有(you)流量通過時(shí)依然會産生(shēng)一定的振動(dong)，通過傅裏葉(yè)變換後表現(xiàn)爲均布在整(zheng)個頻域的白(bái)噪聲。将各測(cè)試條件下的(de)示波器波形(xíng)進行整合，通(tong)過對比發現(xiàn):當油水比例(li)固定時，在頻(pin)域分析中，旋(xuán)渦脫落所🔞對(duì)應的頻率峰(feng)值随流量增(zeng)大而增大，如(rú)圖10所🌈示;當流(liú)量一定時，在(zài)頻域分析中(zhong)，旋渦脫落所(suǒ)對應的頻率(lü)🔞峰值随含水(shui)率升🔞高而升(sheng)高，如圖11所示(shì)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。上述現象說(shuō)明，該渦街流(liu)量計應用于(yu)高含水、大流(liú)量的工作環(huan)境中具有較(jiao)強的抗幹擾(rao)性。反之，當流(liu)量較小或含(hán)水率較低的(de)情況下，探頭(tóu)檢測到的被(bei)測介質經旋(xuán)渦發生體分(fèn)離後産生的(de)振👅動❌所對應(yīng)的頻率值與(yǔ)系統噪聲産(chǎn)生振動的頻(pín)率值較爲接(jiē)👣近，如圖12所🍓示(shì)，無法明顯區(qu)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(zhun)确，從而産✉️生(shēng)了在小流量(liàng)或低含水率(lǜ)情況下，測試(shi)精度下降的(de)現象，因此需(xū)要對非常小(xiǎo)流量進行限(xiàn)制。

6結論
　　本文(wén)基于卡門渦(wo)街原理一種(zhong)應用于采油(yóu)井井下的渦(wo)街流🎯量計，并(bìng)對其在充分(fen)混合的油水(shui)兩相介質中(zhong)的性能進行(hang)了😘試驗測試(shì)。通過地面循(xún)環試驗平台(tai)，讓不同流量(liàng)、不同含水率(lü)的油水兩相(xiang)介質流🈲經渦(wō)街流量計，并(bing)通過與參考(kao)流量計的對(duì)比評價🌈渦街(jiē)流量計的測(ce)量性能👨‍❤️‍👨。清水(shui)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(wù)差小于1%。油水(shuǐ)兩相介質測(ce)試試🧑🏾‍🤝‍🧑🏼驗發現(xiàn)，在不同✍️含水(shuǐ)率的✏️油水兩(liǎng)相介質中🔞，流(liu)量與渦街脫(tuō)落💘頻率能夠(gòu)進行良好的(de)拟合;當含水(shuǐ)率低㊙️于40%時，非(fei)常大測量誤(wù)差小于5%;當含(han)水率高于40%時(shí)，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(gòu)減弱環境噪(zào)聲帶來的影(yǐng)響，提高渦街(jiē)流量計的測(ce)量精度。根據(jù)上述試驗結(jie)果以及油田(tian)井下流量測(cè)量需求可以(yǐ)得出，本文中(zhong)油田井下渦(wō)街流量計，在(zài)在清水介質(zhì)中标㊙️定後，不(bu)需要進💔行額(é)外修正便能(neng)夠應用于不(bú)同含水率的(de)油水兩相介(jie)質流量測量(liàng)中。

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