摘要(yao):針對油井分層(ceng)監測(ce)與開(kai)采過(guo)程中的井下充(chong)分混(hun)合的油水(shui)兩相介質(zhi)流量(liang)測量(liang)問(wen)題，一種(zhong)基于卡(ka)門(men)渦街(jie)原理(li)的(de)采油井(jing)井下渦(wo)街(jie)流量(liang)計 。搭(da)建了(le)地面(mian)測試(shi)系統(tong)對其(qi)工作(zuo)性能進行(hang)試驗，首(shou)先利用(yong)清水(shui)介質對流(liu)量計(ji)進行(hang)标定(ding)，然後(hou)探(tan)究流量(liang)計在充(chong)分(fen)混合(he)的油水兩相介(jie)質中的(de)測(ce)量精(jing)度。試(shi)驗研究發(fa)現，渦街流(liu)量計在充(chong)分混(hun)合的(de)油水兩相(xiang)介質(zhi)中的(de)流量測量(liang)值略低(di)于(yu)實際流量;在相(xiang)同流(liu)量下，降(jiang)低(di)兩相介質的含(han)水率(lü)會導緻 渦街流量計 的旋渦脫(tuo)落頻(pin)率(lü)降(jiang)低;此(ci)外，大(da)流量工作(zuo)狀态下，環境振動對測量結果(guo)的影(ying)響被(bei)減弱(ruo)。與采(cai)油井井下(xia)流量(liang)的測試需求相對照(zhao)，渦街(jie)流量計能(neng)夠在(zai)清水标(biao)定(ding)、不需(xu)額外(wai)修正(zheng)的情況下(xia)，完成采油(you)井井下充分混(hun)合的(de)油水兩相(xiang)介質的(de)流(liu)量測(ce)量。
引(yin)言
　　油井分(fen)層開(kai)采(cai)一(yi)方面(mian)可降(jiang)低産(chan)液綜(zong)合含水率(lü)，提高(gao)原油(you)産(chan)量(liang);另一(yi)方面還(hai)可(ke)有效保持(chi)油層均衡(heng)開采(cai)，提高(gao)原油(you)采收率。因(yin)此，一(yi)套适(shi)用于采油井井(jing)下的流量(liang)測試技(ji)術，可以(yi)實現(xian)各油(you)層産(chan)量的正确(que)監測(ce)，爲産(chan)層可(ke)控生(sheng)産提供數(shu)據支持。雖(sui)然電(dian)磁、超(chao)聲等流量計已(yi)經在(zai)各個工業(ye)領域(yu)得到(dao)大規模應(ying)用(yong)，但在充(chong)分混(hun)合(he)的油水兩相介質的流(liu)量測試(shi)中(zhong)，往往因油(you)污(wu)大(da)、被測(ce)介質組分(fen)複雜(za)、井下(xia)工況複雜(za)等因(yin)素，導(dao)緻測量結(jie)果及精度(du)出現(xian)較大(da)偏差(cha)。渦街(jie)流(liu)量測量(liang)作爲一種(zhong)介質适應(ying)性(xing)好、結構(gou)簡單、操作(zuo)方便(bian)的流(liu)量測(ce)量技(ji)術，已(yi)在(zai)油(you)田注水井測(ce)試等涉(she)及流量(liang)監(jian)測的(de)工藝(yi)領域得到(dao)了成(cheng)功應(ying)用。
　　本(ben)文将(jiang)首先設計(ji)一種适(shi)合(he)采油(you)井井(jing)下狹(xia)小空(kong)間安(an)裝(zhuang)的(de) 智能渦街(jie)流量計 ，并(bing)針對(dui)采油井中(zhong)充分(fen)混合的油(you)水兩相(xiang)介(jie)質進行地(di)面模(mo)拟試(shi)驗，獲得(de)油(you)水介(jie)質含(han)水(shui)率對采(cai)油井(jing)井(jing)下渦街流量(liang)計(ji)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(suo)示，在(zai)被測流體(ti)中垂直插(cha)入一個非流(liu)線(xian)型截(jie)面的(de)旋渦(wo)發生體，流(liu)體(ti)的(de)流動(dong)狀态受其(qi)影響(xiang)并在下遊産生(sheng)一系列(lie)旋(xuan)渦。當兩排(pai)旋渦(wo)之間(jian)的間距(ju)h與(yu)同排中兩(liang)相(xiang)鄰旋渦(wo)的間距l之比滿(man)足h/l=0.281時(shi)，可以得到(dao)穩定且交(jiao)替排(pai)列的旋渦(wo)。将旋(xuan)渦分(fen)離(li)頻率f定義爲(wei)單位時間(jian)從旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)下遊分離的旋(xuan)渦數目，理(li)論和(he)試驗(yan)研究均已(yi)證明，旋(xuan)渦(wo)分離(li)頻率(lü)與流體速(su)度v成正比(bi)，且與(yu)旋渦(wo)發生體迎(ying)流面(mian)的寬(kuan)度d成(cheng)反比，即:
f=SrAv/d(1)
　　式中，f爲(wei)旋渦脫落頻率，Hz;Sr爲斯(si)特(te)勞哈爾(er)數(無(wu)量(liang)綱);A爲流道尺(chi)寸系數;v爲(wei)旋渦發生體兩(liang)側的(de)流速，m/s;d爲旋(xuan)渦發(fa)生(sheng)體(ti)迎流面的寬(kuan)度(du)，m。
　　一旦(dan)旋渦發生(sheng)體和(he)流道(dao)的幾何尺(chi)寸确定(ding)，旋(xuan)渦脫(tuo)落頻率(lü)即與流(liu)體流(liu)速構成簡單的(de)正(zheng)比關系(xi)，因此通(tong)過檢測旋渦(wo)的(de)脫(tuo)落頻(pin)率便(bian)可測(ce)得流速，并(bing)以此獲得(de)流體(ti)的流(liu)量。

2井下(xia)渦街(jie)流量(liang)計整(zheng)體(ti)結構
　　本文的(de)渦(wo)街(jie)流量(liang)計主(zhu)要用(yong)于集成在(zai)油井智能(neng)配産(chan)器中(zhong)，智能(neng)配産器外徑114mm、内(nei)通徑46mm，内部(bu)集成(cheng)有流量(liang)計、含水(shui)率測(ce)量、電控可調閥(fa)嘴(zui)、載波通(tong)信等模(mo)塊，且所有模(mo)塊(kuai)均隻能(neng)安裝在(zai)智(zhi)能配(pei)産器狹(xia)小(xiao)的環(huan)形空間(jian)内(nei)。當智(zhi)能配産器随油(you)管下(xia)入(ru)指(zhi)定的(de)油層(ceng)後，其将測(ce)得的(de)各油(you)層産液量(liang)、含水(shui)率通(tong)過載波通(tong)信模(mo)塊和(he)電(dian)纜傳輸(shu)至地面(mian)，生産人(ren)員遵(zun)循(xun)“減小高(gao)含水(shui)層産液量(liang)，增加低含(han)水層(ceng)産液(ye)量”的(de)基本(ben)原則(ze)對各油層(ceng)的産出液(ye)流量(liang)進行調控，非常(chang)終實現(xian)油(you)井增(zeng)油控(kong)水的目的(de)。基于渦街(jie)流量計的(de)測量原理(li)與安裝(zhuang)空間要求，本文(wen)渦街流(liu)量計如(ru)圖(tu)2所示(shi)。渦街(jie)流量計主(zhu)要由(you)流量(liang)計主(zhu)體、旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)、壓電(dian)晶體(ti)探頭(tou)、過液(ye)管(guan)、壓闆等(deng)部件(jian)組成。其中(zhong)，過液(ye)管内徑爲(wei)15mm，流量計主體與過液管、旋渦發(fa)生體(ti)與過(guo)液管(guan)之間(jian)通(tong)過焊接(jie)固定，壓(ya)電(dian)晶體(ti)探頭(tou)與流量計(ji)主體(ti)、流(liu)量(liang)計主(zhu)體與壓闆之間(jian)設置相(xiang)應(ying)的O型(xing)密封(feng)圈，以(yi)保證(zheng)渦街流量(liang)計在井下(xia)20～50MPa高(gao)壓環境(jing)下的可靠(kao)密封(feng)。

3井(jing)下渦街(jie)流量計(ji)的檢(jian)測電路
　　井(jing)下渦街流(liu)量計(ji)檢測電路框圖(tu)如圖3所示，渦街(jie)流量(liang)計(ji)壓(ya)電晶體探頭在旋渦(wo)的沖擊下(xia)輸出電壓(ya)信(xin)号，該電(dian)壓信(xin)号經(jing)由放大器(qi)及低通濾(lü)波器處理後傳(chuan)遞給單(dan)片機，單(dan)片機對數據進(jin)行傅(fu)裏葉變換(huan)，從而獲得漩渦脫落(luo)頻率。在壓(ya)電晶(jing)體探(tan)頭與(yu)渦街(jie)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(jing)體探(tan)頭的輸出(chu)電壓(ya)波(bo)形(xing)進行測試。

　　渦街(jie)流量計(ji)的檢測電(dian)路圖(tu)如圖(tu)4所(suo)示，壓電(dian)晶體輸出(chu)的微弱電信号經過(guo)2級精度運算放大器(qi)AD8608處理，第1級(ji)放大105倍，第2級放(fang)大500倍。放大(da)後的(de)信号(hao)再(zai)經(jing)由AD7091Ｒ芯片進行(hang)模(mo)數轉(zhuan)換。AD7091Ｒ芯片(pian)在3.3V下功耗非(fei)常低，且内(nei)置一個2.5V基(ji)準電(dian)壓源，能(neng)夠實現(xian)低漂移、精(jing)度的(de)模數轉換(huan)。且運(yun)算放大(da)器(qi)的輸(shu)出電壓(ya)爲0.1～2.4V，而AD7091Ｒ輸(shu)入電壓(ya)要求範(fan)圍爲0～2.5V，配合(he)使用(yong)可以擁有100mV的安全餘(yu)量，符合使(shi)用需求。

　　2級放大處(chu)理後(hou)的電壓波形圖(tu)如圖(tu)5中(zhong)的(de)下面(mian)黃波(bo)形曲(qu)線所(suo)示，上(shang)面(mian)白(bai)色波(bo)形則(ze)代(dai)表(biao)信号(hao)經過傅裏(li)葉變(bian)換後(hou)在(zai)頻域内(nei)的分布情況，其中，白色波形中(zhong)非常高峰(feng)值所(suo)對應(ying)的頻率便(bian)是旋渦脫落頻(pin)率，通(tong)過建(jian)立該(gai)頻率(lü)與流(liu)速的(de)對應(ying)關(guan)系即可(ke)對井下渦(wo)街流量計進(jin)行标定(ding)。

4充分(fen)混(hun)合(he)的油水兩(liang)相介質流(liu)量測(ce)試(shi)系(xi)統
　　本(ben)文搭(da)建(jian)的充分(fen)混合的油(you)水兩相介(jie)質(zhi)流(liu)量測(ce)試系統組(zu)成如(ru)圖6所(suo)示(shi)，由油水(shui)儲存區(qu)、油(you)水分(fen)離區(qu)、流量(liang)計測(ce)試區(qu)3個主(zhu)要功(gong)能區(qu)塊組成。油(you)和水分(fen)别(bie)儲存(cun)在油水儲存區(qu)的油(you)罐和水罐(guan)中，需(xu)要進(jin)行試(shi)驗時，按預(yu)定比(bi)例将(jiang)油/水(shui)兩種(zhong)介質吸入(ru)混合(he)罐中，進(jin)入(ru)流量(liang)測試區。兩相介(jie)質在(zai)混合罐内(nei)進行充分混合(he)，随後(hou)在泵的推(tui)動下流經(jing)渦街(jie)流量(liang)計(ji)與(yu)參考(kao)流量計，随後重(zhong)新流(liu)回混合罐(guan)内，完成(cheng)一(yi)個循(xun)環。試(shi)驗(yan)初期由(you)于油水混合不(bu)均勻(yun)，管道内含(han)有氣體(ti)等(deng)原因，流量(liang)計(ji)示數往(wang)往波動較(jiao)大，因此系(xi)統穩定運(yun)行10min後(hou)，待流(liu)量計(ji)讀數(shu)穩(wen)定後再(zai)進行讀(du)取，記錄渦街流(liu)量(liang)計旋(xuan)渦脫落頻率與(yu)參考(kao)流量計流(liu)量示數。數(shu)據記錄完(wan)畢(bi)後，打開(kai)參考流量(liang)計與(yu)油水(shui)分離器間(jian)的閥(fa)門(men)，同(tong)時關(guan)閉其(qi)與(yu)混合罐(guan)之間的閥(fa)門，使(shi)得介質(zhi)全部流(liu)入油水分離區進行分離，分離(li)完成的油/水介(jie)質分别(bie)吸入油(you)罐和水罐(guan)中，用于下一次試驗(yan)。

　　在完(wan)成(cheng)一(yi)組試(shi)驗後(hou)，在(zai)混合罐(guan)内吸入足量的水，并(bing)以(yi)非常大(da)流量在流量測(ce)試區(qu)内循環，清(qing)洗過液(ye)管(guan)，清洗(xi)時間(jian)持續10min以上(shang)。完成清(qing)洗(xi)後，液(ye)體排(pai)放至(zhi)油水(shui)分離區(qu)進(jin)行分(fen)離。
5試驗(yan)數據及(ji)分析
5.1清(qing)水标定試驗(yan)
　　标定(ding)試驗(yan)中通過改變泵(beng)的輸出流量來(lai)改變(bian)流量(liang)計的(de)工作(zuo)環境，以 帶(dai)溫壓補(bu)償(chang)渦街流量計 的旋渦(wo)脫落頻率(lü)與參(can)考流(liu)量計的流(liu)量爲變量(liang)，對流(liu)量計特性進行(hang)線性拟合。本文(wen)中所(suo)使(shi)用的油(you)相介質爲(wei)15#工業白油(you)，運(yun)動粘度(du)13.5mm2/s(40℃)，參考流(liu)量(liang)計類(lei)型爲(wei)渦(wo)輪(lun)流量(liang)計，由(you)于流(liu)量測(ce)量範圍較(jiao)大，因(yin)此選擇(ze)測(ce)量範(fan)圍爲(wei)4.8～28.8m3/d以及14.4～144m3/d的2台(tai)參考(kao)流量(liang)計進行标(biao)定，參考流(liu)量計(ji)的精(jing)度爲5‰。清水(shui)标(biao)定試驗(yan)數據見表1、表2所示，拟(ni)合(he)曲(qu)線如(ru)圖7所示(shi)。由(you)此可(ke)見，本(ben)文井下渦(wo)街流量計(ji)具有(you)良好(hao)的重(zhong)複性(xing)，且相對誤(wu)差小(xiao)于1%。

5.2油(you)水兩相介(jie)質測試
　　對(dui)标定(ding)好的(de)井下渦街(jie)流量計進(jin)行充分混合的(de)油水(shui)兩相介質測試，主要(yao)測(ce)試(shi)井下(xia)渦街流量(liang)計在不同(tong)含水率介(jie)質以及不(bu)同流(liu)量下(xia)的(de)測量精(jing)度，不同含(han)水率介質中(zhong)的流量(liang)測量(liang)結(jie)果如圖(tu)8所示。可(ke)以看出(chu)，在兩(liang)相介(jie)質中(zhong)，渦街(jie)流量計的(de)測量(liang)流(liu)量(liang)值始(shi)終低(di)于(yu)參(can)考流(liu)量計流量值，這是由于(yu)2種介質(zhi)混合(he)後(hou)，整(zheng)體粘度變(bian)大(da)，流(liu)體流(liu)态發(fa)生改變，因(yin)此斯特(te)勞哈爾(er)數發生一(yi)定程(cheng)度變(bian)化。

　　爲(wei)進一(yi)步分(fen)析含(han)水率(lü)對測(ce)量誤差的(de)影響(xiang)，圖9給(gei)出了(le)不同(tong)含水(shui)率時(shi)，渦街(jie)流量(liang)計在(zai)5～80m3/d測量範(fan)圍(wei)内的(de)平均相(xiang)對(dui)誤差(cha)。可以(yi)看出(chu)，當含(han)水率低于40%時，渦街流(liu)量(liang)計的測(ce)量非常(chang)大相對(dui)誤差爲4.8%，主要原(yuan)因在于含(han)水率(lü)較低(di)時(shi)，充分混(hun)合的油(you)水(shui)兩相介質形(xing)成了油(you)包水的(de)乳狀液(ye)，兩相(xiang)斯特勞哈(ha)爾數呈(cheng)現(xian)非線(xian)性變化，從而帶(dai)來測量誤(wu)差;當含水率(lü)高(gao)于40%時(shi)，渦街流量(liang)計的測量(liang)逐漸(jian)趨于(yu)穩定(ding)，相對(dui)誤差(cha)小于(yu)2.5%，這一(yi)現象(xiang)是由(you)于随着含水率(lü)提升，轉變(bian)爲水包(bao)油(you)乳狀(zhuang)液，水(shui)相(xiang)中的油(you)泡較小且(qie)分布均勻(yun)，介質流态(tai)變好(hao)，測量(liang)精度也得(de)到改善。

　　在(zai)井下渦街(jie)流量(liang)計試驗過程中(zhong)，由于機械(xie)振動(dong)以及(ji)外(wai)部(bu)環境(jing)會對(dui)壓電(dian)傳感(gan)器産(chan)生幹擾，因(yin)此在(zai)沒有(you)流量(liang)通過(guo)時(shi)依然會(hui)産生一定(ding)的振動，通(tong)過傅裏葉(ye)變換後表現爲(wei)均布在整個頻(pin)域的白噪(zao)聲。将各測(ce)試條件下(xia)的示波(bo)器(qi)波形(xing)進行(hang)整合(he)，通過(guo)對比發現(xian):當油(you)水比例固定時(shi)，在頻域分析中(zhong)，旋渦(wo)脫(tuo)落(luo)所對(dui)應的(de)頻率(lü)峰值(zhi)随流(liu)量(liang)增(zeng)大而(er)增大，如圖10所示(shi);當流(liu)量一定時(shi)，在頻域(yu)分(fen)析中，旋渦(wo)脫(tuo)落所對(dui)應的(de)頻率峰值(zhi)随含水率升高(gao)而升高，如(ru)圖11所(suo)示。上述現象說(shuo)明，該(gai)渦街(jie)流量(liang)計應(ying)用于(yu)高含(han)水、大流量(liang)的工作環(huan)境(jing)中(zhong)具有(you)較強的抗(kang)幹擾(rao)性。反之(zhi)，當流量(liang)較小或(huo)含(han)水率(lü)較低的情況下(xia)，探頭(tou)檢(jian)測(ce)到的(de)被測介質(zhi)經旋(xuan)渦發生體(ti)分離(li)後産(chan)生(sheng)的振動(dong)所對(dui)應的頻率(lü)值與系統噪聲(sheng)産生(sheng)振動的頻率值較爲接近(jin)，如圖12所示，無法(fa)明顯區分，可能(neng)會導(dao)緻單(dan)片機所采(cai)集(ji)到的有(you)效流量值對應(ying)頻率(lü)不準确，從(cong)而産(chan)生了在小(xiao)流量或(huo)低(di)含水(shui)率情(qing)況(kuang)下(xia)，測試(shi)精度(du)下(xia)降(jiang)的現(xian)象，因此(ci)需要對非常小流(liu)量進(jin)行限(xian)制(zhi)。

6結(jie)論
　　本文基(ji)于卡門渦(wo)街原理一種應用于采油井井(jing)下的渦(wo)街(jie)流量(liang)計，并(bing)對其(qi)在充(chong)分混合的(de)油水(shui)兩相介質中的(de)性能進行了試(shi)驗測(ce)試。通過地(di)面循環試驗平(ping)台，讓不(bu)同流量(liang)、不同含水(shui)率的(de)油水兩相(xiang)介質(zhi)流經渦(wo)街(jie)流量計，并(bing)通過(guo)與參(can)考流(liu)量計(ji)的對(dui)比評價(jia)渦街流(liu)量計(ji)的(de)測(ce)量性(xing)能。清(qing)水标定試(shi)驗發(fa)現(xian)，、渦街流(liu)量計(ji)在5～80m3/d範圍的(de)流量測(ce)量(liang)誤差小于1%。油(you)水(shui)兩相(xiang)介質(zhi)測試試驗(yan)發現(xian)，在(zai)不同含(han)水率(lü)的(de)油(you)水兩(liang)相介(jie)質中(zhong)，流量(liang)與渦街脫(tuo)落頻(pin)率能(neng)夠(gou)進(jin)行良(liang)好的(de)拟合(he);當含(han)水率(lü)低(di)于(yu)40%時，非(fei)常大測(ce)量誤差小于(yu)5%;當含水率(lü)高于40%時，測量誤(wu)差小(xiao)于2.5%。此外，試(shi)驗發(fa)現大流量通過(guo)渦街流量(liang)計時(shi)能(neng)夠(gou)減弱(ruo)環境噪聲帶來(lai)的影響，提(ti)高渦(wo)街流量計的測(ce)量精(jing)度。根據上述試(shi)驗(yan)結果以(yi)及油田井下流(liu)量測(ce)量需求可(ke)以得出，本(ben)文中(zhong)油田井下渦街(jie)流量計，在(zai)在清(qing)水介(jie)質中标定(ding)後，不(bu)需(xu)要進行額外(wai)修正便能(neng)夠應用(yong)于(yu)不同(tong)含水(shui)率的(de)油水(shui)兩相介質(zhi)流量(liang)測量(liang)中。

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