摘要：井下涡街流量计是一种新型的同心集成注水井分层流量测试仪。文中着重介绍了其原理、结构、特点及室内实验、现场应用情况。该仪器已在大庆等油田完成160多层测试任务,应用效果良好。
油田的分层开采发挥了重要作用,其关键是分层注水。随着分层注水的发展,相应的分层流量测试也有了长足的进步,从初期的投球法测试到浮子流量计,再到现在的超声波流量计、电磁流量计等,都先后为油田分层流量测试技术的发展做出了贡献。
以往涡街流量计主要用于地面的流量检测,还没有关于其在井下测试中应用的报道。2001年涡街流量计在井下测试的可能性,目前已研制出两个系列的井下涡街流量计,一种是外径φ21mm,用于同心集成注水井的分层流量测试(已完成40多口井160多层的测试);一种是外径φ38mm,用于常规偏心注水井的测试。本文着重介绍外径φ21mm的井下涡街流量计。
井下涡街流量计工作原理
涡街流量计是基于卡曼涡街原理制成的一种流体振荡性流量计(见图1)。在流体中安放一根(或多根)非流线型阻流体,流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的漩涡,被称为卡曼涡街。在一定的流量范围内漩涡的分离频率正比于管道内的平均流速。
式中:ƒ一涡街频率;
V一流速;
d一漩涡发生体宽度;
St一斯特劳哈尔数。
St的值与漩涡发生体宽度d和雷诺数Re有关，实验证明:当Re在2x104~7x106的范围内,St值基本保持不变。因此,(1)式表明,当d和st为定值时,漩涡产生的频率ƒ与流体的平均流速V成正比,利用这一特性制成井下涡街流量计。实际涡街传感器所测的并不是平均流速,而大约是漩涡发生体两侧的流速。由流体力学知识可知,在漩涡发生体两侧流速的分布规律,是随着流速的变化而变化的。因此,涡街传感器检测到的流速与管道平均流速不是完全线性关系对应,而且井下流动状态更为复杂,受压力变化、噪声、振动等影响。在设计时，先确定井下涡街流量计的管径,再通过室内试验，选定漩涡发生体的形状,以及漩涡发生体与漩涡检测体之间的距离等一系列参数,使井下涡街流量计能够产生并检测到强烈而稳定的漩涡;其次,通过井下电路的降噪、滤波和地面软件的处理,使井底的噪声和振动等影响降到最小，保证流量计的测试精度达到足够的要求。在实际使用时,通过先把涡街传感器的仪表系数固化在流量计的E2PROM中,然后通过标定用地面软件绘制出的频率与标准流量的试验曲线,实现对井下涡街流量计的非线性修正。
井下涡街流量计的设计
1.工艺流程
井下电路原理见图2。当流体流经井下涡街流量计的漩涡发生体时，这种发生体可产生强烈的稳定的旋涡,旋涡的频率经信号放大后进行滤波，然后由转换电路转换成单片机可处理的信号,由单片机对信号进行接收、处理，并存于存储器中,存储器中的数据可用接口与地面仪表连接回放。
2.数据处理软件
井下涡街流量计数据采集处理系统由一台便携式微型计算机构成。微机通过串行口与流量计进行通讯。控制软件对计算机的配置要求宽松,操作系统兼容MicrosoftWindow95.98、NT或2000。
井下控制软件采用PLM语言编制,主要包括标定、采集和回放三部分。利用节能控制方式控制仪器工作,仪器工作时间和工作方式可以方便地调整。地面数据处理软件采用Delphi语言编制,软件和电子流量计配合使用,自动测量每口井不同介质、不同井层的流量和温度数据,从而实现注水井计量统计的自动化。其中本系统软件主要实现的功能是将流量计测量的原始数据进行加工整理，然后在测量结果的基础上绘制出流量压力指示曲线,并将每次测量的原始数据和最终结果以图像或数据表格的方式进行预览打印和归类保存。软件不需要安装,直接复制到目标目录即可，软件界面友好,操作简便、易学,在应用中得到了使用者的好评。
3.井下仪器结构
井下涡街流量计整体为不锈钢全密封结构,如图3所示，主要由引管、涡街传感器仓、走线盒、进液孔、电路仓和电池仓组成。
室内试验
为检验流量计性能指标,为现场试验提供依据，流量计组装、调试完成后进行系统的室内试验。
1.室内耐压耐温试验
将接通电源的流量计下人到试验缸中进行试验,向试验缸中注人柴油并升温到85℃,升压到60MPa,稳定压力、温度1h后泄压。反复升压、稳压、泄压两次，完成流量计耐压、耐温及疲劳试验。流量计起出后,经检验外型无形变,流量计传感器、线路筒及电池筒无渗漏。室内耐温耐压试验表明，随着温度、压力的变化流量计工作状态稳定,温度在30℃~85℃之间,零点数据的温度漂移为0.016%/℃(试验数据略)。流量计耐压、耐温性能可以满足现场的需要。
2.流计标定试验
标定曲线和回归曲线见图4、图5。从标定曲线上看,井下涡街流量计在流量发生变化时,曲线台阶有明显变化,回归曲线近乎直线,说明其线性很好。.在室内对十几只流量计进行了标定试验,其标定曲线及回归曲线非常相似。同时.用标定好的流量计在室内模拟井下测试,试验表明,该井下涡街流量计用于分层注水井流量测量是可行的。
3.流量计性能参数
流量计参数可由图6、表1得出。
(3)稳定性
由于井下涡街流量计没有可动部件,所以它的特性在使用中变化很小，在长时间使用过程中参数十分稳定,而且不需频繁标定,暂定为半年标--次。现场试验利用该技术,使用φ21mm井下涡街流量计先后在6个油田完成了40多口井160层同心集成注水井的分层流量调配，应用效果良好。
图7是采油一厂南1-2-水140井第--层流量测试曲线,从现场施工过程和测试曲线看,井下涡街流量计具有以下两个优点:
(1)井下涡街流量计分辨率高。图7中第一压力点和第二压力点流量测试值仅相差1m3/d左右。
(2)井下涡街流量计由于没有可动部件,弥补了注水水质较差时堵、塞仪器造成测试成功率低、测试周期长等不足。使用井下涡街流量计对同心集成注水井进行流量调配,平均测试次数是2~3次,大大缩短了测试周期。
结论
1.井下涡街流量计与同心集成式细分注水工艺配套,可满足现场分流测试调配要求。注水水质较差时,适应性好,而且还能用于偏心注水井的测试。
2.井下涡街流量计具有无可动部件、测试精度高、重复性好,操作简便易行等特点,符合未来流量测试的发展方向。
3.井下涡街流量计稳定性好,不需要频繁标定。
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