一種用于低流量測(cè)量的浮子流量傳感器

于寶，孔垂廣，于靖民

（1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.中國(guó)石油遼河油田公司興隆臺(tái)采油廠，遼寧盤(pán)錦124010）

一種用于低流量測(cè)量的浮子流量傳感器

于寶1，孔垂廣1，于靖民2

（1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.中國(guó)石油遼河油田公司興隆臺(tái)采油廠，遼寧盤(pán)錦124010）

針對(duì)目前廣泛存在的日產(chǎn)量小于10m3的油井及目前所應(yīng)用的渦輪流量計(jì)測(cè)量下限較高和易砂卡等問(wèn)題，根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)原理，建立適合低流量測(cè)量的理論模型，分析其中的影響因素，采用獨(dú)特設(shè)計(jì)技術(shù)，研制出外徑為28mm的浮子流量傳感器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確立油井流量在0～20m3／d變化范圍內(nèi)，所研制的浮子流量傳感器的測(cè)量頻率響應(yīng)與被測(cè)液體流量之間為線性關(guān)系。在模擬仿真系統(tǒng)所能提供的水流量下限（0.24m3／d）和油流量下限（0.05m3／d）情況下，傳感器仍有較高頻率輸出響應(yīng)，表明所研制的浮子流量傳感器適合低產(chǎn)液油井流量測(cè)量。

生產(chǎn)測(cè)井；低孔隙度；低滲透率；油井測(cè)試；產(chǎn)出剖面；流量測(cè)量；傳感器

0 引 言

高含水、低產(chǎn)液是我國(guó)目前多數(shù)油田生產(chǎn)井的主要特點(diǎn)。低產(chǎn)液井通常指總產(chǎn)液量小于30m3／d的井［1－2］。隨著油田開(kāi)發(fā)需求的不斷提高，老式流量測(cè)量?jī)x器很難適應(yīng)新的應(yīng)用需求［3］。遼河油田、華北油田、吉林油田等普遍存在低產(chǎn)液油井，這些油井產(chǎn)液量一般都在10m3／d以下，單層產(chǎn)液量最低可達(dá)1m3／d。目前大慶油田有注水井10 000多口，其中，含低滲透率油層的分注井有8 000多口［4］。據(jù)油田油井管理調(diào)查報(bào)告，在老區(qū)和外圍低滲透油田普遍存在的井下流量計(jì)量程不符的問(wèn)題占流量計(jì)問(wèn)題的91%［5］。大慶外圍油田儲(chǔ)層物理性質(zhì)較差，孔隙度和有效滲透率都很低，屬于低滲透油田。這些區(qū)塊油井產(chǎn)液比較低，平均單井產(chǎn)液在5m3／d以下，對(duì)合層開(kāi)采的井，每層產(chǎn)液就更低了，有的甚至不到1m3／d。因此，提高低產(chǎn)出井測(cè)試資料的準(zhǔn)確度和精確度是急需解決的難題［6－7］。老式流量計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)超量程現(xiàn)象，主要是由于流量計(jì)的啟動(dòng)排量高、量程大、小排量下精度偏低［8－9］。目前常用的渦輪流量計(jì)、示蹤流量計(jì)在高含水、低產(chǎn)液井中，通常會(huì)產(chǎn)生非線性響應(yīng)或非一致性響應(yīng)，已經(jīng)不能很好解決低產(chǎn)液井的實(shí)際問(wèn)題［10－11］。因此，研究啟動(dòng)排量更低的油井流量計(jì)是油田測(cè)試工作必須面對(duì)和解決的重要課題，對(duì)于低滲透油田開(kāi)發(fā)具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 流量測(cè)量原理

圖1為研制的流量敏感元件流量測(cè)量原理圖。流量敏感元件是由圓形浮子和外筒2部分構(gòu)成，其中，浮子為倒T型圓柱體，其上面大部分細(xì)長(zhǎng)，下端面為直徑等于外筒內(nèi)徑的薄圓片；外筒開(kāi)2個(gè)長(zhǎng)方形出液窗口，窗口的下面設(shè)置一個(gè)浮子擋環(huán)，擋環(huán)上表面與窗口下端面平齊。整個(gè)浮子完全浸沒(méi)在液體中。

圖1 低流量測(cè)量原理圖

當(dāng)液體體積流量為0時(shí)，浮子在重力作用下其下端面落在擋環(huán)平面上。隨著液體流量增加，浮子在其薄圓片上下兩面的壓力差的作用下會(huì)向上移動(dòng)，到達(dá)某一位置后達(dá)到平衡狀態(tài)。設(shè)浮子薄圓片的面積為Sa，浮子體積為Va，浮子密度為ρa(bǔ)，外筒出液窗口開(kāi)口寬度為b，液體密度為ρf，流進(jìn)窗口的液體體積流量為Q，流速為v1，流出窗口的液體流速為v2，流體流動(dòng)中浮子薄片受到的上下壓力分別為p1、p2，在壓差作用下浮子在窗口中升起的高度為h，浮子上下兩端面的高度分別為y1和y2。

忽略浮子薄片厚度的影響，通過(guò)受力分析得

流進(jìn)窗口和流出窗口的液體體積流量相等

對(duì)窗口應(yīng)用伯努利方程［12－13］，有

因?yàn)閥1≈y2，則有

聯(lián)立式（1）式（4）得

式中，b、h的單位為cm；ρa(bǔ)、ρf的單位為g／cm3；Sa的單位為cm2；Va的單位為cm3；g的單位為m／s2；Q的單位為m3／d。

由式（7）可以看出液體體積流量Q只與浮子抬升高度h有關(guān)。當(dāng)4b2h2與相比非常小時(shí)，4b2h2／可以忽略，此時(shí)，液體體積流量Q與浮子抬升高度h成正比。

2 測(cè)量模型影響因素分析

從上述得到的液體流量測(cè)量模型中可以看到，液體流量可以通過(guò)測(cè)量浮子上升的高度確定，但還受到出液窗口寬度、浮子材料的密度、浮子的體積和液體的密度影響，這些影響因素對(duì)于浮子流量敏感元件的設(shè)計(jì)有很高參考價(jià)值。

（1）出液窗口寬度變化對(duì)模型的影響。圖2（a）給出了出液口寬度分別為0.6、0.8、1.0cm時(shí)，浮子位移與計(jì)算出的流體體積流量之間關(guān)系交會(huì)圖。從圖2（a）可以看出，不同出液窗口寬度下位移與流體流量關(guān)系曲線在位移較小范圍近似直線關(guān)系，隨著位移增大，曲線非線性化。此外，寬度對(duì)流量測(cè)量的影響也不同。寬度增大，同一浮子位移計(jì)算的流量增大。

（2）浮子材料密度變化對(duì)模型的影響。不同密度的浮子其位移與流體流量關(guān)系曲線在位移較小范圍近似直線關(guān)系，隨著位移增大，曲線非線性化。此外，密度對(duì)流量測(cè)量的影響也不同。密度增大，同一浮子位移計(jì)算的流量增大［見(jiàn)圖2（b）］。

（3）流體密度變化對(duì)模型的影響。不同流體密度下位移與流體流量關(guān)系曲線在位移較小范圍近似直線關(guān)系，隨著位移增大，曲線非線性化。此外，流體密度變化對(duì)流量測(cè)量的影響也不同。密度增大，同一浮子位移計(jì)算的流量減?。垡?jiàn)圖2（c）］。

（4）浮子體積變化對(duì)模型的影響。不同浮子體積下位移與流體流量關(guān)系曲線在位移較小范圍近似直線關(guān)系，隨著位移增大，曲線非線性化。此外，不同的浮子體積對(duì)流量測(cè)量的影響也不同。浮子體積增大，同一浮子位移計(jì)算的流量增大［見(jiàn)圖2（d）］。

圖2 模型影響因素關(guān)系圖

3 傳感器研制

3.1 流量敏感元件

流量敏感元件是將油井流量變化轉(zhuǎn)化為浮子高度變化的裝置，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。它是由倒T型浮子、差動(dòng)變壓器、開(kāi)窗口外筒組成，其中利用了差動(dòng)變壓器線圈骨架作為浮子的導(dǎo)引支架，同時(shí)也利用差動(dòng)變壓器將浮子的位移變化轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)變化。為了配合差動(dòng)變壓器工作，在浮子一定位置處內(nèi)嵌一段鐵氧體磁棒。它的各組成部分均為不銹鋼材料加工而成。

圖3 流量敏感元件結(jié)構(gòu)圖

3.2 測(cè)量電路

測(cè)量電路是用來(lái)將浮子位移變化轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)頻率變化的裝置。它是由正弦波信號(hào)源、差動(dòng)變壓器、差動(dòng)放大器、相敏檢波器、低通濾波器、零位調(diào)整器和壓頻轉(zhuǎn)換器組成，其結(jié)構(gòu)方框圖見(jiàn)圖4［14－15］。其中，正弦波信號(hào)源為差動(dòng)變壓器提供5kHz的調(diào)制用載波信號(hào)。差動(dòng)變壓器將浮子的位移變化通過(guò)磁芯轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛闹绷麟妷鹤兓?，并用該變化的直流電壓去調(diào)制5kHz正弦波，使其變?yōu)檎{(diào)幅波。浮子在離開(kāi)起點(diǎn)不同位置處，調(diào)幅波的幅度和相位不同。差動(dòng)放大器對(duì)差動(dòng)變壓器的調(diào)幅波進(jìn)行幅度放大。相敏檢波器在調(diào)幅波與正弦波信號(hào)源間相位差控制下，對(duì)差動(dòng)放大器輸出的調(diào)幅波進(jìn)行幅度檢波，使其變成與浮子位移成正比的單向脈動(dòng)直流電壓信號(hào)。低通濾波器濾除單向脈動(dòng)直流電壓信號(hào)中的載波成分，使其變成平滑的直流電壓。零位調(diào)整器是當(dāng)流量為0或者說(shuō)浮子處于0位移處時(shí)，不管電路前面電路是否有輸出，輸出的直流電壓是多少，零位調(diào)整器統(tǒng)統(tǒng)輸出一個(gè)恒定電壓；當(dāng)浮子位移變化時(shí)，零位調(diào)整器輸出的電壓為該恒定電壓與由前面轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換的直流電壓之和。壓頻轉(zhuǎn)換器將零位調(diào)整器輸出的直流電壓變?yōu)榕c之成正比的脈沖頻率量，這有利于信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸和提高抗干擾能力。經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換器輸出頻率與浮子位移近似成正比的脈沖信號(hào)給記錄儀器，在采集軟件作用下，輸出流量測(cè)井曲線。

圖4 測(cè)量電路結(jié)構(gòu)方框圖

4 低流量傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)量

4.1 浮子位移與傳感器輸出響應(yīng)之間關(guān)系測(cè)量

將浮子置于0位移處，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路中的零位調(diào)節(jié)電位器，使轉(zhuǎn)換電路輸出頻率為100Hz。依次移動(dòng)浮子，并用游標(biāo)卡尺量出浮子的每次位移，分別讀出對(duì)應(yīng)的由轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號(hào)頻率。整理得到浮子位移與傳感器輸出電信號(hào)頻率間的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖5）。

圖5 浮子位移與轉(zhuǎn)換電路輸出頻率間關(guān)系曲線圖

由圖5可知，浮子位移與傳感器輸出頻率間關(guān)系曲線在位移0～20mm變化范圍內(nèi)基本為直線關(guān)系。如此特性與浮子位移與流量間表現(xiàn)的特性配合，有可能使流量與輸出頻率間成線性關(guān)系。

4.2 流量與傳感器輸出頻率間關(guān)系測(cè)量

實(shí)驗(yàn)在流量模擬仿真系統(tǒng)中進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)和流程示意圖見(jiàn)圖6。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為自來(lái)水和10號(hào)工業(yè)白油。流量模擬仿真系統(tǒng)由油水儲(chǔ)藏罐、油水穩(wěn)壓裝置、油水分離罐、油水控制與計(jì)量裝置、模擬井以及數(shù)據(jù)采集裝置組成。其中，油水穩(wěn)壓裝置通過(guò)設(shè)置在油水儲(chǔ)藏罐中的溢流管將連續(xù)注入的多余油或水泄放達(dá)到流量穩(wěn)定；油水控制與計(jì)量裝置采用閥門(mén)調(diào)控所需流量，由LZB－15及LZB－25玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀出體積流量值。LZB－15量程范圍：10～100 l／h，刻度間隔10l／h，最小刻度1l／h；LZB－25量程范圍：100～1 000l／h，刻度間隔100l／h，最小刻度10l／h。為了測(cè)量準(zhǔn)確，事先分別用量筒對(duì)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度重新進(jìn)行了標(biāo)定。

圖6 模擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流程圖

4.2.1 油、水和油水混合介質(zhì)條件下的流量測(cè)量

將研制的低流量傳感器安裝到垂直模擬井中，采用全集流方式確保全部流體都能夠經(jīng)過(guò)流量傳感器。連接儀器各部分，在模擬井尚未輸出流量情況下，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路中零位調(diào)整器，使頻率計(jì)讀數(shù)為100Hz。啟動(dòng)模擬井循環(huán)系統(tǒng)，讓系統(tǒng)輸出流體分別為自來(lái)水、白油、70%油水混合液體和90%油水混合液體。調(diào)節(jié)模擬仿真系統(tǒng)中油水輸出的流量或比例，介質(zhì)的流量逐漸增大，同時(shí)記錄各流量下對(duì)應(yīng)的輸出頻率。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖7。

4.2.2 油、水及混合介質(zhì)流量測(cè)量結(jié)果分析

由圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，①由于傳感器出液窗口的下端面采用了三角形設(shè)計(jì)以及差動(dòng)變壓器采用了階梯形線圈設(shè)計(jì)技術(shù)，彌補(bǔ)了傳感器由于浮子圓片與外筒存在間隙而對(duì)于低黏度液體在極低流量范圍產(chǎn)生的測(cè)量非線性，使得所研制的浮子流量傳感器對(duì)于水和含水率較高的混合液體的流量測(cè)量響應(yīng)在0～20m3／d變化范圍內(nèi)基本為線性關(guān)系，流量測(cè)量下限對(duì)于混合介質(zhì)條件遠(yuǎn)低于0.24m3／d，對(duì)于全水介質(zhì)條件稍差些，但也比0.24m3／d低得多。傳感器對(duì)白油在模擬仿真系統(tǒng)所限的0～8m3／d流量變化范圍內(nèi)的測(cè)量響應(yīng)也基本為線性關(guān)系，流量測(cè)量下限更小，遠(yuǎn)低于模擬系統(tǒng)提供的0.05m3／d流量下限，只是在流量極低范圍內(nèi)由于傳感器過(guò)補(bǔ)償而出現(xiàn)了非線性。②研制的浮子流量傳感器對(duì)流量的測(cè)量受被測(cè)液體的密度影響，被測(cè)介質(zhì)從白油到水在同一流量條件下測(cè)量響應(yīng)依次增大，這是由于液體的密度依次增大的結(jié)果，該結(jié)果與理論分析相符合。③在0～20m3／d流量變化范圍內(nèi)，對(duì)于油井含水率大于90%的情況，研制的低流量傳感器的流量測(cè)量誤差可以忽略。

圖7 不同介質(zhì)條件下流量與傳感器輸出響應(yīng)間關(guān)系圖

5 結(jié) 論

（1）基于流體力學(xué)有關(guān)原理，建立了一種適合低流量測(cè)量的理論模型，在分析了模型中影響因素基礎(chǔ)上，研制出了一種浮子式低流量測(cè)量敏感元件，其結(jié)構(gòu)有利于防止測(cè)井中的砂卡現(xiàn)象。

（2）采用非接觸位移測(cè)量傳感器和一系列轉(zhuǎn)換電路將浮子位移變化轉(zhuǎn)變成為轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖頻率變化。

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，確立了所研制的低流量浮子傳感器在0～20m3／d的流量變化范圍內(nèi)油井中被測(cè)液體的流量與傳感器輸出頻率之間為線性關(guān)系，在模擬仿真系統(tǒng)所能提供的水介質(zhì)流量下限0.24m3／d和油介質(zhì)0.05m3／d條件下，傳感器仍有較高頻率輸出響應(yīng)，表明所研制的浮子流量傳感器適合于低產(chǎn)液油井流量的測(cè)量。

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A Float Flow Sensor for Low Flow Measurement

YU Bao1，KONG Chuiguang1，YU Jingmin2
（1.School of Earth Sciences，Northeast Petroleum University，Daqing，Heilongjiang 163318，China；2.Xinglongtai Oil Production Plant，Liaohe Oilfield Company，PetroChina，Panjin，Liaoning 124010，China）

At present，the production of oil wells is less than 10m3／d，and the turbine flowmeter often provides non－accurate log responses and results in sanding－in problem，etc.According to the fluid mechanics principle，established are theory models for the low flow measurement，and analyzed are influence factors on the models.Developed is a unique float flow sensor with 28mm diameter.Through a series of experiments，established are linear relationships between the measurement frequency response of the sensor and the measured liquid flow when flow variation range of the oil wells is 0～20m3／d.Estimated is lower flow limit of float flow sensor，the result of which shows that even when the lower water flow limit is 0.24m3／d and lower oil flow limit is 0.05m3／d，the sensor also has higher frequency output response，which indicates that the float flow sensor developed is suitable for lower yield oil wells flow measurement.

production logging，low porosity，low permeability，oil well testing，output profile，flow measurement，sensor

P631.83

A

2011－12－15 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）04－0401－05

于寶，男，1964年生，碩士，副教授，從事油井產(chǎn)出剖面系列測(cè)試儀器與測(cè)試技術(shù)研究以及油藏物性參數(shù)測(cè)量技術(shù)研究工作。