基于壓差測量的注水井分層流量測量技術(shù)

劉 均 鄒彥艷

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

在油田開發(fā)后期，由于地下壓力減小，石油已不能自噴到地面，因此需要向地下注水以維持地層壓力，使地下油藏重新獲得較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力。由于石油只存在于特定的地層中，且在油田開發(fā)后期油藏減少，只有通過特定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出油藏的位置和驅(qū)動(dòng)所需的壓力，才能將油藏驅(qū)動(dòng)到采油井的位置，從而抽至地面，完成石油的開采。要維持含油層與相鄰地層之間的壓力，必須精確控制不同地層的水注入量，以便有效地提高石油采收率[1]。

注水井是一種特殊的井，其結(jié)構(gòu)比較簡單，在不同的地層有不同的注水口，通過調(diào)整注入流量完成不同地層水的注入。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，在地面只能測量出整口井的注入流量，因此為了測試各地層的注入流量，必須設(shè)計(jì)合理的井下儀器，在每個(gè)注水口完成注入流量的測量[1～5]。目前普遍使用的流量計(jì)有渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和靶式流量計(jì)，但渦輪流量計(jì)的精度較差，超聲波流量計(jì)的探頭容易污損，都不適用于注水井的流量測量。壓差流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定得到了廣泛應(yīng)用，但其具有測量下限，當(dāng)流速特別慢時(shí)，壓差非常小，測量誤差較大，因此壓差流量計(jì)只能用于流量相對較大的場合[6, 7]。筆者基于壓差流量計(jì)設(shè)計(jì)了用于注水井分層流量測量的分層測試流量計(jì)。

假設(shè)管道中有一個(gè)柱錐體，且其位于管道中心線上(圖1)。在A-A斷面處，流體流速為VA，密度為ρA，管道直徑為D，斷面面積為SA；在斷面B-B處，流體流速為VB，密度為ρB，斷面為環(huán)形，其面積為SB，柱錐體直徑為d。

圖1 管道中柱錐體壓差測量示意圖

對于管道內(nèi)流動(dòng)的流體，根據(jù)流體力學(xué)的伯努利定律，在封閉空間中，流體的總能量始終保持為一個(gè)常數(shù)[8]。伯努利方程為：

(1)

式中pA、pB——斷面A-A、B-B處的壓力；

ZA、ZB——斷面A-A、B-B處的位置水頭。

由于斷面A-A、B-B的位置相鄰，因此可以忽略ZA、ZB的影響。假設(shè)流體是不可壓縮的，則壓差Δp為：

(2)

斷面A-A為圓形，斷面B-B為環(huán)形，為了與壓差流量計(jì)采用統(tǒng)一的表示方法，將斷面B-B的過流面積等效為圓形，從而定義出等效直徑比β為：

(3)

對于管道來說，流量與流速滿足q=V×S，同時(shí)，VA×SA=VB×SB，因此可將式(2)變換為：

(4)

整理后，得到流量與壓差的關(guān)系為：

(5)

式(5)說明壓差與流量成平方關(guān)系，因此只要知道了壓差就可以求出流量。

2 柱錐體壓力分布的數(shù)學(xué)仿真

Fluent軟件可以針對具體的管道和節(jié)流體進(jìn)行仿真分析。仿真時(shí)選取β=0.55的柱錐體，使用Simplec算法求解離散網(wǎng)格，使用系統(tǒng)默認(rèn)的松弛因子。Fluent繪制出錐角為30°時(shí)的柱錐體壓力分布云圖如圖2所示。

圖2 錐角為30°時(shí)的柱錐體壓力分布云圖

當(dāng)流體在圓形管道中流動(dòng)時(shí)，各位置的流速不一樣，越靠近管道中心線流速越大，當(dāng)流體流過柱錐體時(shí)，過流面積變?yōu)榄h(huán)形，流速增大，在柱錐尖端處壓力最大，但并不穩(wěn)定，不能用于測量。60°錐角的柱錐體壓力分布云圖如圖3所示，從圖3可以看出流體的不穩(wěn)定現(xiàn)象更加明顯。

圖3 錐角為60°時(shí)的柱錐體壓力分布云圖

從圖2、3還可以看到有湍流現(xiàn)象產(chǎn)生，且錐角越大，湍流現(xiàn)象越強(qiáng)。這說明錐角較小時(shí)，壓力變化受湍流影響較??；錐角較大時(shí)，湍流導(dǎo)致壓力產(chǎn)生波動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)柱錐時(shí)前錐角應(yīng)較小。

3 壓差測量

為了獲取柱錐體產(chǎn)生的壓差，需要使用壓差傳感器。由于當(dāng)流量較小時(shí)，壓差也比較小，因此需要選用靈敏度高、響應(yīng)速度快的壓差傳感器，而電容式壓差傳感器能夠滿足這種要求[9, 10]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖4 電容式壓差傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

電容式壓差傳感器由兩個(gè)鍍金玻璃圓盤基片和一個(gè)金屬膜片組成，玻璃圓盤上有一個(gè)圓形凹面，深度大約25μm。當(dāng)金屬膜片兩端受到的壓力相等(p1=p2)時(shí)，膜片處于兩個(gè)玻璃圓盤中間，此時(shí)膜片與兩側(cè)玻璃圓盤形成的電容值C1和C2相等，且C1=C2=C0；當(dāng)p1>p2時(shí)，膜片向p2方向彎曲，且與玻璃圓盤形成的電容C2增大、C1減小。筆者設(shè)計(jì)了圖5所示的差動(dòng)脈寬調(diào)制電路將電容差值轉(zhuǎn)換為電壓值。

圖5 電容式壓差傳感器測量電路

對于圖5中的電路，有：

(6)

(7)

式中T1、T2——電容C1和C2的充電時(shí)間；

UA、UB——A、B點(diǎn)的矩形脈沖直流分量；

U1——觸發(fā)器輸出的高電位。

當(dāng)R1=R2時(shí)，由于電容的充電時(shí)間與電容值成比例關(guān)系，可以計(jì)算出U0為：

(8)

當(dāng)C1=C2時(shí)，U0是方波，占空比為1∶1；當(dāng)C1≠C2時(shí)，改變的是U0的占空比，因此通過測量占空比就能測得壓差。

4 分層測試流量計(jì)

分層測試流量計(jì)分為地面部分和井下部分(圖6)。井下部分主要由節(jié)流柱錐體、位于柱錐體內(nèi)部的壓差傳感器和信號調(diào)理電路組成，在柱錐體的前端和側(cè)面各有一個(gè)取壓口將壓力引導(dǎo)至壓差傳感器的兩端；信號調(diào)理電路主要包括壓差測量電路和信號變換電路，電路由地面電源通過電纜供電，完成占空比測量后將數(shù)據(jù)編碼，采用CAN總線將結(jié)果通過電纜傳遞至地面。地面部分主要包括地面控制板和上位機(jī)，地面控制板完成測量信號的接收后，將其送入上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

圖6 分層測試流量計(jì)工作示意圖

采用流量差測量的方法測量注水井中各注入層的注入流量，在注水口下方和上方的直管段內(nèi)各測量一次流量，兩次流量的差值就是本層的注入流量。

筆者設(shè)計(jì)的分層測試流量計(jì)的性能完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，流量測量范圍5～125m3/d，誤差小于0.5%，對比超聲波流量計(jì)，該流量計(jì)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、壓力損失小和運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。在測量過程中，由于井筒直徑的一致性不是很好，導(dǎo)致測量產(chǎn)生誤差，因此需要在儀器上串聯(lián)井筒直徑測量裝置。另外，還必須串聯(lián)扶正裝置，保證柱錐體始終位于井筒的軸心線上。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的分層測試流量計(jì)使用柱錐體作為節(jié)流體，且其可以沿井筒上下移動(dòng)，使得儀器能夠測量井筒中不同位置的流量。柱錐體對流體的阻力較小，具有平滑的壓差特性，而且具有精度高和測量范圍寬的特點(diǎn)。筆者使用電容壓差測量技術(shù)測量壓差，儀器反應(yīng)靈敏，可以測量快速變化的流量，經(jīng)過改進(jìn)后不但可以用于測量井下流量，也可以用于測量地面管道內(nèi)的流量。不同直徑的井筒需要使用不同直徑的柱錐體，以保證等效直徑比在合適的范圍內(nèi)，減小測量誤差。

[1] 石曉渠，馬道祥.注水井合理配注水量計(jì)算方法研究[J].西部探礦工程，2008，(9)：94～96.

[2] 馮定，徐冠軍，黃朝斌.基于文丘里的井下流量計(jì)量[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，32(1)：151～154.

[3] 馮定，尹松，王鵬.井下流量實(shí)時(shí)計(jì)量與控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2007，29(4)：148～150.

[4] 李群生，朱禮平，李果，等.基于井下流量測量的微流量控制系統(tǒng)[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(3)：23～27.

[5] 劉日武，劉俊麗，劉振慶.注水井試井方法綜述[J].油氣井測試，1998，7(1)：69～73.

[6] 范玉浪.內(nèi)外管差壓流量計(jì)的優(yōu)化仿真和實(shí)驗(yàn)研究[D].太原：中北大學(xué)，2014.

[7] 王茜.流量計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科技信息，2008，(3)：32，53.

[8] 孫延祚.“V”型內(nèi)錐式流量計(jì)[J].天然氣工業(yè)，2004，24(3)：105～110.

[9] 李新元，宋寶玉，齊毓霖，等.高壓壓差傳感器的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，1990，(6)：24～27.

[10] 王香文.耐高溫小型壓差傳感器的研制[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2013，40(5)：11～12，14.