摘要:通過(guò)將流量計(jì)安裝在注水井配注裝置內(nèi)，實(shí)現(xiàn)井下分層注水量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。目前地面上進(jìn)行流量測(cè)量的流量計(jì)種類較多，但大多不適合在井下長(zhǎng)期使用，且無(wú)法滿足配注裝置內(nèi)部的空間要求。對(duì)比油田測(cè)試常用流量計(jì)的功能特點(diǎn)，優(yōu)選流量測(cè)量方式;綜合考慮流態(tài)、結(jié)構(gòu)尺寸約束和壓力損失等因素并通過(guò)FLUENT軟件模擬確定了流量計(jì)的尺寸，優(yōu)選差壓傳感器并設(shè)計(jì)保護(hù)組件。室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明:流量計(jì)測(cè)量值較為準(zhǔn)確，測(cè)量誤差小于5%。
　　油田針對(duì)分層注水井測(cè)調(diào)工藝繁瑣、工作量大［1］、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分層注水量并根據(jù)總注水量的變化對(duì)井下分層水嘴進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等問(wèn)題。井下分層注水量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)將流量計(jì)安裝在配注裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)，流量計(jì)有小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、穩(wěn)定可靠等基本要求。目前用來(lái)在地面上實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的流量計(jì)有幾十種之多，但大多不適合在井下長(zhǎng)期使用，一方面由于地面和井下的環(huán)境差異(溫度、壓力)，另一方面是目前的流量計(jì)的體積、安裝方式無(wú)法直接用于配注裝置上，因此需要根據(jù)現(xiàn)有流量測(cè)量原理，適合于井下流量測(cè)量的小型流量計(jì)。
1小型孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)
1.1流量測(cè)量方式的選擇
對(duì)井下分層注水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)使用的流量計(jì)有以下要求:
(1)長(zhǎng)期使用的可靠性。目前井下常用流量計(jì)的使用僅限于測(cè)試，測(cè)試后即可進(jìn)行維護(hù)、標(biāo)定。所述的流量計(jì)，在井下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用，其可靠性要求遠(yuǎn)大于目前使用的流量計(jì)。
(2)結(jié)構(gòu)緊湊。流量計(jì)安裝于配注裝置的環(huán)空內(nèi)，空間位置有限，流量計(jì)的直徑受到限制，其直徑小于30mm。
(3)具備抗堵塞能力。分層計(jì)量流量計(jì)的通道較小，容易產(chǎn)生堵塞，需保持流道通暢。
　　進(jìn)行流量測(cè)量方式的選取。電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜［2－3］，小型化則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難;渦街流量計(jì)怕震動(dòng)［4］，不利于井下長(zhǎng)期使用;靶式流量計(jì)對(duì)流體的要求較高［5］，不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量，且流體必須充滿流量計(jì)的測(cè)量管;標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)采用圓形薄壁孔板，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)［6］，常用來(lái)做污水計(jì)量，此外孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，因此流量測(cè)量方式選用孔板式。
1.2小型孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)
　　按照配注裝置整體結(jié)構(gòu)排布(截面如圖1所示)，流量計(jì)測(cè)量通道的最大外徑為26mm。由于配注裝置結(jié)構(gòu)緊湊，按照標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)法蘭夾持孔板的結(jié)構(gòu)形式無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此在小型化的設(shè)計(jì)上，取消了法蘭連接，大大縮小了外徑尺寸，如圖2所示。


　　孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)保證流道內(nèi)的流體處于紊流狀態(tài)，避免流態(tài)變化引起流量測(cè)量誤差。由于結(jié)構(gòu)約束關(guān)系，孔板流量計(jì)的流道直徑設(shè)計(jì)為14～22mm，單層注水量取Q=2～20m3/d。計(jì)算孔板流量計(jì)的雷諾數(shù)與流道直徑和單層注水量之間的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖3。
　　流道直徑減小，有利于提高測(cè)量精度，但流道過(guò)小會(huì)增大沿程阻力。流道直徑為14～22mm，單層注水量取Q=5～50m3/d，按照達(dá)西－韋斯巴赫公式(1)與布拉修斯公式(2)［7］計(jì)算流量計(jì)流道內(nèi)的壓力損失。從圖4可以看出:隨著流道直徑的增加，流阻明顯下降，若要減小壓力損失，流道直徑應(yīng)盡量大。

式中:hf為沿程阻力損失;λ為沿程阻力系數(shù);L為流道長(zhǎng)度;v為平均流速;D為流道直徑;g為重力加速度;Re為雷諾數(shù)。

　　綜合考慮流態(tài)、結(jié)構(gòu)尺寸約束和壓力損失等因素，小型流量計(jì)流道直徑取值范圍為14～22mm。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的直徑比一般在0.2～0.75之間［8］。根據(jù)以上分析取流道直徑的1/3～1/2作為孔板直徑較為合適�？装逯睆皆叫�，流量計(jì)靈敏度會(huì)越高，有利于傳感器檢測(cè)，但也會(huì)引起壓力損失的增加，如果孔板直徑過(guò)小，也存在孔板被堵塞的危險(xiǎn)。綜合考慮各因素，流量計(jì)孔板直徑取值范圍為5～16mm。
1.3小型孔板流量計(jì)的模擬仿真計(jì)算
　　運(yùn)用FLUENT軟件與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)流量－壓差計(jì)算公式(3)，對(duì)量程為3～30m3/d的流量計(jì)對(duì)應(yīng)的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，繪制的流量與壓差關(guān)系曲線如圖5—6所示�？装鍍啥俗罡邏翰顬�0.2MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)流量計(jì)的流道尺寸為:流道直徑14mm，孔板直徑5.1mm。

式中:qv為體積流量;C為修正系數(shù);β為流量計(jì)的直徑比;A0為流道橫截面積;Δp為流道出口與入口處的壓差;ρ為流體密度。


　　在3～30m3/d流量計(jì)設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)上，利用FLUENT軟件對(duì)量程分別為15～150m3/d、30～400m3/d的流量計(jì)對(duì)應(yīng)流道進(jìn)行了模擬，繪制流量與壓差關(guān)系曲線如圖7—8所示。


　　可以看出:孔板兩端最高壓差為0.2MPa時(shí)，量程15～150m3/d對(duì)應(yīng)流量計(jì)的流道尺寸為:流道直徑18mm，孔板直徑10.3mm;量程30～400m3/d對(duì)應(yīng)流量計(jì)的流道尺寸為:流道直徑20mm，孔板直徑15mm。
1.4差壓傳感器的優(yōu)選與保護(hù)
　　差壓傳感器的選型原則:流量測(cè)量通道壓差損失小，滿足配注器的結(jié)構(gòu)尺寸要求，測(cè)量精度高以及耐高溫高壓。選擇的差壓傳感器性能參數(shù)如下:差壓0～0.2MPa、精度0.1%、耐溫－40℃～125℃、外形尺寸��19mm×35mm。
　　選用該差壓傳感器，承受的絕對(duì)壓力可以滿足設(shè)計(jì)要求，傳感器綜合精度為0．1%，流量分辨率較高、可區(qū)分0．5m3，40m3的水流沖擊為0.19MPa(＜0.2MPa)，不易損壞。
　　差壓傳感器承受的壓差不能超過(guò)工作壓差的3倍，為防止高壓差或尖峰壓力脈沖對(duì)傳感器的損壞，設(shè)計(jì)了單向閥和波紋管保護(hù)組件，與流量計(jì)共同夠成流量計(jì)短節(jié)，如圖9所示。其中單向閥保護(hù)組件主要是用來(lái)防止長(zhǎng)時(shí)間的高壓差對(duì)傳感器造成損害;波紋管保護(hù)組件采用低剛度金屬片，迅速做出緩沖壓力較大的脈沖，主要是用來(lái)吸收快速的尖峰壓力脈沖，防止尖峰壓力脈沖損壞。單向閥與波紋管相輔相成可以有效地保護(hù)傳感器不被損壞。

2室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
2.1室內(nèi)試驗(yàn)
　　在室溫25℃，流量0～300m3/d對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的量程范圍1.5～450m3/d，精度0.1%。在圖10所示的流量計(jì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，分別進(jìn)行正行程和反行程流量測(cè)試，流量標(biāo)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
　　試驗(yàn)結(jié)論:試驗(yàn)流量最小為2.6m3/d，最大為286.1m3/d，流量標(biāo)定最大誤差正行程為3.9%，反行程為3.7%，流量與壓力計(jì)數(shù)呈拋物線關(guān)系。將正行程和反行程的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖11所示，曲線基本重合，誤差很小，說(shuō)明流量計(jì)重復(fù)性高。



2.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
　　該井上層配注30m3/d，下層配注20m3/d，井下小型孔板流量計(jì)測(cè)量值在多功能配注裝置上顯示上層注水量32.3m3/d，下層注水量19.4m3/d，地面水表顯示50m3/d。為驗(yàn)證分層流量調(diào)配結(jié)果是否準(zhǔn)確進(jìn)行了超聲波流量計(jì)測(cè)試驗(yàn)證，分層水量調(diào)配結(jié)果、超聲波流量計(jì)測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果與地面水表計(jì)量結(jié)果3個(gè)參數(shù)吻合度達(dá)到95%以上。
　　該井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)9個(gè)月以來(lái)，不斷跟蹤現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)試情況，超聲波流量計(jì)分層測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果顯示:井下小型孔板流量計(jì)測(cè)量值在多功能配注裝置上顯示的測(cè)試誤差仍小于3%。目前已開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)6口井，測(cè)試誤差均小于5%，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果良好。
3結(jié)論
(1)小型孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，安裝于配注裝置內(nèi)，與配注裝置在井下長(zhǎng)期使用，進(jìn)行井下分層注水量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。
(2)試驗(yàn)結(jié)果顯示，小型孔板流量計(jì)測(cè)量值較為準(zhǔn)確，計(jì)量誤差小于5%。
(3)單向閥和波紋管保護(hù)組件有效防止高壓差或尖峰壓力脈沖對(duì)傳感器的損壞，提高了流量計(jì)的工作可靠性。

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