摘 要：在一體化分層注水工藝中，每個層段的流量都要正確測量，而其所需的流量計必須能長期置于井下，綜合考慮選擇渦街流量計作為智能分層注水工藝中的流量檢測裝置。但渦街流量計易于受到管道震動和流場擾動引起的噪聲干擾，且注水管道在注水的過程中更容易產(chǎn)生干擾信號，尤其在小流量處很難分辨出傳感器產(chǎn)生的頻率信號。根據(jù)渦街流量計的特點，提出一種以硬件和Mallat算法相結(jié)合，處理低頻段無法分辨的問題，并進(jìn)行了試驗驗證和現(xiàn)場應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，使用該種方法，能有效的減少噪聲干擾，降低了流量計的下限，提高了精度。
　　分層注水工藝目前具有機電一體化特色數(shù)字化全自動控制技術(shù)，但其技術(shù)壁壘為流量計的長期檢測。在傳統(tǒng)工藝上測調(diào)儀上使用的電磁流量計和超聲波流量計對長期置于井下進(jìn)行單層段的注入流量檢測存在一定不適用性，例如表面存在結(jié)垢等將使其失效。由于以上原因和須長時間放置井下及空間尺寸等因素，一體化分層注水工藝中選擇了渦街流量計，但渦街流量計其最大的缺點是量程下限高，當(dāng)測量小流量的時候測量很不準(zhǔn)確。隨著油田進(jìn)入特高含水期，單層小流量層段逐年增加，直接影響剩余油的挖潛，其配套的單層小流量分注技術(shù)成為生產(chǎn)首要解決問題，這也導(dǎo)致一體化分層注水工藝中流量下限成為了一個重要指標(biāo)。
　　鑒于此，開展了一體化分層注水工藝單層流量檢測的研究工作，提出了信號的前期硬件預(yù)處理和采用小波分解提取小流量時產(chǎn)生的渦街信號這一綜合方法。
1 井下渦街流量計測量原理及工程分析
　　隨著石油采油工藝的發(fā)展及技術(shù)的進(jìn)步，水驅(qū)工藝已從籠統(tǒng)注水轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱幼⑺�，現(xiàn)大規(guī)模使用的分層注水工藝為橋式偏心、同心高效測調(diào)兩大主體技術(shù)［1-2］，雖然達(dá)到分層注水的目的，但每次調(diào)配都需測調(diào)車及現(xiàn)場作業(yè)，隨著井?dāng)?shù)和層段數(shù)逐年增加，現(xiàn)有測試隊伍已不能滿足測試要求，導(dǎo)致注水合格率下降，水驅(qū)效果差。為解決這一問題，油田采用預(yù)置電纜或存儲的方式，每層段配備一體化配水器，內(nèi)置流量計、壓力計和調(diào)節(jié)總成，直接獲取每一層段的流量和壓力，利用流量檢測值調(diào)節(jié)注水閥的開度，實現(xiàn)流量閉環(huán)控制，達(dá)到配注的要求。以預(yù)置電纜注水工藝為例，其工藝管柱如圖 1 所示。每一層段用過電纜可洗井封隔器隔開，達(dá)到分層的目的，注入層段長期放置一體化配水器，與油管連接，通過調(diào)節(jié)注水閥的開度來配注該層段的注入流量和壓力，單層段采用渦街流量計實現(xiàn)流量注入的檢測。但由于渦街流量計探頭受井下流體的噪聲、注水閥截流壓差大導(dǎo)致穩(wěn)流場性能差等影響，在小流量檢測時很難采集到準(zhǔn)確的渦街信號，因此渦街流量計的下限很高，難以滿足小流量注水井檢測的生產(chǎn)要求。

　　渦街流量計是利用流體力學(xué)中著名的卡門渦街原理，即在流動的流體中，垂直于流體流向安放一根非流線型旋渦發(fā)生體，隨著流體流動，當(dāng)管道雷諾數(shù)達(dá)到一定值時，在發(fā)生體兩側(cè)就會交替地分離出卡門渦街，旋渦頻率和流速成線性關(guān)系，流量測量的關(guān)鍵在于測定渦街流量信號的頻率，渦街流量計就是基于“卡門渦街”原理而研制的新一代流量測量儀表。
　　依據(jù)卡曼的研究，渦街列多數(shù)是不穩(wěn)定的，只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排渦列，且渦列寬度 h與同列相鄰的兩旋渦的間距 l 之比滿足 h l = 0.281（對圓柱形旋渦發(fā)生體）時，渦街列才穩(wěn)定［3-4］。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為 f ，被測流體的平均流速為 U ，旋渦發(fā)生體迎面寬度為 d ，表體通徑為 D ，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式：

　　式中：U1為旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，單位是 m/s，Sr 為斯特勞哈爾數(shù)；m 為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比。

式中：K —流量計的儀表系數(shù)，脈沖數(shù)/m3。
　　K 除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還有斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)。

　　圖 2 所示為渦街流量計的實物圖，虛線為流道及方向。根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計的液體通道直徑為 15 mm，其穩(wěn)流場的長度為 150 mm，其原始量程范圍為 10m3/d~100 m3/d。圖 3 所示為渦街流量計的剖面圖，由渦街發(fā)生體、渦街列檢測傳感器、鋼體構(gòu)成，當(dāng)流體流經(jīng)渦街發(fā)生體之后產(chǎn)生渦街列，渦街傳感器會將此渦街列轉(zhuǎn)化成電信號用于之后的處理。

2 渦街流量計信號的分析與處理
　　渦街流量計具有穩(wěn)定性好、體積小、功耗小、溫度漂移小等優(yōu)點，但受檢測探頭制作工藝空間尺寸的限制，流道內(nèi)徑目前只能做到 15 mm，在低于 10m3/d 小流量情況下，存在低流速產(chǎn)生的渦街信號難以分析的問題，影響其在油田注水井中適用范圍。為進(jìn)一步擴大流量下線的檢查范圍，從硬件電路采集和數(shù)據(jù)處理兩個方面提出了一種解決渦街信號低頻段難以分辨的方法。
2.1 渦街流量計輸出信號分析
　　渦街流量計采用壓電應(yīng)力式傳感器，流體經(jīng)渦街發(fā)生體后所產(chǎn)生的渦街信號理論上為純正的正余弦信號，但實際中由于受到管壁震動、電磁干擾、白噪聲的影響，其信號為復(fù)合信號。根據(jù)實際情況及理論分析，用下面的式子表達(dá)渦街傳感器的輸出信號模型［5-6］：

　　該干擾噪聲主要由震動的干擾信號產(chǎn)生，如井下電機的震動、注水井管壁的震動引起的震動噪音傳到傳感器上，也有一部分為電磁干擾，但由于在井下，電磁干擾部分相對來說較少。
　　fai和 fbj中還包含了一些不規(guī)則的隨機噪聲的各個諧波分量，這種噪音有環(huán)境引起，頻率和幅值都無一定的規(guī)律，有很大的隨機性。圖 4 為渦街流量計采集到的實際數(shù)據(jù)。

　　圖 4 中為采集渦街信號的真實值，首先在無流量下采集一組白噪聲a1，可看到其有一定的噪聲干擾，圖4中的a2曲線為在小流量的時候產(chǎn)生的信號，雖然能看出一定的波動，但是無法進(jìn)行分辨，監(jiān)測出有效頻率（對應(yīng)流量為 6 m3/d），圖 4 中的 a3 曲線為大流量的時候產(chǎn)生的渦街信號（測試的流量為18m3/d），可清晰的分辨出該渦街信號，其產(chǎn)生的渦街頻率大致為1 500 Hz。
　　由上可知，該渦街流量計在測量大流量的時候可準(zhǔn)確的測量，但其測量小流量的時候由于產(chǎn)生的渦街信號幅值較小和受到干擾噪聲的影響無法測量出真實值。
2.2 渦街流量計的信號處理
　　由上面的分析可知流體在大流量的時候，該流量計可準(zhǔn)確的測量也就是能檢測出可分辨的渦街信號（也就是輸出的高頻信號），無需對該段進(jìn)行處理。在試驗中流量在 10 m3/d 以上時即產(chǎn)生的頻率為760 Hz以上的時候，可準(zhǔn)確的測量出流量。但是當(dāng)流體的流量在 10 m3/d 以下即產(chǎn)生的頻率在 760Hz 以下的時候，無法進(jìn)行分辨，需對低頻段的信號進(jìn)行處理。由于流體在小流量時其產(chǎn)生的渦街幅值較小和噪聲影響較大，分兩個方面進(jìn)行處理，一個是根據(jù)渦街幅值較小的方面進(jìn)行處理，另一個從噪聲影響方面進(jìn)行處理。
2.2.1 低頻段渦街流量計的信號放大
　　低頻段產(chǎn)生的信號無法進(jìn)行分辨的一個重要原因就是其信噪比比較小，即渦街產(chǎn)生的幅值和噪聲信號產(chǎn)生的幅值比較接近，無法進(jìn)行識別，采用硬件手段將渦街流量計產(chǎn)生的信號進(jìn)行放大，增加信號的信噪比，在信號檢測環(huán)節(jié)設(shè)計一個前置放大電路。
　　由于壓電晶式傳感器的輸出阻抗比較高，因此放大器的設(shè)計也比較特殊，須設(shè)計專用的前置放大器，才能較理想的將輸入的電荷量轉(zhuǎn)化成電壓量［7-10］。圖5為渦街傳感器的放大等效電路，其自身有一個很大的電阻（幾十兆歐級），輸出的能量很小，設(shè)計放大檢測器，將輸出的弱信號放大，同時將檢出器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。

　　圖5中Ca為等效壓電傳感器的靜態(tài)電容；Ra為等效壓電傳感器的絕緣電阻；C1、C2 為放大電路的輸入電容；C3、C4 放大電路的反饋電容；R1 為放大電路的反饋電阻；R1 為匹配電阻，為了與傳感器的阻抗匹配，一般為 10~20 MΩ；R2 與 R3 為電荷放大器的直流反饋電阻，一般為兆歐級，起到穩(wěn)定放大器直流工作點的作用；由于是兩路信號輸入，此時電荷放器也有差分放大的作用，輸出為兩輸入電荷信號的差分電壓值。

的截止頻率（-3 d B），信號將大幅衰減。綜上所述，CF和 RF的選擇要兼顧信號放大倍數(shù)和當(dāng)前信號頻帶的要求。
　　根據(jù)上面選取的放大器，根據(jù)所用的流量計的口徑選取合適的電容和電阻，在小流量處得到的渦街信號如圖6所示。
根據(jù)圖6所示，a1曲線為未加放大器的效果，a2曲線為加放大器之后的效果，可見，增加了前置放大器，有效的增加了信號比，但是干擾信號對渦街信號的影響還是比較大，雖然能有效的改變輸出波形，但是對數(shù)據(jù)的直接應(yīng)用還有一定的難處，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形整理，提取有效信號，去除干擾信號。

2.2.2 渦街流量計信號的小波分解
　　由于渦街流量計產(chǎn)生的渦街信號是在不同流量時，其產(chǎn)生的渦街頻率也不一樣，是一個變頻過程，而小波對處理此類的變頻信號有一定的優(yōu)越性，在時間域和頻率域都具有良好的局部化性質(zhì)，所以選取小波來處理渦街信號［11-13］。小波變換中有三種小波變換比較常用，分別為連續(xù)小波變換、離散小波變換以及小波變換的快速算法-Mallat 算法［13-16］。根據(jù)渦街流量計的特性，以 Mallat 算法為基礎(chǔ)對信號進(jìn)行分解，找到有效的分解方式尋出有效數(shù)據(jù)。
　　由于渦街產(chǎn)生的信號為連續(xù)信號，所處理的信號為離散信號，須將連續(xù)的的時間離散化。渦街流量計所產(chǎn)生的連續(xù)信號為 s(t) ，采樣進(jìn)行離散化得到 A0s(n) 。根據(jù)渦街流量計特性與噪聲信號的特點，所用到的濾波器均為正交小波濾波器。在此條件下，算法表達(dá)為：

　　為采樣后的原始信號；j=1，2，J 為層數(shù)，J = log2N ；h?，g?為時域中的小波分解濾波器，實際上是濾波器系數(shù)；Aj為信號 A0s(n) 在第j層的近似部分（即低頻部分）的小波系數(shù)；Dj為信號 A0s(n) 在第j層的細(xì)節(jié)部分（即高頻部分）的小波系數(shù)。
　　假定所檢測的離散信號 A0s(n) 為 A0，信號在第2j尺度（第j層）的近似部分，即低頻部分的小波系數(shù)Aj是通過第 2j - 1尺度（第 j-1 層）的近似部分的小波系數(shù) Aj - 1與分解濾波器 h?卷積，然后將卷積的結(jié)果隔點采樣得到的；而信號 A0在第 2j尺度（第j層）的細(xì)節(jié)部分，即高頻部分的小波系數(shù) Dj是通過第 2j - 1尺度（第j-1層）的近似部分的小波系數(shù) Aj - 1與分解濾波器 g?卷積，然后將卷積的結(jié)果隔點采樣得到的。通過式 2 的分解，在每一尺度 2j上（或第 j 層上），信號 Aj - 1被分解為近似部分的小波系數(shù) Aj（在低頻子帶上）和細(xì)節(jié)部分的小波系數(shù) Dj（在高頻子帶上）。以上分解算法可用圖7表示。

　　根據(jù)以上分析，對獲取的流量計的信號進(jìn)行Mallat 快速分別，將其進(jìn)行 db5 小波分解，將數(shù)據(jù)分解五次，其分解后的數(shù)據(jù)有兩部分組成，一部分是細(xì)節(jié)信號，一部分是近似信號，其分解后的圖像如圖8、圖9所示。

　　如圖8所示為分解的近似數(shù)據(jù)，可見，a3是比較完整的正弦波，可被系統(tǒng)識別；a1的雜波比較多，a2有些不光滑，存在奇異波，a4已經(jīng)完全失真，因此最終選取a3作為低頻段的渦街信號。
　　圖 9 中所示為信號的細(xì)節(jié)部分，也就是信號的噪音部分，可以理解為去除有效信號剩余的部分，其中 d1 為信號的高頻噪音，原始信號去除 d1 就可以得近似信號 a1，d2 為頻率比較低的干擾信號，近似信號 a2 的獲得是 a1 減去 d2 得到的，其中 d3 為信號的低頻噪音，a2減去該噪音得到了比較理想的信號，d4 有些接近原始信號，所以 d1，d2，d3 可近似的看為該渦街傳感器的干擾信號，d4 不能做處理，這樣有效信號減去 d1，d2，d3 就獲得了最理想的近似信號 a3。有上面分析可知，將渦街信號做 3 次分解即可得到理想的信號。

　　圖10是原始信號、增加硬件處理和小波分解后的三種情況對比圖，a1為開始采集的數(shù)據(jù)，a2為加入前置放大器之后增加了信噪比之后的效果圖，a3為將增加信噪比的信號進(jìn)行小波分解，提取的有效信號，圖中的第三個明顯的可知該渦街流量計產(chǎn)生的渦街信號的頻率。小波分解后去除無用的噪音，雖然可以看出其能量減少，但是比原來的光滑，分辨率更高，波動更少。說明小波分解在處理渦街流量計的低頻信號是可行的。進(jìn)行了大量的低頻段的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)小波分解后所得的近似數(shù)據(jù)中a3的波形是最接近原始波形的，所以最終選取了小波分解后的第三個波形作為渦街流量計產(chǎn)生的渦街信號。將渦街流量計產(chǎn)生的渦街信號進(jìn)行處理后，可得到小流量處產(chǎn)生的渦街信號，為降低了流量下限提供了可行性。
3 先導(dǎo)井應(yīng)用實驗及分析
　　在下井之前進(jìn)行了渦街流量計的性能對比測試，對比測試為三組，原始未處理的、增加前置放大器的、增加前置放大器后通過小波分解的三組，其測試結(jié)果如表 1 所示。測試的時候流量從 0 開始，逐次增加流量。從表中可以看出，未經(jīng)處理的渦街流量計信號無法檢測每天 8 方以下的流量，其并不是沒有輸出的頻率，但是其輸出的頻率很不穩(wěn)定，跳變比較大，相對而言放置前置放大器的渦街流量計的信號能檢測的頻率較低，但是其在 5 方時檢測的信號不準(zhǔn)，最低檢測的信號在每天 7 方以上比較準(zhǔn)，通過小波分解后的信號處理起來，其識別的頻率更低，能準(zhǔn)確的識別每天5方的流量產(chǎn)生的頻率，在高頻段也就是大流量的時候各個渦街流量計的差別不大，因為未經(jīng)處理的渦街信號在大流量的時候也是能準(zhǔn)確識別的。

　　渦街流量計的信號經(jīng)前置放大器以及小波分解后提取有效信號之后，解決了流量下限過高的問題，其最低能識別的渦街頻率很低，是原來識別頻率的一半，并且準(zhǔn)確的測量出了各個層段的流量。
前期驗證穩(wěn)定后，該設(shè)備應(yīng)用在一體化分層注水井中并且在松原油田實施了一口先導(dǎo)井作業(yè)，采集了井下的流量，分別和沒有進(jìn)行處理的渦街流量計進(jìn)行了對比，其對比如圖所示。
　　如圖 11 所示為未處理的流量計檢測流量從5 m3/d，7 m3/d，9 m3/d，12m3/d，14 m3/d的變化過程，可見在5 m3/d，7 m3/d，9 m3/d處根本分辨不出其流量的大小，波動較大，圖 12 為處理后的流量計在同等情況下檢測出的流量大小，可以看出，其小流量處是能清楚的分辨出來的，到12 m3/d以后未處理和處理后的流量計基本能保持一致，所以處理后的渦街流量計不但克服了低流量處采集不準(zhǔn)的問題而且在大流量時還能保證采集流量的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論
　　針對渦街流量計在低流量時產(chǎn)生的渦街信號難以測量的問題上開展了分析研究設(shè)計，從流體流經(jīng)渦街發(fā)生體產(chǎn)生的渦街信號幅值小及干擾大的問題上著手，分析了干擾原因，設(shè)計了首先用硬件手段解決低流量的時渦街信號幅值小的問題，然后運用小波分析法分析了各種噪音，提取有效的渦街信號。經(jīng)增大信噪比和小波分解處理的渦街流量計的流量下限大大減小，有效的改善了渦街流量計低流量測不準(zhǔn)的問題，解決了機電一體化分層注水井中低流量井中流量難測量的問題。

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