電導式相關流量測量技術應用研究
發布時間：2017-11-22
引言
互相關流量測量技術自20世紀70年代起國外就已經開始研究，但國內開展這項研究比較晚，特別是將該流量計應用到井下油水兩相流油井中流量測量的研究，在中國開展得更為遲緩。直到1994年大慶測試分公司劉興斌總工程師提出了針對井下油水兩相流量測量的相關流量測量方法，國內才開始了對相關流量測量技術的實質研究，該相關流量測量方法采用電導傳感器實現的。由于以往相關器在價格上較高，以及在運算速度、實時性、異常數據處理等方面上還不能滿足脈動流下油水兩相流測量的需要，因此在研究開發電導式相關流量計的同時還要開發相關流量信號采集、處理及運算系統，即開發運算速度快、實時性好和兼容性強的相關器，考慮到相關器便于和現有主流地面儀的配接，開發了基于USB總線的DSP相關器。為使電導式相關流量計于能夠配接更多參數、實現單芯化，提出了在小38電導式相關流量計中實現兩路相關流量信號采集、處理及相關運算，并將運算結果即渡越時間:值轉換為頻率信號傳輸。通過三相流實驗，研究電導式相關流量計在三相流下的響應特性。
1.電導式相關流量測量技術的原理
在沿流體流動管道相距為已知距離L的兩個截面處，分別安裝有結構相同的電導傳感器，即上游傳感器和下游傳感器。同時給上、下游傳感器提供同一激勵源，流體內部的隨機流動噪聲會對作用在傳感器上的激勵產生隨機調制作用，傳感器的輸出會隨著這些調制作用產生相應的變化，經上、下游傳感器的信號處理電路處理后解調出兩路隨機流動噪聲信號x(t)和y(t)。對兩路流動噪聲信號X(t)和y(t)通過互相關運算可得到兩路信號的渡越時間TO，渡越時間T。與相關流速Vcc關系見公式(1)。
式中，L―相關流量計上、下游傳感器間的距離。
2 Φ28電導式相關流量測量技術的現場應用
所設計的電導傳感器(圖1)不僅可以利用互相關技術實現流量測量，而且還可以同時測量含水率，配接傘式集流器組成電導式相關流量測井儀。該儀器于2003年開始試推廣應用，截至目前完成測井200多井次。對于集流型相關流量測量方法，國內外僅測試分公司一家在井下獲得了應用。由于電導傳感器無可動部件和阻流元件，在粘度大的或流體含砂多的油井測量流量、含水率具有優勢。下面給出了該儀器在粘稠產出液井中獲得成功應用的實例。
L4-23井為一口聚驅產出自噴井[3]。由于該井產出流體的粘度非常高，導致配接渦輪流量計的常規儀器無法完成流量的測量。于是采用電導式相關流量測井儀對該井進行了測井，順利完成測量。圖2為該儀器測得一流量曲線，表1是通過該儀器得到的解釋結果。圖3給出了該儀器在一口抽油機井中測得的流量曲線，從圖上看到了明顯的沖次規律，但曲線的圓滑性較渦輪流量計差。
3在儀器內部實現相關運算的 Φ 38電導式相關流量計
該儀器主要包含井下相關流量測量傳感器(包括激勵源電路及信號處理電路)、流量信號的預處理模塊、中央處理器MC56F8323、系統輸出模塊、系統調試模塊以及電源模塊，結構框圖如圖4所示。所設計的儀器輸出周期與相關流量渡越時間成反比(與相關流速成正比)。
3.1在多相流模擬井水平條件下的實驗
該實驗是在檢測中心的水平模擬井中、油/水兩相流下進行的。根據電導傳感器的特性及傳感器內徑，實驗中含水率的配比范圍為50%-95%，流量調節范圍在為20m3/d-250m3/d。圖5給出了不同含水率下標準流量與相關流量輸出周期的關系，進行線性擬合后線性相關系數在0.999以上，表明該儀器能夠正確的體現出相關流速和流量的對應關系。對圖5進一步分析可知，當流量在80m31d以上、含水率70%-95%范圍內，在同一流量下，儀器輸出周期隨含水率的增加略有增加，但都在擬合直線附近，相差很小，相對滿量程最大線性誤差在4%以內(不包括圖5中的流量為100m3/d、含水率為50%及60%的點在內)。
3.2在多相流模擬井垂直條件下的實驗
圖6給出了在垂直模擬井中，不同含水率下標準流量與相關流量輸出響應(周期)的關系。圖中儀器的輸出響應隨著流量的增加而增加，流量同輸出周期存在較好的線性關系，表明該儀器能夠正確的體現出相關流速和流量的對應關系。對實驗數據點進行最小二乘法線性擬合后測量結果的引用誤差為3.7%?
4電導式相關流量計在水平條件下的三相流實驗
4.1三相流下的相關流t計兩路流動噪聲信號及其互相關函數曲線形態
圖7給出的是電導式相關流量計在含水率75%,40m3/d油水加lOm3/d氣下的相關結果，圖的左側為電導式相關流量計的上、下游兩路流動噪聲信號，右側為兩路流動噪聲信號的互相關結果。從圖上看出上、下游兩路流動噪聲信號的起伏波動的幅度很高、兩路流動噪聲信號清晰明了，看到上、下游兩路流動噪聲信號極為相似:上、下游兩路流動噪聲在時間上存在明顯的“延遲”，清楚地給出了流動噪聲經上游傳感器到下游傳感器的運移軌跡。因此所得到的互相關函數曲線的峰值明顯，相似程度較高，互相關結果理想。這主要是因為氣泡的直徑較油泡大，引起上、下游傳感器內的阻抗變化較大，從而使檢測出的上、下游兩路流動噪聲信號的幅度較高。
雖然氣相流動規律和油相流動規律存在差異，但上、下游兩路流動噪聲信號上只能體現出油、氣相互疊加共同作用的結果，還難以從上、下游兩路流動噪聲信號的曲線上對二者加以區分。
4.2不同氣流量、同一含水率下油水兩相流量與相關流速的關系
圖8中給出了不同氣流量、油水兩相含水率為75%下的油水總流量與相關流速的關系。從圖可以看出在同一氣量、油水兩相含水率配比不變的情況下，相關流速與油水總流量成線性關系;不同氣量、油水兩相含水率配比不變的情況下，所得到的各個渦輪流量計的響應與油水總流量關系直線的斜率近于相等，但各直線的截距不等，隨著氣流量的增加，截距增大。
5結論
(1) Φ28電導式相關流量計已經成功獲得現場應用，并解決了一些生產實際問題。
(2) Φ38電導式相關流量計已經成功實現在儀器內部進行相關信號的采集、處理及運算，并將運算結果即渡越時間:值轉換為頻率信號傳輸。并對該儀器進行了模擬井動態試驗，包括水平條件下的實驗及垂直條件下的實驗，無論在水平下還是在垂直條件下，儀器的輸出響應和流量存在著很好的線性關系。
(3)對電導式相關流量計的三相流實驗分析表明:隨著氣量的增加兩路相關流量信號的幅度提高，相似性強，互相關結果很好。同一氣量、油水兩相含水率配比不變的情況下，相關流速與油水總流量成線性關系;不同氣量、油水兩相含水率配比不變的情況下，所得到的各個渦輪流量計的響應與油水總流量關系直線的斜率近于相等。
摘自：中國計量測控網
