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.中國石油遼河油田公司興隆臺采油廠，遼寧盤錦124010）

一種用于低流量測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.中國石油遼河油田公司興隆臺采油廠，遼寧盤錦124010）

針對目前廣泛存在的日產(chǎn)量小于10m3的油井及目前所應(yīng)用的渦輪流量計測量下限較高和易砂卡等問題，根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)原理，建立適合低流量測量的理論模型，分析其中的影響因素，采用獨特設(shè)計技術(shù)，研制出外徑為28mm的浮子流量傳感器。通過實驗，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量頻率響應(yīng)與被測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)液油井流量測量。

生產(chǎn)測井；低孔隙度；低滲透率；油井測試；產(chǎn)出剖面；流量測量；傳感器

0 引 言

高含水、低產(chǎn)液是我國目前多數(shù)油田生產(chǎn)井的主要特點。低產(chǎn)液井通常指總產(chǎn)液量小于30m3／d的井［1－2］。隨著油田開發(fā)需求的不斷提高，老式流量測量儀器很難適應(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)查報告，在老區(qū)和外圍低滲透油田普遍存在的井下流量計量程不符的問題占流量計問題的91%［5］。大慶外圍油田儲層物理性質(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，對合層開采的井，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］。老式流量計經(jīng)常出現(xiàn)超量程現(xiàn)象，主要是由于流量計的啟動排量高、量程大、小排量下精度偏低［8－9］。目前常用的渦輪流量計、示蹤流量計在高含水、低產(chǎn)液井中，通常會產(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)液井的實際問題［10－11］。因此，研究啟動排量更低的油井流量計是油田測試工作必須面對和解決的重要課題，對于低滲透油田開發(fā)具有重大現(xiàn)實意義。

1 流量測量原理

圖1為研制的流量敏感元件流量測量原理圖。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，下端面為直徑等于外筒內(nèi)徑的薄圓片；外筒開2個長方形出液窗口，窗口的下面設(shè)置一個浮子擋環(huán)，擋環(huán)上表面與窗口下端面平齊。整個浮子完全浸沒在液體中。

圖1 低流量測量原理圖

當(dāng)液體體積流量為0時，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向上移動，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，外筒出液窗口開口寬度為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

對窗口應(yīng)用伯努利方程［12－13］，有

因為y1≈y2，則有

聯(lián)立式（1）式（4）得

式中，b、h的單位為cm；ρa、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，4b2h2／可以忽略，此時，液體體積流量Q與浮子抬升高度h成正比。

2 測量模型影響因素分析

從上述得到的液體流量測量模型中可以看到，液體流量可以通過測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，這些影響因素對于浮子流量敏感元件的設(shè)計有很高參考價值。

（1）出液窗口寬度變化對模型的影響。圖2（a）給出了出液口寬度分別為0.6、0.8、1.0cm時，浮子位移與計算出的流體體積流量之間關(guān)系交會圖。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，寬度對流量測量的影響也不同。寬度增大，同一浮子位移計算的流量增大。

（2）浮子材料密度變化對模型的影響。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，密度對流量測量的影響也不同。密度增大，同一浮子位移計算的流量增大［見圖2（b）］。

（3）流體密度變化對模型的影響。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，流體密度變化對流量測量的影響也不同。密度增大，同一浮子位移計算的流量減?。垡妶D2（c）］。

（4）浮子體積變化對模型的影響。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，不同的浮子體積對流量測量的影響也不同。浮子體積增大，同一浮子位移計算的流量增大［見圖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)見圖3。它是由倒T型浮子、差動變壓器、開窗口外筒組成，其中利用了差動變壓器線圈骨架作為浮子的導(dǎo)引支架，同時也利用差動變壓器將浮子的位移變化轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號變化。為了配合差動變壓器工作，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 測量電路

測量電路是用來將浮子位移變化轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號頻率變化的裝置。它是由正弦波信號源、差動變壓器、差動放大器、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)方框圖見圖4［14－15］。其中，正弦波信號源為差動變壓器提供5kHz的調(diào)制用載波信號。差動變壓器將浮子的位移變化通過磁芯轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛闹绷麟妷鹤兓⒂迷撟兓闹绷麟妷喝フ{(diào)制5kHz正弦波，使其變?yōu)檎{(diào)幅波。浮子在離開起點不同位置處，調(diào)幅波的幅度和相位不同。差動放大器對差動變壓器的調(diào)幅波進(jìn)行幅度放大。相敏檢波器在調(diào)幅波與正弦波信號源間相位差控制下，對差動放大器輸出的調(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直流電壓信號。低通濾波器濾除單向脈動直流電壓信號中的載波成分，使其變成平滑的直流電壓。零位調(diào)整器是當(dāng)流量為0或者說浮子處于0位移處時，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)輸出一個恒定電壓；當(dāng)浮子位移變化時，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給記錄儀器，在采集軟件作用下，輸出流量測井曲線。

圖4 測量電路結(jié)構(gòu)方框圖

4 低流量傳感器實驗測量

4.1 浮子位移與傳感器輸出響應(yīng)之間關(guān)系測量

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。依次移動浮子，并用游標(biāo)卡尺量出浮子的每次位移，分別讀出對應(yīng)的由轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號頻率。整理得到浮子位移與傳感器輸出電信號頻率間的關(guān)系曲線（見圖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)系測量

實驗在流量模擬仿真系統(tǒng)中進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)和流程示意圖見圖6。實驗介質(zhì)為自來水和10號工業(yè)白油。流量模擬仿真系統(tǒng)由油水儲藏罐、油水穩(wěn)壓裝置、油水分離罐、油水控制與計量裝置、模擬井以及數(shù)據(jù)采集裝置組成。其中，油水穩(wěn)壓裝置通過設(shè)置在油水儲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；油水控制與計量裝置采用閥門調(diào)控所需流量，由LZB－15及LZB－25玻璃轉(zhuǎn)子流量計讀出體積流量值。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。為了測量準(zhǔn)確，事先分別用量筒對玻璃轉(zhuǎn)子流量計的刻度重新進(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，使頻率計讀數(shù)為100Hz。啟動模擬井循環(huán)系統(tǒng)，讓系統(tǒng)輸出流體分別為自來水、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，同時記錄各流量下對應(yīng)的輸出頻率。測量結(jié)果見圖7。

4.2.2 油、水及混合介質(zhì)流量測量結(jié)果分析

由圖7實驗結(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)計以及差動變壓器采用了階梯形線圈設(shè)計技術(shù)，彌補了傳感器由于浮子圓片與外筒存在間隙而對于低黏度液體在極低流量范圍產(chǎn)生的測量非線性，使得所研制的浮子流量傳感器對于水和含水率較高的混合液體的流量測量響應(yīng)在0～20m3／d變化范圍內(nèi)基本為線性關(guān)系，流量測量下限對于混合介質(zhì)條件遠(yuǎn)低于0.24m3／d，對于全水介質(zhì)條件稍差些，但也比0.24m3／d低得多。傳感器對白油在模擬仿真系統(tǒng)所限的0～8m3／d流量變化范圍內(nèi)的測量響應(yīng)也基本為線性關(guān)系，流量測量下限更小，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)由于傳感器過補償而出現(xiàn)了非線性。②研制的浮子流量傳感器對流量的測量受被測液體的密度影響，被測介質(zhì)從白油到水在同一流量條件下測量響應(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量敏感元件，其結(jié)構(gòu)有利于防止測井中的砂卡現(xiàn)象。

（2）采用非接觸位移測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）通過實驗研究，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)出剖面系列測試儀器與測試技術(shù)研究以及油藏物性參數(shù)測量技術(shù)研究工作。