王鵬程

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶)

0 引 言

測(cè)量開(kāi)發(fā)井中混合流體的流動(dòng)主要是通過(guò)渦輪傳感器進(jìn)行的，渦輪傳感器和流體流動(dòng)特性相互影響因素對(duì)測(cè)井的影響很大。流動(dòng)特性包括相分布情況、壓差變化、速度分布以及流動(dòng)型態(tài)等，而渦輪傳感器的測(cè)量是否受到流體流動(dòng)的影響，國(guó)內(nèi)對(duì)其研究取得了一定的成果，在眾多流動(dòng)特征中油滴的形狀、分布、速度等參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量會(huì)使人們更加深入地認(rèn)識(shí)這種流動(dòng)現(xiàn)象的物理本質(zhì)［1］。隨著油田測(cè)井技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)測(cè)井要求也不斷增加。油田測(cè)井過(guò)程對(duì)流量和各項(xiàng)持率測(cè)量準(zhǔn)確度也不斷增加，從而對(duì)測(cè)井儀器的創(chuàng)新及研制難度不斷增加，研究測(cè)井儀器內(nèi)部流體流動(dòng)特性可以更好地研究?jī)x器性質(zhì)，因此研究?jī)x器內(nèi)流通道內(nèi)渦輪傳感器與流體流動(dòng)特性相互影響是必要的。

1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及其測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1 所示。垂直小管徑實(shí)驗(yàn)裝置主要包括高速攝像拍攝段、壓力傳感器、渦輪傳感器以及阻抗傳感器四部分。

該實(shí)驗(yàn)裝置總高6 m，模擬井筒材料選用有機(jī)玻璃，粗糙度0.8 mm，潤(rùn)濕角度75°。裝置內(nèi)流體由下至上運(yùn)動(dòng)，下端管徑進(jìn)液口連接油、水相兩通道計(jì)量管排，計(jì)量管排由不同量程流量計(jì)組成，以保證流量、含水率精確度在0. 5%。實(shí)驗(yàn)裝置下端大管徑長(zhǎng)度為3 m，中間小管徑長(zhǎng)度為2. 7 m，上端大管徑長(zhǎng)度為3.3 m。大管徑內(nèi)徑為125 mm，小管徑內(nèi)徑為20 mm。采用參數(shù)為葉片頂端半徑7. 30 mm，輪轂半徑2.21 mm，葉片導(dǎo)程37.06 mm，輪轂長(zhǎng)度6.88 mm，渦輪葉片數(shù)為6 的渦輪傳感器［2］，距渦輪傳感器上拍攝段為45 mm，距渦輪傳感器下拍攝段為40 mm，下拍攝段是未經(jīng)過(guò)渦輪傳感器、阻抗傳感器。透明小管徑拍攝端長(zhǎng)度為800 mm，在透明拍攝段部分安裝透明水箱，防止拍攝的圖像失真、變形。兩段透明小管徑拍攝段中間部分安裝有渦輪傳感器、阻抗傳感器，模擬了儀器內(nèi)流通道，本實(shí)驗(yàn)未對(duì)阻抗傳感器測(cè)量相關(guān)參數(shù)進(jìn)行論述。在模擬井測(cè)量段安裝PCI6220 信號(hào)采集系統(tǒng)，如圖2 所示，從而可以更好地研究?jī)x器內(nèi)流通道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)變化。

圖2 PCI6220 信號(hào)采集系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)條件常溫、常壓，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)0#柴油和水，以油滴作為示蹤粒子。油水兩相界面張力0.04 N/m。0#柴油密度為0.84 g/mL，運(yùn)動(dòng)粘度為0.4 mm2/s。油水總流量范圍為3 m3/d ～60 m3/d，含水率以每10%的間隔在全水和全油之間調(diào)節(jié)。高速攝像機(jī)在渦輪傳感器上、下端口透明拍攝段處進(jìn)行同時(shí)拍攝，拍攝速度根據(jù)流速的不同選擇范圍100 幀/秒～3000 幀/秒，輸出像素為1280 ×350 ～1280 ×500。透明拍攝段背光部位安裝6400 色溫的三基色光源，光線(xiàn)明亮無(wú)閃爍。利用計(jì)算機(jī)控制高速攝像機(jī)參數(shù)并記錄圖片和流動(dòng)視頻，通過(guò)MATLAB 軟件計(jì)算獲得相關(guān)油相速度剖面和油相粒徑大小，分析出儀器通道內(nèi)油水兩相流流動(dòng)特性。

2 渦輪傳感器在油水兩相流中頻率響應(yīng)規(guī)律分析

渦輪傳感器的響應(yīng)頻率隨著采樣點(diǎn)數(shù)(可近似看作時(shí)間)變化的規(guī)律如圖3、圖4、圖5 所示，分別表示含水率為70%、60%、50%。橫坐標(biāo)表示采樣的個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)表示渦輪傳感器響應(yīng)的頻率數(shù)，各圖中曲線(xiàn)沿著頻率值增大的方向是液相總流速增大的方向。

圖3 含水率70%渦輪傳感器響應(yīng)頻率隨采樣時(shí)間變化關(guān)系

圖4 含水率60%渦輪傳感器響應(yīng)頻率隨采樣時(shí)間變化關(guān)系

圖5 含水率50%渦輪傳感器響應(yīng)頻率隨采樣時(shí)間變化關(guān)系

由上圖可以看出，渦輪傳感器頻率隨著采樣時(shí)間的波動(dòng)很小，即渦輪在油水兩相流中的轉(zhuǎn)動(dòng)受流型的影響很小。

圖6 為渦輪傳感器響應(yīng)頻率隨流速變化關(guān)系曲線(xiàn)。橫坐標(biāo)為油水兩相流量，縱坐標(biāo)為渦輪傳感器的響應(yīng)頻率的平均值。圖6 中4 種圖形分別表示含水率為100%、50%、60%、70%，圖6 表格中所示即為擬合三種工況所得的直線(xiàn)方程的相關(guān)參數(shù)。

由擬合的曲線(xiàn)可知:在油水兩相流動(dòng)中，固定含油率時(shí)渦輪傳感器響應(yīng)頻率與液相總流速呈現(xiàn)很好的線(xiàn)性關(guān)系，隨著流速增加渦輪響應(yīng)頻率線(xiàn)性增加，不同含油率情況下渦輪傳感器的儀表系數(shù)(K 值)稍有不同，而且隨含油率的增加儀表系數(shù)有增大的趨勢(shì)。

圖6 渦輪傳感器響應(yīng)頻率隨流速變化關(guān)系曲線(xiàn)

3 兩相流在渦輪傳感器影響下流動(dòng)特性分析

渦輪傳感器作為測(cè)量流體流量的工具，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)測(cè)井儀器中。以往的研究對(duì)影響渦輪傳感器的因素分析較多，但對(duì)渦輪傳感器對(duì)油水兩相流流動(dòng)特性的影響分析較少。因此，開(kāi)展了在垂直上升20 mm 小管徑內(nèi)油水兩相流中渦輪傳感器對(duì)流動(dòng)規(guī)律影響的研究。

3.1 渦輪傳感器對(duì)油滴大小的影響

渦輪傳感器是一種以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ)的速度式儀表。當(dāng)流體沖擊渦輪葉片時(shí)，渦輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，進(jìn)而依據(jù)渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)求出流量值。流體經(jīng)過(guò)渦輪傳感器后，因受到應(yīng)力的作用，流體的流動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，從而影響測(cè)井儀器測(cè)量的精度。

在水連續(xù)條件下，油滴大小可以作為渦輪傳感器對(duì)流體影響的重要指標(biāo)之一［3］。利用高速攝像機(jī)所拍攝的對(duì)比圖片如圖7 所示。流量小于10 m3/d 時(shí)，渦輪傳感器對(duì)油滴產(chǎn)生的聚集效果明顯，渦輪傳感器上端油滴明顯多于下端，上端有較大的油滴存在，其原因是在渦輪低轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，一部分小油泡附著在渦輪葉片上，當(dāng)聚集較多油泡時(shí)，其浮力較大，使其向上運(yùn)動(dòng);而一部分油滴被渦輪葉片打散，成為一部分小油泡。大于10 m3/d時(shí)，渦輪傳感器對(duì)油滴產(chǎn)生的打散效果明顯，其原因是因?yàn)樵跍u輪高轉(zhuǎn)速時(shí)，附著在渦輪葉片上的油泡受到較大向管外的切應(yīng)力，更快地離開(kāi)渦輪葉片，但由于較高轉(zhuǎn)速，使下端油泡向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)渦輪葉片的油泡較多，所以打散效果明顯。

圖7 渦輪傳感器上、下兩端流型對(duì)比圖

基于MATLAB 軟件對(duì)拍攝的圖片進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算［4］，可計(jì)算出所拍攝高速圖片內(nèi)油滴大小分布情況，如圖8 所示。從渦輪傳感器上下兩端油滴數(shù)量大小對(duì)比曲線(xiàn)中可以看出經(jīng)過(guò)渦輪前后流體狀態(tài)總體趨勢(shì):流量小于10 m3/d 時(shí)，渦輪傳感器上端油滴大小大于下端，油滴數(shù)量上端多于下端;流量大于10 m3/d 時(shí)，上端油滴大小小于下端，油滴數(shù)量大于下端;流量為10 m3/d 時(shí)，渦輪傳感器上下兩端油滴大小曲線(xiàn)基本一致，證明影響較小。

圖8 渦輪傳感器上、下兩端油滴數(shù)量大小對(duì)比

3.2 渦輪傳感器對(duì)流體流速影響分析

在水連續(xù)條件下，采用PIV 技術(shù)進(jìn)行各判別小區(qū)域測(cè)速，圖9 為相同流量、含水率下，渦輪傳感器上下兩端的油相平均速度剖面對(duì)比圖。橫坐標(biāo)表示小管徑徑向位置的大小，縱坐標(biāo)表示油相平均速度。圖中渦輪傳感器對(duì)速度剖面有一定影響，下端油相平均速度明顯大于上端油相平均速度。因受到了不同的摩擦阻力的影響，油相的最大速度在小管徑中心位置左右浮動(dòng)。流量為10 m3/d 時(shí)，油相的最大速度在小管徑的中心，說(shuō)明流體受渦輪傳感器影響最小。

圖9 相同含水率與流量渦輪傳感器上、下兩端油相平均速度剖面對(duì)比圖

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析可知:在相同流量與含水率條件下，持水率與流速、油相體積有關(guān)，渦輪傳感器下端油相平均速度大于上端油相平均速度，并且上端油滴數(shù)量和大小大于下端。所以渦輪傳感器上端的持水率小于下端。在今后儀器改進(jìn)和新儀器制造中，將渦輪傳感器安放在下端，可提高儀器的集流效果，從而提高儀器測(cè)量范圍。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)條件常溫、常壓，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)0#柴油和水，以油滴作為示蹤粒子。調(diào)節(jié)油水總流量范圍為3 m3/d ～60 m3/d，含水率以每10%的間隔可在全水和全油之間，利用垂直小管徑實(shí)驗(yàn)裝置中壓力傳感器、阻抗傳感器、渦輪傳感器及PIC6220 信息采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，運(yùn)用高速攝像的手段記錄不同流量、含水率下流體流動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算軟件分析得到以下結(jié)論:

(1)渦輪在油水兩相流中的轉(zhuǎn)動(dòng)受流型的影響很小。但油水兩相流流動(dòng)特性受到渦輪傳感器的影響，油水總流量3 m3/d ～15 m3/d，含水率大于50%時(shí)，油水兩相流流量10 m3/d，渦輪傳感器對(duì)油水兩相流流動(dòng)特性影響較小。阻抗傳感器在渦輪傳感器下，渦輪傳感器上端的持水率小于下端的持水率。

(2)隨著液相流速增大，油水滑脫速度對(duì)持水率的影響減弱，持水率值降低向著含水率值靠近。

［1］錢(qián)益斌，楊利民. 管道內(nèi)油水兩相流動(dòng)研究進(jìn)展［J］. 化工進(jìn)展，2009. 28(4)

［2］孫立軍，周兆英，張 濤. 液體渦輪流量傳感器葉輪幾何參數(shù)定量?jī)?yōu)化方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，3 (3)

［3］ 楊 揚(yáng)，阮 曉 東，楊 華 勇. 基 于MATLAB 的PIV 軟 件(MPIV)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.機(jī)電工程，2005，12(6)

［4］楊 揚(yáng)，阮曉東，楊華勇. 基于MATLAB 的PIV 軟件(MPIV)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.機(jī)電工程，2005，44 (12)