桂鵬飛 張繼斌 何文輝 劉 毅 李文東

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司 生產(chǎn)測(cè)井中心，西安 710200）

注水是油田開(kāi)發(fā)中一種補(bǔ)充地層能量的方法，它是維持油田長(zhǎng)期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵一步。目前，油田使用的分層注水就是用封隔器把吸水能力差別較大的層分隔開(kāi)來(lái)，采用可調(diào)水嘴分別注水。每層注水量的測(cè)量主要采用的是下入流量計(jì)，通過(guò)測(cè)量管柱內(nèi)水的流速來(lái)計(jì)算流量。由于管柱內(nèi)流量計(jì)的下入會(huì)改變水流的流態(tài)，測(cè)量的流速一般不是管柱內(nèi)真實(shí)的水流速度，因此計(jì)算的每層注入量與實(shí)際的注入量有較大的誤差。本文以常用的超聲流量計(jì)為例，通過(guò)流態(tài)仿真分析，研究流量計(jì)在管柱中狀態(tài)對(duì)測(cè)量水流速度的影響。

1 超聲流量計(jì)算的原理

超聲波流量計(jì)屬于非接觸式測(cè)量?jī)x表，對(duì)流體流動(dòng)無(wú)干擾、無(wú)阻力，不產(chǎn)生壓力損失，受介質(zhì)物理性質(zhì)的限制少，適應(yīng)性強(qiáng)，一般采用時(shí)差法原理來(lái)測(cè)量。超聲波在順流與逆流中傳播速度之差與介質(zhì)流速有關(guān)，測(cè)得介質(zhì)流速即可得出流量[1-2]。超聲波在順、逆流中傳播情況如圖1所示。

圖1 超聲波傳播示意圖

設(shè)靜止流體中的聲速為c，流體流速為v，流體靜止時(shí)超聲軌跡與管道軸線之間的夾角為θ,管道直徑為d。

1.1 順流傳播時(shí)間

順流傳播時(shí)間為：

1.2 逆流傳播時(shí)間

逆流傳播時(shí)間為：

式中，τ為超聲波在管壁內(nèi)和電脈沖信號(hào)在電路中傳輸所產(chǎn)生的滯后時(shí)間的總和。

1.3 時(shí)間差

時(shí)間差為：

式（3）可轉(zhuǎn)化為：

1.4 流量公式

流量公式為：

從式（1）～式（5）可以看出，只要測(cè)量出注水管柱中水流的速度，就可以確定注入量。在測(cè)定地層的注水量時(shí)，都是在該地層的注水管柱水嘴上方和水嘴下方各進(jìn)行一次流量測(cè)量，上下差值即為該地層的注水量。

2 流量計(jì)流體仿真分析

2.1 模型與邊界條件

計(jì)算模型由注水油管和超聲流量計(jì)形成的流動(dòng)區(qū)域組成，內(nèi)徑62mm，長(zhǎng)度2000m，流量計(jì)外徑42mm。流量計(jì)探頭在軸向方向?qū)ΨQ安裝，油管柱中的水流通過(guò)流量計(jì)上部探頭的水流窗口進(jìn)入流量計(jì)的中心水管，然后從流量計(jì)下部探頭流出。假定油管左端面給定入口速度，壁面為無(wú)滑移邊界，內(nèi)壁面處于靜止?fàn)顟B(tài)，流量計(jì)位于油管內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài)，模擬環(huán)境在常溫常壓條件下進(jìn)行，油管入口注水流量為50m3/d，油管內(nèi)的水流速度場(chǎng)分布如圖2所示[3]。

圖2 油管水流速度場(chǎng)分布

2.2 模擬結(jié)果與分析

油管中流量計(jì)的中心位置橫截面速度分布曲線如圖3所示。圖3（a）為未下流量計(jì)時(shí)的速度分布曲線，從圖中可以看出，水流在油管中的流動(dòng)受沿程阻力影響，導(dǎo)致水流速度不恒定，從管壁到中心逐漸增大，管內(nèi)平均流速為0.19645m/s。圖3（b）為下入流量計(jì)時(shí)油管中水流速度分布曲線，由于流量計(jì)的中心水管壁厚的影響，油管中水流在徑向上被分成流量計(jì)中心管內(nèi)水流速度和油管環(huán)空水流速度，紅色部分為通過(guò)流量計(jì)中心管的流速，即為超聲流量計(jì)測(cè)量的水流速度。流量計(jì)的中心水管的水流平均速度為0.20442m/s，水流速度比空油管水流速度變大，平均水流速度誤差為4%，最大流速誤差為6%。

圖3 油管水流分布曲線

圖4 影響速度變化曲線

改變流量計(jì)在油管中的位置，從居中到貼壁進(jìn)行仿真模擬，油管中偏心放置流量計(jì)時(shí)對(duì)測(cè)量的水流速度影響情況如圖4（a）所示，隨著偏心水流速度逐漸減小，影響誤差達(dá)到16.5%，影響較大。流量計(jì)中心水管管徑對(duì)水流速度的影響變化如圖4（b）所示，隨著流量計(jì)中心管徑變大，水流速度減小，接近空油管水流速度。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)油管注水量一定時(shí)，確保流量計(jì)居于注水管柱的中心測(cè)量。由于流量計(jì)偏心對(duì)測(cè)量水流速度影響較大，需要對(duì)流量計(jì)進(jìn)行從居中到偏心狀態(tài)的地面標(biāo)定校正。在滿足強(qiáng)度的條件下，流量計(jì)的中心水管越大，測(cè)量的水流速度越接近空油管狀態(tài)下的水流速度值。