季公明，李 翔，杜曉霞，郭宏峰，趙廣淵，楊樹坤，李嘯峰，姚漢秋

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580)

當前，油田井下注水技術(shù)主要向精細分層注水和自動監(jiān)測調(diào)控方向發(fā)展，分層注水量的精確測量是實現(xiàn)精細分層注水和自動監(jiān)測調(diào)控的必要條件[1]。目前用于井下注水流量測量的流量計主要有渦輪流量計、渦街流量計、節(jié)流差壓式流量計、電磁式流量計和超聲波流量計等。對于渦輪流量計[2]，其工作時渦輪高速轉(zhuǎn)動，軸承易于磨損，雜質(zhì)容易卡，不能長期穩(wěn)定的工作；對于渦街流量計[3]，當流量較小時，無法在阻力部件形成穩(wěn)定的旋渦而無法進行測量；對于差壓流量計[4]，其量程比較小(3∶1～4∶1)，流量變化大時無法保證小流量時的測量精度，甚至無法測量；對于電磁流量計[5]，長期在高溫環(huán)境中使用時，襯里材料和電氣絕緣材料的性能不能保證，探頭直接與流體接觸，極容易受油污污染，測高壓流體時密封問題難以解決；對于傳統(tǒng)的內(nèi)置式超聲流量計[6]，超聲波換能器需與被測流體直接接觸，在高壓流體測量中容易發(fā)生換能器疲勞現(xiàn)象且密封問題難以解決，特別是傳統(tǒng)的“Z”、“V”或“W”型在小管徑、小流量測量時，由于有效聲程短而測量誤差大。

針對目前井下流量計存在的量程比小、壓損大、小管徑小流量無法測量或測量精度低、探頭易受污染、長期高溫高壓穩(wěn)定性差等特點，筆者提出了一種新型高精度的外置軸向式超聲流量測量方法及裝置，實現(xiàn)了分層注水井的單層注入小流量的精確測量，并通過導流管內(nèi)阻力件下非理想流場修正模型、聲速溫度補償模型進一步提高了其測量精度。

1 流量測量原理

配水器機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 配水器結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1中可以看出，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)柱塞前后移動位置控制水嘴開度大小并調(diào)節(jié)導流管內(nèi)注水流量[8]。配水器中導流管內(nèi)部直徑為30 mm，油田井下注水壓力通常為30～60 MPa，單層注入流量為0～250 m3/d。

傳統(tǒng)超聲波流量計常采用“Z”型、“V”型、“W”型內(nèi)置安裝方式進行流量測量[9]。由于內(nèi)置安裝，導流管內(nèi)流體壓力較高(30～60 MPa)， 長期高壓會使換能器產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象而影響其工作特性，且換能器與導流管之間高壓密封也是難題；在導流管直徑小、流量小的情況下，采用傳統(tǒng)的換能器安裝方式進行流量測量，超聲波傳播路徑較短、時差小，從而導致測量誤差較大[10]。

為解決上述問題，設(shè)計了一種新型的外置軸向式超聲波流量計，實現(xiàn)對注水流量的精確測量，如圖2所示。由于超聲探頭采用外置式，避免了高壓密封、受油污影響問題，探頭不受流體壓力，不易疲勞，提高了長期高溫高壓工作的穩(wěn)定性；由于軸向安裝，大大地增加了有效聲程，提高了測量準確度(特別是小管徑、小流量)；由于聲音傳播方向與界面垂直，相對“V”型、“W”型、“Z”型(這些界面與聲波傳播方向有一定夾角)界面信號衰減小；利用激勵信號放大模塊有效提高了發(fā)射、接收信號能量。

圖2 外置軸向式超聲波流量計

依據(jù)探頭安裝方式通過理論推導出導流管內(nèi)注水流量計算式為：

(1)

其中：Q為體積瞬時流量，m3/d；Q0為未流速分布修正的體積瞬時流量，m3/d；C為實際溫度壓力下水的聲速，m/s；L為有效聲程，m；A為管道截面面積，m2；k為流速分布校正系數(shù)。

由于管道材料/結(jié)構(gòu)、超聲探頭的材料/結(jié)構(gòu)的差異，靜水中初始飛行時間差Δt0≠0 ，故在流量計算時需要減去初始飛行時間差Δt0：

(2)

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于時差法測量原理，選用具有超低功耗模式的MSP430f2619單片機與高精度時間測量芯片TDC-GP22設(shè)計了一款新型高精度外置式軸向超聲流量計，其系統(tǒng)總體框圖如圖3所示，該系統(tǒng)具有功耗低、測量精度高、耐高溫、耐高壓、占用空間小等優(yōu)點。

圖3 系統(tǒng)總體框圖

圖4 流量、溫度測量程序流程圖

由圖3中可以看出，激勵信號激勵上游超聲波換能器產(chǎn)生超聲波信號，并在導流管內(nèi)沿著水流方向順流，下游超聲波換能器接收信號。然后反過來，下游、上游超聲波換能器分別發(fā)送、接收超聲信號，由高精度時間測量芯片TDC-GP22測量出順、逆流方向上超聲波傳播時間[7]。單片機讀取超聲波傳播時間值并計算出超聲波在順、逆流傳播中時間差。傳播時間差經(jīng)濾波算法、溫度補償、流場修正后精確計算出流量值，最后進行數(shù)據(jù)保存與傳輸。

由式(2)可知，流量測量精度與超聲波傳播時間差測量精度、超聲波在水中傳播速度及導流管內(nèi)流場分布有關(guān)。流量、溫度測量程序流程如圖4所示。超聲波在水中傳播速度受溫度影響，不同溫度下超聲波在水中的傳播速度值見文獻[13]，在流量計算時需要根據(jù)不同溫度下速度值進行溫度修正。在導流管內(nèi)，由于換能器底座的存在致使導流管內(nèi)流場偏離理想均勻分布的情況，無法通過理論計算得到流場修正系數(shù)[14]，因此，借助CFD仿真及理論分析得到管道內(nèi)非理想流場對測量精度的影響，從而確立流場修正模型，通過實驗對其進行進一步驗證與修正。

3 軸向流量計流場仿真與分析

為了提高超聲流量計對非理想流場的適應(yīng)性，通過FLUENT仿真得到流速分布與壓力分布，從而通過流場分析建立非理想流場修正模型，以此來提高流量修正系數(shù)的精確度。流量測量范圍為10～300 m3/d，選取RNGk-ε湍流模型。

入口流速為100 m3/d時，YZ截面上Y方向的速度云圖如圖5所示。由圖5中可以看出，在換能器底座兩端月牙通道上流速較大，藍色區(qū)域流速幾乎為零。原因是此處受換能器底座阻礙的作用使流體產(chǎn)生了渦流，隨著換能器底座距離的增大，流場逐漸趨于平穩(wěn)。

圖5 豎直安裝導流管速度云圖分布

為求出流場補償系數(shù)K，在流場區(qū)域管道空間內(nèi)均勻選取360個流速觀測點，在超聲波中軸線傳播路徑上選取40個流速觀測點進行軸向速度觀測記錄。從理論分析可知，中軸線上流量點軸向速度平均值與整個管道空間內(nèi)流量點軸向速度的平均值的比值K近似等于所要求的流場補償系數(shù)。

在入口流速為100 m3/d時，距離入口超聲探頭后端面的不同軸向位置截面的軸向(Y)速度分布云圖如圖6所示。其速度分布為對稱分布，因此對一半流量點的軸向速度數(shù)據(jù)進行分析處理就可得到流場修正系數(shù)。

圖6 不同軸向位置軸向速度分布云圖

在整個流量測量范圍內(nèi)選取10個不同流量點進行CFD仿真分析，不同入口流速下全部流速觀測點平均值、中軸線上流速觀測點平均值及其比值k如表1所示。在不同流量下，采用不同的流場修正系數(shù)對流量進行修正。

表1 流場補償系數(shù)值表

不同流量下的壓損如表2所示。

表2 不同流量下的壓損

由表2中可以看出，由于探頭在流體中的節(jié)流作用增大了壓力損失，在300 m3/d時的壓力損失為230 kPa，滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。當流量>300 m3/d時，由于探頭的后面易產(chǎn)生旋渦，阻礙超聲波在軸線方向上的傳播，導致無法測量。

4 流量計的溫度補償

由式(2)可知，流量計算的準確性受超聲波在水中傳播速度C的影響。超聲波在液體中的傳播速度受液體本身溫度的影響，流量測量過程中流體溫度變化范圍為20～125 ℃，超聲波在水中傳播速度變化范圍為1 482～1 555 m/s，溫度與聲速的關(guān)系如圖7所示。需要根據(jù)測得的溫度對超聲波在水中傳播速度的影響進行溫度補償?？梢酝ㄟ^數(shù)據(jù)擬合關(guān)系得到的溫度-速度關(guān)系進行計算補償。為了提高流量測量精度，采用查表線性插值法進行溫度補償。

TDC-GP22芯片的溫度測量單元提供高精度和低功耗的溫度測量功能[16]，通過PT1000熱電阻與1K參考電阻對同一電容放電時間測量間接進行溫度測量。將不同溫度下超聲波在水中傳播速度值以一維數(shù)組的形式固化在程序中，由安裝于管壁的薄膜鉑熱電阻溫度傳感器測量流體溫度，單片機讀取TDC-GP22溫度測量值后，經(jīng)查表法得出不同溫度下超聲波在水中傳播速度C，代入流量計算式(2)中，以消除流體不同溫度時對流量測量結(jié)果的影響。

圖7 溫度與聲速的關(guān)系

5 流量測量電路設(shè)計

5.1 TDC-GP22測量電路

利用高精度時間測量芯片TDC-GP22進行超聲傳播時間差和溫度測量，其時間測量分辨率高達22ps，工作環(huán)境溫度高達125℃，能夠滿足油田井下流量測量技術(shù)指標要求。為消除溫度對測量結(jié)果的影響，在電路設(shè)計中，信號接收端電路及溫度測量電路中使用COG類型電容來獲得高的溫度穩(wěn)定性[16]。其電路原理圖如圖8所示。

圖8 TDC-GP22測量電路原理

5.2 激勵信號放大電路

TDC-GP22能夠產(chǎn)生幅值為3.3 V、頻率為1 MHz的激勵信號。由于2個超聲波晶片外置安裝，且安裝距離為200 mm，因為3.3 V激勵信號幅值較小不足以被另一個換能器接收，故需對激勵信號進行放大[17]。根據(jù)仿真及實驗確定將激勵信號幅值放大到30 V。激勵信號放大電路如圖9所示。

圖9 激勵信號放大電路

5.3 接收信號放大濾波電路

在實際測量中，TDC-GP22芯片信號接收端接收到信號幅值越大、雜波信號越少越有利于飛行時間的精確測量[17]。為進一步提高測量精度，設(shè)計了中心頻率為1 MHz的帶通濾波放大電路，同時將接收信號進行約5倍的放大，如圖10所示。

圖10 接收信號放大濾波電路

為防止放大后的激勵信號對TDC-GP22接收端產(chǎn)生損壞，電路中采用MD0100和BV99T芯片構(gòu)成低壓導通高壓截止電路[18]。當電壓范圍超過-2～+2 V時MD0100關(guān)閉，其反應(yīng)時間為20 ns，這樣既可以防止高壓信號對芯片的損壞，同時又能保證接收信號回到信號接收端。由于ADA4896芯片內(nèi)部2個運算放大器不完全對稱，放大濾波后的信號會產(chǎn)生電壓偏置現(xiàn)象，故在輸出端加入一高通電路消除電壓偏置現(xiàn)象。

6 流量測量軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序使用C語言在IAR FOR MSP430編譯軟件中進行編寫，程序流程如圖11所示。首先系統(tǒng)進行上電復位；然后MSP430單片機完成對TDC-GP22芯片初始化與寄存器配置；接著TDC-GP22芯片完成溫度測量和順逆流情況下超聲波飛行時間測量；最后，單片機讀取TDC-GP22芯片測得的溫度、超聲波傳播時間并求出飛行時間差，通過數(shù)字濾波、溫度補償、流場修正得到精確的流量測量值。

圖11 測量過程軟件流程

7 實驗驗證及結(jié)果

在國家石油天然氣大流量計量站進行了實驗測試。根據(jù)《JJG643—2003標準表法流量標準裝置計量檢定規(guī)程》以及JJG1030—2007超聲流量計檢定規(guī)程的相關(guān)規(guī)定進行檢定[19]。選用7個流量點進行檢定，每個流量點測試6次取平均值。實驗測量結(jié)果如表3所示。

表3 流量測試數(shù)據(jù)表

綜合分析超聲波流量計在線檢定實驗可知，設(shè)計的油田井下外置式軸向超聲波流量計能夠?qū)崿F(xiàn)高溫、高壓環(huán)境中對油田井下注水流量測量，其在非理想流場下的測量引用誤差小于1.23%。故該超聲波流量計能夠滿足油田井下流量測量3%的技術(shù)指標要求。

8 結(jié)束語

針對油田井下注水流量傳統(tǒng)測量方法存在的各種問題，設(shè)計了一種高精度外置式軸向超聲波流量計，基于時差法測量原理，采用軸向結(jié)構(gòu)增加了聲程；采用高精度時間測量芯片TDC-GP22提高了時間測量精度；通過溫度補償模型、流場修正模型進一步提高了其測量精度。仿真和試驗結(jié)果表明，其各項性能指標滿足油田井下流量測量技術(shù)指標要求，為油田井下實現(xiàn)精細分層注水和自動監(jiān)測調(diào)控提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。