电导式相关流量测量技术应用研究
发布时间：2017-11-22
引言
互相关流量测量技术自20世纪70年代起国外就已经开始研究，但国内开展这项研究比较晚，特别是将该流量计应用到井下油水两相流油井中流量测量的研究，在中国开展得更为迟缓。直到1994年大庆测试分公司刘兴斌总工程师提出了针对井下油水两相流量测量的相关流量测量方法，国内才开始了对相关流量测量技术的实质研究，该相关流量测量方法采用电导传感器实现的。由于以往相关器在价格上较高，以及在运算速度、实时性、异常数据处理等方面上还不能满足脉动流下油水两相流测量的需要，因此在研究开发电导式相关流量计的同时还要开发相关流量信号采集、处理及运算系统，即开发运算速度快、实时性好和兼容性强的相关器，考虑到相关器便于和现有主流地面仪的配接，开发了基于USB总线的DSP相关器。为使电导式相关流量计于能够配接更多参数、实现单芯化，提出了在小38电导式相关流量计中实现两路相关流量信号采集、处理及相关运算，并将运算结果即渡越时间:值转换为频率信号传输。通过三相流实验，研究电导式相关流量计在三相流下的响应特性。
1.电导式相关流量测量技术的原理
在沿流体流动管道相距为已知距离L的两个截面处，分别安装有结构相同的电导传感器，即上游传感器和下游传感器。同时给上、下游传感器提供同一激励源，流体内部的随机流动噪声会对作用在传感器上的激励产生随机调制作用，传感器的输出会随着这些调制作用产生相应的变化，经上、下游传感器的信号处理电路处理后解调出两路随机流动噪声信号x(t)和y(t)。对两路流动噪声信号X(t)和y(t)通过互相关运算可得到两路信号的渡越时间TO，渡越时间T。与相关流速Vcc关系见公式(1)。
式中，L―相关流量计上、下游传感器间的距离。
2 Φ28电导式相关流量测量技术的现场应用
所设计的电导传感器(图1)不仅可以利用互相关技术实现流量测量，而且还可以同时测量含水率，配接伞式集流器组成电导式相关流量测井仪。该仪器于2003年开始试推广应用，截至目前完成测井200多井次。对于集流型相关流量测量方法，国内外仅测试分公司一家在井下获得了应用。由于电导传感器无可动部件和阻流元件，在粘度大的或流体含砂多的油井测量流量、含水率具有优势。下面给出了该仪器在粘稠产出液井中获得成功应用的实例。
L4-23井为一口聚驱产出自喷井[3]。由于该井产出流体的粘度非常高，导致配接涡轮流量计的常规仪器无法完成流量的测量。于是采用电导式相关流量测井仪对该井进行了测井，顺利完成测量。图2为该仪器测得一流量曲线，表1是通过该仪器得到的解释结果。图3给出了该仪器在一口抽油机井中测得的流量曲线，从图上看到了明显的冲次规律，但曲线的圆滑性较涡轮流量计差。
3在仪器内部实现相关运算的 Φ 38电导式相关流量计
该仪器主要包含井下相关流量测量传感器(包括激励源电路及信号处理电路)、流量信号的预处理模块、中央处理器MC56F8323、系统输出模块、系统调试模块以及电源模块，结构框图如图4所示。所设计的仪器输出周期与相关流量渡越时间成反比(与相关流速成正比)。
3.1在多相流模拟井水平条件下的实验
该实验是在检测中心的水平模拟井中、油/水两相流下进行的。根据电导传感器的特性及传感器内径，实验中含水率的配比范围为50%-95%，流量调节范围在为20m3/d-250m3/d。图5给出了不同含水率下标准流量与相关流量输出周期的关系，进行线性拟合后线性相关系数在0.999以上，表明该仪器能够正确的体现出相关流速和流量的对应关系。对图5进一步分析可知，当流量在80m31d以上、含水率70%-95%范围内，在同一流量下，仪器输出周期随含水率的增加略有增加，但都在拟合直线附近，相差很小，相对满量程最大线性误差在4%以内(不包括图5中的流量为100m3/d、含水率为50%及60%的点在内)。
3.2在多相流模拟井垂直条件下的实验
图6给出了在垂直模拟井中，不同含水率下标准流量与相关流量输出响应(周期)的关系。图中仪器的输出响应随着流量的增加而增加，流量同输出周期存在较好的线性关系，表明该仪器能够正确的体现出相关流速和流量的对应关系。对实验数据点进行最小二乘法线性拟合后测量结果的引用误差为3.7%?
4电导式相关流量计在水平条件下的三相流实验
4.1三相流下的相关流t计两路流动噪声信号及其互相关函数曲线形态
图7给出的是电导式相关流量计在含水率75%,40m3/d油水加lOm3/d气下的相关结果，图的左侧为电导式相关流量计的上、下游两路流动噪声信号，右侧为两路流动噪声信号的互相关结果。从图上看出上、下游两路流动噪声信号的起伏波动的幅度很高、两路流动噪声信号清晰明了，看到上、下游两路流动噪声信号极为相似:上、下游两路流动噪声在时间上存在明显的“延迟”，清楚地给出了流动噪声经上游传感器到下游传感器的运移轨迹。因此所得到的互相关函数曲线的峰值明显，相似程度较高，互相关结果理想。这主要是因为气泡的直径较油泡大，引起上、下游传感器内的阻抗变化较大，从而使检测出的上、下游两路流动噪声信号的幅度较高。
虽然气相流动规律和油相流动规律存在差异，但上、下游两路流动噪声信号上只能体现出油、气相互叠加共同作用的结果，还难以从上、下游两路流动噪声信号的曲线上对二者加以区分。
4.2不同气流量、同一含水率下油水两相流量与相关流速的关系
图8中给出了不同气流量、油水两相含水率为75%下的油水总流量与相关流速的关系。从图可以看出在同一气量、油水两相含水率配比不变的情况下，相关流速与油水总流量成线性关系;不同气量、油水两相含水率配比不变的情况下，所得到的各个涡轮流量计的响应与油水总流量关系直线的斜率近于相等，但各直线的截距不等，随着气流量的增加，截距增大。
5结论
(1) Φ28电导式相关流量计已经成功获得现场应用，并解决了一些生产实际问题。
(2) Φ38电导式相关流量计已经成功实现在仪器内部进行相关信号的采集、处理及运算，并将运算结果即渡越时间:值转换为频率信号传输。并对该仪器进行了模拟井动态试验，包括水平条件下的实验及垂直条件下的实验，无论在水平下还是在垂直条件下，仪器的输出响应和流量存在着很好的线性关系。
(3)对电导式相关流量计的三相流实验分析表明:随着气量的增加两路相关流量信号的幅度提高，相似性强，互相关结果很好。同一气量、油水两相含水率配比不变的情况下，相关流速与油水总流量成线性关系;不同气量、油水两相含水率配比不变的情况下，所得到的各个涡轮流量计的响应与油水总流量关系直线的斜率近于相等。
摘自：中国计量测控网
