引言

    在原油開采過程中，傳統(tǒng)的計(jì)量方法是進(jìn)行室內(nèi)化學(xué)分析，提取剛開采的產(chǎn)出液樣本分析其品質(zhì)，再根據(jù)這些結(jié)果修正現(xiàn)有的采油工藝。采樣分析過程需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，而且原油中的烴類氣體（包括溶解氣）在此期間會(huì)不斷揮發(fā)，因此利用滯后的分析數(shù)據(jù)制定采油工藝顯然準(zhǔn)確性不高，實(shí)時(shí)性差，生產(chǎn)中需要一種在線計(jì)量儀器，獲得從地下采集至地面的產(chǎn)出液所含的油氣水各相比例的數(shù)據(jù)，完成實(shí)時(shí)檢測，從而達(dá)到快速修正采油工藝的目的。

    智能井系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)注采管理網(wǎng)絡(luò)，包括井內(nèi)監(jiān)測、數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)、模擬及遙控流量的工作方式[1]。智能井系統(tǒng)通過先進(jìn)的井內(nèi)傳感器采集數(shù)據(jù)，操作者不需要進(jìn)行修理干預(yù)便能改變流動(dòng)特性。測量點(diǎn)離目標(biāo)層越近，所采集數(shù)據(jù)的分辨率越高，最終價(jià)值越大，用于井下流量計(jì)量的文丘里流量計(jì)可以協(xié)助其達(dá)到該種目的。

    在油氣水混合物中，油水同屬液體，它們的流動(dòng)規(guī)律有類似之處，實(shí)踐中常把它們作為液相來統(tǒng)一考慮，這樣便可以將油氣水混合物的多相流動(dòng)簡化為氣液兩相流動(dòng)來進(jìn)行研究。國內(nèi)外各國學(xué)者利用節(jié)流裝置對(duì)氣液兩相流流量測量做了大量研究工作，得到了一些典型的兩相流流量測量方程，取得了較好的測量結(jié)果。這些測量方程或關(guān)系式主要從兩種不同的基本思路出發(fā)得到的，即均相流模型和分相流模型思路。傳統(tǒng)的單相流量計(jì)結(jié)合兩相流流體物性測量技術(shù)組成的多相流測量系統(tǒng)是目前嘗試解決氣液兩相流流量測量的一個(gè)重要研究方向。由于其明確的物理意義并且易于推廣，節(jié)流式流量計(jì)（孔板、噴嘴和文丘里管）已經(jīng)成為單相流量計(jì)的最佳選擇之一。

    1 工作原理

    文丘里流量計(jì)是一種節(jié)流流量計(jì)，它利用節(jié)流裝置前后的差壓與平均流速和流量的關(guān)系，根據(jù)差壓測量值計(jì)算流量，如圖1所示，文丘里管由入口端，收縮端，喉管，擴(kuò)張端和取壓口五部分組成。

    文丘里管的基本原理是[2]：當(dāng)管路中液體流經(jīng)文丘里管時(shí)，液流斷面收縮，在收縮斷面處流速增加，壓力降低，使文丘里管前后產(chǎn)生壓差，再根據(jù)測得的壓差計(jì)算流速。最后結(jié)合計(jì)算得到的各相相分率便可以得到各相流量。

    由于精確地描述流體運(yùn)動(dòng)十分困難，因此通常利用某些在假定基礎(chǔ)上成立的簡單關(guān)系推導(dǎo)并建立出實(shí)際可用的描述流體運(yùn)動(dòng)的理論公式。節(jié)流流量計(jì)的原理就是由伯努利方程和連續(xù)性方程導(dǎo)出的。     

圖1 文丘里管結(jié)構(gòu)

    文丘里流量計(jì)由一次裝置（檢測件）和二次裝置（壓差轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表）組成（本論文只討論檢測件）。通常以檢測件形式對(duì)壓差流量計(jì)進(jìn)行分類，如孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、均速管流量計(jì)。本文主要就井下文丘里流量計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其具體工作方案是：首先，在油氣水混合物進(jìn)入文丘里之前，先經(jīng)過均相混合器進(jìn)行混合，使三相液體在進(jìn)入流量計(jì)之前得以較均勻的分布，有利于提高計(jì)量精度；其次，流體通過文丘里管喉部的時(shí)候，加速效應(yīng)使多相混合加劇，使其更趨近于均相流動(dòng)。該種方案有待于實(shí)施試驗(yàn)進(jìn)行論證，方可驗(yàn)證其是否能夠達(dá)到所需效果。在文丘里的入口端和喉管部分都設(shè)有取壓口，通過傳感器和光纖將所測數(shù)據(jù)傳到地面，再通過二次裝置將之轉(zhuǎn)換成各相流量數(shù)據(jù)。

    2 計(jì)量方案

    井下多相流量計(jì)測取的主要數(shù)據(jù)是流體中油水兩相的質(zhì)量流量，目前的技術(shù)還不能直接測試流體中三相的質(zhì)量流量，而是采用間接測量的方法，即計(jì)量每種成分的瞬時(shí)速率和各自截面含率，通過計(jì)算得到各相的質(zhì)量流量，如圖2中所示。

圖2 井下流量測試原理圖

    為了利用節(jié)流件測量兩相流流量，必須尋求通過節(jié)流件的兩相流體的差壓、干度、含氣率和氣液總流量、分相流量之間的關(guān)系。近幾十年來，各國學(xué)者在利用各種節(jié)流件測量氣液兩相流流量方面，進(jìn)行了很多理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。國內(nèi)已有學(xué)者采用文丘里，利用空隙率進(jìn)行了空氣-柴油兩相流量測量的研究[3]。

    在井下油管中，油井產(chǎn)出的原油伴生天然氣和礦化水形成了一種相態(tài)和流型復(fù)雜多變的多相流，是一個(gè)多變量的隨機(jī)過程。各相在實(shí)際狀況下的體積流量Q為

      （1）

    式中

    S—各相在管道截面上所占據(jù)的面積，m2；

    v—各相沿管道軸線的流速，m/s。

    根據(jù)各相的溫度和壓力，利用狀態(tài)方程可以將實(shí)際狀況下的體積流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量。

    式中    

    So—管道截面總面積，m2；

    Sg—氣相所占面積，m2；

    Sp—油相所占面積，m2；

    Sw—水相所占面積，m2；

    Hg—管道中油氣水三相流的截面含氣率，無因次；

    Hw—油水混合液含水率，無因次。

    綜合式（1）、（2）、（3）和（4），就可以推導(dǎo)出油氣水三相在實(shí)際狀況下的體積流量Qp、Qg、Qw分別為

    式中    

    vg—氣相流速，m/s；

    vw—水相流速，m/s；

    vp—油相流速，m/s。

    由此可見，油氣水三相在實(shí)際狀況下的體積流量的測量可以通過對(duì)各相流速、流量截面上的含氣率和含水率流動(dòng)參數(shù)的在線監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)。

    文丘里管不僅廣泛使用于單相流測量，將其應(yīng)用于多相流測量也是人們多年的研究目標(biāo)。與孔板等其他節(jié)流件相比，文丘里還有一個(gè)主要的優(yōu)勢，就是對(duì)氣液兩相流流型的影響相對(duì)較小[4-5]。由于其管路壓損低、對(duì)上下游直管段要求低，對(duì)氣液兩相流流型的影響相對(duì)較小，文丘里管獲得了越來越多的研究關(guān)注[6-7]。

    3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    文丘里管由出入口圓柱段A，圓錐收縮段B，圓柱形喉部C以及圓錐形擴(kuò)散段E組成，如圖3所示。入口段A的直徑和管道內(nèi)徑相同，該段上開有取壓孔，直徑的單次測量值和平均值之差不應(yīng)超過0.4%。圓柱喉部C的直徑為d，長度為l且d=l，其上開有負(fù)壓取壓孔。圓錐形收縮段B的錐角為21°～22°，上游與A段相接，下游與C段相接，長度

   （8）

    式中

    D—A段直徑，mm；

    d—C段直徑，mm。

    擴(kuò)散段E為圓錐面，錐角選7°～8°。最小端直徑不小于喉部直徑，最大端直徑可小于等于管道內(nèi)徑D。    

圖3 文丘里管結(jié)構(gòu)簡圖    

    前人研究表明[8-9]，井下工作狀態(tài)下的管道直徑

       （9）

    式中

    λ—文丘里管管道材料的熱膨脹系數(shù)，無因次；

    t—井下溫度，℃。

    常用流量qmcom可表示為

      （10）

    式中

    qmmax—最大流量，kg/s。

    在常用流量的狀態(tài)下管道雷諾數(shù)Re為

      （11）

    式中

    μ—動(dòng)力黏度，mPa·s。

    差壓上限值Δpcom為

      （12）

    式中

    β—直徑比系數(shù)，無因次，；

    ρ—流體密度，kg/m3；

    C—流出系數(shù)，表示通過節(jié)流裝置的實(shí)際流量值與理論流量值之比，無因次。    

    由式（12）可以得出最大壓差Δpmax為

       （13）

    通過公式（13），就可以求出Δpmax，并將其圓整。

    引入系數(shù)喉管面積S

       （14）

    得到直徑比系數(shù)的計(jì)算公式

      （15）

    式中

    ε—可膨脹系數(shù)，無因次。

    可以求出一個(gè)新值β1。

    無因次數(shù)C可以表示為

       （16）

    C、&beta;相互關(guān)聯(lián)，互相影響，無法得到它們的精確值，為此采用式（15）、（16）進(jìn)行迭代計(jì)算。當(dāng)|&Delta;&beta;|<1&times;10-4，即滿足標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)精度時(shí)停止迭代，根據(jù)

      （17）

    將計(jì)算出的喉管直徑代入下式驗(yàn)算流量    

       （18）

    計(jì)算誤差

       （19）

    當(dāng)-0.2%<&delta;<0.2%，則表明文丘里管的尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

    4 結(jié)論

    （1）文丘里管式流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、無插件，不干擾流體流動(dòng)、壓損小、受流體物性變化影響小，便于實(shí)施、安全可靠，測量精度高，適合井下流量計(jì)量與控制。

    （2）可實(shí)現(xiàn)在混輸狀態(tài)下的三相流體流量的計(jì)量，以評(píng)估油井的流出液，為智能油田開發(fā)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。如果文丘里流量計(jì)能按設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)工作的話，它不僅能提供不確定度低于8%的流量計(jì)量，還能夠提供一個(gè)高速的現(xiàn)行數(shù)據(jù)，但是這往往由井口輸出端的&ldquo;瓶頸&rdquo;所限制。流量計(jì)所提供的信息能用在智能完井生產(chǎn)作業(yè)優(yōu)化的快速回路中，即使超過了其操作范圍，此流量計(jì)也能提供一個(gè)低于15%的測量不確定度。利用智能完井作業(yè)，其中包括各種不同的傳感器和流體特性，因此這也使實(shí)時(shí)流體特性的分析成為可能。

    （3）文丘里流量計(jì)在大多數(shù)的環(huán)境中擁有可靠的性能，但在流量相對(duì)較小時(shí)就難以獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果。    

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