注水測調流量計位置及結構對測量影響分析

桂鵬飛 張繼斌 何文輝 劉 毅 李文東

(中國石油集團測井有限公司 生產測井中心，西安 710200）

注水是油田開發中一種補充地層能量的方法，它是維持油田長期高產穩產的關鍵一步。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來，采用可調水嘴分別注水。每層注水量的測量主要采用的是下入流量計，通過測量管柱內水的流速來計算流量。由于管柱內流量計的下入會改變水流的流態，測量的流速一般不是管柱內真實的水流速度，因此計算的每層注入量與實際的注入量有較大的誤差。本文以常用的超聲流量計為例，通過流態仿真分析，研究流量計在管柱中狀態對測量水流速度的影響。

1 超聲流量計算的原理

超聲波流量計屬于非接觸式測量儀表，對流體流動無干擾、無阻力，不產生壓力損失，受介質物理性質的限制少，適應性強，一般采用時差法原理來測量。超聲波在順流與逆流中傳播速度之差與介質流速有關，測得介質流速即可得出流量[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

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

1.1 順流傳播時間

順流傳播時間為：

1.2 逆流傳播時間

逆流傳播時間為：

式中，τ為超聲波在管壁內和電脈沖信號在電路中傳輸所產生的滯后時間的總和。

1.3 時間差

時間差為：

式（3）可轉化為：

1.4 流量公式

流量公式為：

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

2 流量計流體仿真分析

2.1 模型與邊界條件

計算模型由注水油管和超聲流量計形成的流動區域組成，內徑62mm，長度2000m，流量計外徑42mm。流量計探頭在軸向方向對稱安裝，油管柱中的水流通過流量計上部探頭的水流窗口進入流量計的中心水管，然后從流量計下部探頭流出。假定油管左端面給定入口速度，壁面為無滑移邊界，內壁面處于靜止狀態，流量計位于油管內處于靜止狀態，模擬環境在常溫常壓條件下進行，油管入口注水流量為50m3/d，油管內的水流速度場分布如圖2所示[3]。

圖2 油管水流速度場分布

2.2 模擬結果與分析

油管中流量計的中心位置橫截面速度分布曲線如圖3所示。圖3（a）為未下流量計時的速度分布曲線，從圖中可以看出，水流在油管中的流動受沿程阻力影響，導致水流速度不恒定，從管壁到中心逐漸增大，管內平均流速為0.19645m/s。圖3（b）為下入流量計時油管中水流速度分布曲線，由于流量計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中心管內水流速度和油管環空水流速度，紅色部分為通過流量計中心管的流速，即為超聲流量計測量的水流速度。流量計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

改變流量計在油管中的位置，從居中到貼壁進行仿真模擬，油管中偏心放置流量計時對測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，影響誤差達到16.5%，影響較大。流量計中心水管管徑對水流速度的影響變化如圖4（b）所示，隨著流量計中心管徑變大，水流速度減小，接近空油管水流速度。

3 結語

當油管注水量一定時，確保流量計居于注水管柱的中心測量。由于流量計偏心對測量水流速度影響較大，需要對流量計進行從居中到偏心狀態的地面標定校正。在滿足強度的條件下，流量計的中心水管越大，測量的水流速度越接近空油管狀態下的水流速度值。