井下小型孔板流量计的设计与应用

摘要：通过将流量计安装在注水井配注装置内, 实现井下分层注水量的自动监测。目前地面上进行流量测量的流量计种类较多, 但大多不适合在井下长期使用, 且无法满足配注装置内部的空间要求。针对上述问题开展井下小型孔板流量计的设计, 对比油田测试常用流量计的功能特点, 优选流量测量方式;综合考虑流态、结构尺寸约束和压力损失等因素并通过FLUENT软件模拟确定了流量计的尺寸, 优选差压传感器并设计保护组件。室内试验与现场试验表明:流量计测量值较为准确, 测量误差小于5%。

胜利油田针对分层注水井测调工艺繁琐、工作量大[1]、不能实时监测分层注水量并根据总注水量的变化对井下分层水嘴进行实时调节等问题, 开展了免投捞实时测控注水技术研究。井下分层注水量的自动监测, 通过将流量计安装在配注装置内实现, 流量计有小型化、结构简单、无运动部件、稳定可靠等基本要求。目前用来在地面上实现流量测量的流量计有几十种之多, 但大多不适合在井下长期使用, 一方面由于地面和井下的环境差异 (温度、压力) , 另一方面是目前的流量计的体积、安装方式无法直接用于配注装置上, 因此需要根据现有流量测量原理, 设计适合于井下流量测量的小型流量计。

对井下分层注水量自动监测使用的流量计有以下要求:

(1) 长期使用的可靠性。目前井下常用流量计的使用仅限于测试, 测试后即可进行维护、标定。文中所述的流量计, 在井下长时间连续使用, 其可靠性要求远大于目前使用的流量计。

(2) 结构紧凑。文中所述的流量计安装于配注装置的环空内, 空间位置有限, 流量计的直径受到限制, 其直径小于30 mm。

(3) 具备抗堵塞能力。分层计量流量计的通道较小, 容易产生堵塞, 需保持流道通畅。

结合上述需求进行流量测量方式的选取。电磁流量计和超声波流量计结构较复杂[2-3], 小型化则结构设计困难;涡街流量计怕震动[4], 不利于井下长期使用;靶式流量计对流体的要求较高[5], 不适用于低雷诺数测量, 且流体必须充满流量计的测量管;标准孔板流量计采用圆形薄壁孔板, 性能稳定可靠, 使用寿命长[6], 常用来做污水计量, 此外孔板流量计结构简单, 易于实现小型化设计, 因此流量测量方式选用孔板式。

按照配注装置整体结构排布 (截面如图1所示) , 流量计测量通道的***大外径为26 mm。由于配注装置结构紧凑, 按照标准孔板流量计法兰夹持孔板的结构形式无法实现, 因此在小型化的设计上, 取消了法兰连接, 大大缩小了外径尺寸, 如图2所示。

图1 配注装置横截面图 

图2 小型孔板流量计结构示意图

孔板流量计的设计首先应保证流道内的流体处于紊流状态, 避免流态变化引起流量测量误差。由于结构约束关系, 孔板流量计的流道直径设计为14~22mm, 单层注水量取Q=2~20 m3/d。计算孔板流量计的雷诺数与流道直径和单层注水量之间的关系, 结果见图3。

流道直径减小, 有利于提高测量精度, 但流道过小会增大沿程阻力。流道直径为14~22 mm, 单层注水量取Q=5~50 m3/d, 按照达西-韦斯巴赫公式 (1) 与布拉修斯公式 (2) [7]计算流量计流道内的压力损失。从图4可以看出:随着流道直径的增加, 流阻明显下降, 若要减小压力损失, 流道直径应尽量大。

式中:hf为沿程阻力损失;λ为沿程阻力系数;L为流道长度;v为平均流速;D为流道直径;g为重力加速度;Re为雷诺数。

图3 流量与雷诺数间的关系

图4 流道压力损失曲线

综合考虑流态、结构尺寸约束和压力损失等因素, 小型流量计流道直径取值范围为14~22 mm。标准孔板流量计的直径比一般在0.2~0.75之间[8]。根据以上分析取流道直径的1/3~1/2作为孔板直径较为合适。孔板直径越小, 流量计灵敏度会越高, 有利于传感器检测, 但也会引起压力损失的增加, 如果孔板直径过小, 也存在孔板被堵塞的危险。综合考虑各因素, 流量计孔板直径取值范围为5~16 mm。

运用FLUENT软件与标准孔板流量计流量-压差计算公式 (3) , 对量程为3~30 m3/d的流量计对应的流道结构进行数值模拟, 绘制的流量与压差关系曲线如图5—6所示。孔板两端***高压差为0.2 MPa时, 对应流量计的流道尺寸为:流道直径14 mm, 孔板直径5.1 mm。

式中:qv为体积流量;C为修正系数;β为流量计的直径比;A0为流道横截面积;Δp为流道出口与入口处的压差;ρ为流体密度。

图5 流道14 mm、孔径5.1 mm的速度场、压力场分布

图6 流量与压差关系曲线

在3~30 m3/d流量计设计成功的基础上, 利用FLUENT软件对量程分别为15~150 m3/d、30~400m3/d的流量计对应流道进行了模拟, 绘制流量与压差关系曲线如图7—8所示。

图7 量程15~150 m3/d流道与压差关系曲线

图8 量程30~400m3/d流量与压差关系曲线

可以看出:孔板两端***高压差为0.2 MPa时, 量程15~150 m3/d对应流量计的流道尺寸为:流道直径18 mm, 孔板直径10.3 mm;量程30~400 m3/d对应流量计的流道尺寸为:流道直径20 mm, 孔板直径15 mm。

差压传感器的选型原则:流量测量通道压差损失小, 满足配注器的结构尺寸要求, 测量精度高以及耐高温高压。选择的差压传感器性能参数如下:差压0~0.2 MPa、精度0.1%、耐温-40℃~125℃、外形尺寸19 mm×35 mm。

选用该差压传感器, 承受的压力可以满足设计要求, 传感器综合精度为0.1%, 流量分辨率较高、可区分0.5 m3, 40 m3的水流冲击为0.19 MPa (<0.2 MPa) , 不易损坏。

差压传感器承受的压差不能超过工作压差的3倍, 为防止高压差或尖峰压力脉冲对传感器的损坏, 设计了单向阀和波纹管保护组件, 与流量计共同够成流量计短节, 如图9所示。其中单向阀保护组件主要是用来防止长时间的高压差对传感器造成损害;波纹管保护组件采用低刚度金属片, 迅速做出缓冲压力较大的脉冲, 主要是用来吸收快速的尖峰压力脉冲, 防止尖峰压力脉冲损坏。单向阀与波纹管相辅相成可以有效地保护传感器不被损坏。

图9 流量计短节

在室温25℃, 流量0~300 m3/d对流量计进行标定, 标准流量计的量程范围1.5~450 m3/d, 精度0.1%。在图10所示的流量计标定实验平台上, 分别进行正行程和反行程流量测试, 流量标定数据见表1。

试验结论:试验流量***小为2.6 m3/d, ***大为286.1 m3/d, 流量标定***大误差正行程为3.9%, 反行程为3.7%, 流量与压力计数呈抛物线关系。将正行程和反行程的测量数据进行拟合, 拟合结果如图11所示, 曲线基本重合, 误差很小, 说明流量计重复性高。

图1 0 流量计标定实验平台

表1 正行程、反行程流量标定数据  

图1 1 正反行程数据拟合曲线

在室内试验成功的基础上, 在GD2-22-24井上进行了首次现场试验。该井上层配注30 m3/d, 下层配注20 m3/d, 井下小型孔板流量计测量值在多功能配注装置上显示上层注水量32.3 m3/d, 下层注水量19.4 m3/d, 地面水表显示50 m3/d。为验证分层流量调配结果是否准确进行了超声波流量计测试验证, 分层水量调配结果、超声波流量计测试验证结果与地面水表计量结果3个参数吻合度达到95%以上。

该井现场试验9个月以来, 不断跟踪现场实时测试情况, 超声波流量计分层测试验证结果显示:井下小型孔板流量计测量值在多功能配注装置上显示的测试误差仍小于3%。目前已开展现场试验6口井, 测试误差均小于5%, 现场试验效果良好。

(1) 小型孔板流量计结构简单、无运动部件, 安装于配注装置内, 与配注装置在井下长期使用, 进行井下分层注水量的自动监测。

(2) 试验结果显示, 小型孔板流量计测量值较为准确, 计量误差小于5%。

(3) 单向阀和波纹管保护组件有效防止高压差或尖峰压力脉冲对传感器的损坏, 提高了流量计的工作可靠性。