注水测调流量计位置及结构对测量影响分析

桂鹏飞 张继斌 何文辉 刘 毅 李文东

(中国石油集团测井有限公司 生产测井中心，西安 710200）

注水是油田开发中一种补充地层能量的方法，它是维持油田长期高产稳产的关键一步。目前，油田使用的分层注水就是用封隔器把吸水能力差别较大的层分隔开来，采用可调水嘴分别注水。每层注水量的测量主要采用的是下入流量计，通过测量管柱内水的流速来计算流量。由于管柱内流量计的下入会改变水流的流态，测量的流速一般不是管柱内真实的水流速度，因此计算的每层注入量与实际的注入量有较大的误差。本文以常用的超声流量计为例，通过流态仿真分析，研究流量计在管柱中状态对测量水流速度的影响。

1 超声流量计算的原理

超声波流量计属于非接触式测量仪表，对流体流动无干扰、无阻力，不产生压力损失，受介质物理性质的限制少，适应性强，一般采用时差法原理来测量。超声波在顺流与逆流中传播速度之差与介质流速有关，测得介质流速即可得出流量[1-2]。超声波在顺、逆流中传播情况如图1所示。

图1 超声波传播示意图

设静止流体中的声速为c，流体流速为v，流体静止时超声轨迹与管道轴线之间的夹角为θ,管道直径为d。

1.1 顺流传播时间

顺流传播时间为：

1.2 逆流传播时间

逆流传播时间为：

式中，τ为超声波在管壁内和电脉冲信号在电路中传输所产生的滞后时间的总和。

1.3 时间差

时间差为：

式（3）可转化为：

1.4 流量公式

流量公式为：

从式（1）～式（5）可以看出，只要测量出注水管柱中水流的速度，就可以确定注入量。在测定地层的注水量时，都是在该地层的注水管柱水嘴上方和水嘴下方各进行一次流量测量，上下差值即为该地层的注水量。

2 流量计流体仿真分析

2.1 模型与边界条件

计算模型由注水油管和超声流量计形成的流动区域组成，内径62mm，长度2000m，流量计外径42mm。流量计探头在轴向方向对称安装，油管柱中的水流通过流量计上部探头的水流窗口进入流量计的中心水管，然后从流量计下部探头流出。假定油管左端面给定入口速度，壁面为无滑移边界，内壁面处于静止状态，流量计位于油管内处于静止状态，模拟环境在常温常压条件下进行，油管入口注水流量为50m3/d，油管内的水流速度场分布如图2所示[3]。

图2 油管水流速度场分布

2.2 模拟结果与分析

油管中流量计的中心位置横截面速度分布曲线如图3所示。图3（a）为未下流量计时的速度分布曲线，从图中可以看出，水流在油管中的流动受沿程阻力影响，导致水流速度不恒定，从管壁到中心逐渐增大，管内平均流速为0.19645m/s。图3（b）为下入流量计时油管中水流速度分布曲线，由于流量计的中心水管壁厚的影响，油管中水流在径向上被分成流量计中心管内水流速度和油管环空水流速度，红色部分为通过流量计中心管的流速，即为超声流量计测量的水流速度。流量计的中心水管的水流平均速度为0.20442m/s，水流速度比空油管水流速度变大，平均水流速度误差为4%，最大流速误差为6%。

图3 油管水流分布曲线

图4 影响速度变化曲线

改变流量计在油管中的位置，从居中到贴壁进行仿真模拟，油管中偏心放置流量计时对测量的水流速度影响情况如图4（a）所示，随着偏心水流速度逐渐减小，影响误差达到16.5%，影响较大。流量计中心水管管径对水流速度的影响变化如图4（b）所示，随着流量计中心管径变大，水流速度减小，接近空油管水流速度。

3 结语

当油管注水量一定时，确保流量计居于注水管柱的中心测量。由于流量计偏心对测量水流速度影响较大，需要对流量计进行从居中到偏心状态的地面标定校正。在满足强度的条件下，流量计的中心水管越大，测量的水流速度越接近空油管状态下的水流速度值。