引言
在原油開采過程中，傳統(tǒng)的計量方法是進行室內(nèi)化學分析，提取剛開采的產(chǎn)出液樣本分析其品質(zhì)，再根據(jù)這些結果修正現(xiàn)有的采油工藝。采樣分析過程需要耗費一定的時間，而且原油中的烴類氣體（包括溶解氣）在此期間會不斷揮發(fā)，因此利用滯后的分析數(shù)據(jù)制定采油工藝顯然準確性不高，實時性差，生產(chǎn)中需要一種在線計量儀器，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)，完成實時檢測，從而達到快速修正采油工藝的目的。
智能井系統(tǒng)是一個實時注采管理網(wǎng)絡，包括井內(nèi)監(jiān)測、數(shù)據(jù)評價、模擬及遙控流量的工作方式[1]。智能井系統(tǒng)通過先進的井內(nèi)傳感器采集數(shù)據(jù)，操作者不需要進行修理干預便能改變流動特性。測量點離目標層越近，所采集數(shù)據(jù)的分辨率越高，最終價值越大，用于井下流量計量的文丘里流量計可以協(xié)助其達到該種目的。
在油氣水混合物中，油水同屬液體，它們的流動規(guī)律有類似之處，實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簡化為氣液兩相流動來進行研究。國內(nèi)外各國學者利用節(jié)流裝置對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果。這些測量方程或關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)的單相流量計結合兩相流流體物性測量技術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（孔板、噴嘴和文丘里管）已經(jīng)成為單相流量計的最佳選擇之一。
1 工作原理
文丘里流量計是一種節(jié)流流量計，它利用節(jié)流裝置前后的差壓與平均流速和流量的關系，根據(jù)差壓測量值計算流量，如圖1所示，文丘里管由入口端，收縮端，喉管，擴張端和取壓口五部分組成。
文丘里管的基本原理是[2]：當管路中液體流經(jīng)文丘里管時，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)測得的壓差計算流速。最后結合計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動十分困難，因此通常利用某些在假定基礎上成立的簡單關系推導并建立出實際可用的描述流體運動的理論公式。節(jié)流流量計的原理就是由伯努利方程和連續(xù)性方程導出的。
圖1 文丘里管結構
文丘里流量計由一次裝置（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壓差流量計進行分類，如孔板流量計、文丘里流量計、均速管流量計。本文主要就井下文丘里流量計的結構進行設計。其具體工作方案是：首先，在油氣水混合物進入文丘里之前，先經(jīng)過均相混合器進行混合，使三相液體在進入流量計之前得以較均勻的分布，有利于提高計量精度；其次，流體通過文丘里管喉部的時候，加速效應使多相混合加劇，使其更趨近于均相流動。該種方案有待于實施試驗進行論證，方可驗證其是否能夠達到所需效果。在文丘里的入口端和喉管部分都設有取壓口，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 計量方案
井下多相流量計測取的主要數(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，即計量每種成分的瞬時速率和各自截面含率，通過計算得到各相的質(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、分相流量之間的關系。近幾十年來，各國學者在利用各種節(jié)流件測量氣液兩相流流量方面，進行了很多理論分析和實驗研究。國內(nèi)已有學者采用文丘里，利用空隙率進行了空氣-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)和流型復雜多變的多相流，是一個多變量的隨機過程。各相在實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)方程可以將實際狀況下的體積流量轉(zhuǎn)換成標準狀況下的體積流量。
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），就可以推導出油氣水三相在實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，油氣水三相在實際狀況下的體積流量的測量可以通過對各相流速、流量截面上的含氣率和含水率流動參數(shù)的在線監(jiān)測來實現(xiàn)。
文丘里管不僅廣泛使用于單相流測量，將其應用于多相流測量也是人們多年的研究目標。與孔板等其他節(jié)流件相比，文丘里還有一個主要的優(yōu)勢，就是對氣液兩相流流型的影響相對較小[4-5]。由于其管路壓損低、對上下游直管段要求低，對氣液兩相流流型的影響相對較小，文丘里管獲得了越來越多的研究關注[6-7]。
3 結構設計
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 文丘里管結構簡圖
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)的計算公式
（15）
式中
ε—可膨脹系數(shù)，無因次。
可以求出一個新值β1。
無因次數(shù)C可以表示為
（16）
C、β相互關聯(lián)，互相影響，無法得到它們的精確值，為此采用式（15）、（16）進行迭代計算。當|Δβ|<1×10-4，即滿足標準的設計精度時停止迭代，根據(jù)
（17）
將計算出的喉管直徑代入下式驗算流量
（18）
計算誤差
（19）
當-0.2%<δ<0.2%，則表明文丘里管的尺寸符合標準要求。
4 結論
（1）文丘里管式流量計結構簡單、無插件，不干擾流體流動、壓損小、受流體物性變化影響小，便于實施、安全可靠，測量精度高，適合井下流量計量與控制。
（2）可實現(xiàn)在混輸狀態(tài)下的三相流體流量的計量，以評估油井的流出液，為智能油田開發(fā)系統(tǒng)提供實時的數(shù)據(jù)。如果文丘里流量計能按設計的標準工作的話，它不僅能提供不確定度低于8%的流量計量，還能夠提供一個高速的現(xiàn)行數(shù)據(jù)，但是這往往由井口輸出端的“瓶頸”所限制。流量計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，此流量計也能提供一個低于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，因此這也使實時流體特性的分析成為可能。
（3）文丘里流量計在大多數(shù)的環(huán)境中擁有可靠的性能，但在流量相對較小時就難以獲得較準確的結果。
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