溫度對渦輪流量計井下計量參數(shù)的影響油田生產(chǎn)井各種生產(chǎn)參數(shù)計量是生產(chǎn)管理的一項基礎(chǔ)性工作。在油田生產(chǎn)參數(shù)的計量檢測中，我們注意到溫度、壓力等參數(shù)的測量比較容易實現(xiàn)，唯獨流量的測量最為復(fù)雜，是一個較難測量的參數(shù)。

 

    渦輪流量計是檢測流體（液體、氣體）流量的儀器之一。由于油氣井產(chǎn)層流體的流量參數(shù)受流體本身的溫度、黏度、密度等的影響，而且生產(chǎn)井井下實際情況又十分復(fù)雜，在測量過程中往往出現(xiàn)井口量油與井下在線計量不一致的情況，給生產(chǎn)和管理帶來了麻煩[1]。本文主要研究了不同溫度對渦輪響應(yīng)值——K值的影響，進而在趨勢校正上減小井口計量與井下在線計量的偏差，為工程技術(shù)人員提供了一種還原數(shù)據(jù)、校正誤差的方法和手段。

 

    一、渦輪流量計的計量原理和影響因素

 

    1.基本原理

 

    渦輪流量計是一種以動量矩守恒原理為基礎(chǔ)的速度式儀表。當流體沖擊渦輪葉片時，渦輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，進而依據(jù)渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)求出流量值。計量儀表的計量是通過磁電轉(zhuǎn)換裝置（或機械輸出裝置）將渦輪轉(zhuǎn)速變成電脈沖，送入二次儀表進行計算和顯示，由單位時間電脈沖數(shù)和累計電脈沖數(shù)反映出瞬時流量和累計流量。

 

    2.影響因素

 

    渦輪流量計的理想特性曲線僅與儀表結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與流量變化無關(guān)，儀表系數(shù)K（響應(yīng)值）為一常數(shù)，而實際曲線并非如此。對于實際的渦輪流量計，在啟動時渦輪首先要克服軸承的靜摩擦力而后才能轉(zhuǎn)動[2]。我們將渦輪克服靜摩擦力矩所需的最小流量值稱為該渦輪的始動流量值。當通過流量計的流量小于始動流量值時，渦輪不轉(zhuǎn)動，也無信號輸出；當流量大于始動流量值以后，隨著流量的增加，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度也將增大。以后，在測量范圍內(nèi)，流體產(chǎn)生的阻力矩將成為影響流量計特性的主要因素，相對來說，由軸承間摩擦產(chǎn)生的機械阻力矩就比較小了。流體產(chǎn)生的阻力矩對渦輪的影響又分為如下兩種情況：一是當流體以較低速度流經(jīng)渦輪時，儀表常數(shù)是隨被測流體的流量和運動黏度變化而變化的。二是當流體以較高速度流經(jīng)渦輪時，儀表常數(shù)只與儀表本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與流量無關(guān)。只有在這種狀態(tài)時，儀表常數(shù)才真正表示了常數(shù)的性質(zhì)。渦輪流量計的流量范圍就是根據(jù)這一區(qū)間來確定的［3，4］。

 

    二、實驗及結(jié)果分析

 

    1.實驗數(shù)據(jù)一：渦輪在水中不同溫度下的響應(yīng)

 

    在單相流的條件下，渦輪的轉(zhuǎn)速和流經(jīng)它的體積流量成一單值線性函數(shù)；在油水兩相流條件下，只要流量超過始動流量，在允許的誤差范圍內(nèi)，渦輪的響應(yīng)和體積流量也成線性函數(shù)。不同溫度下，用水標定渦輪的響應(yīng)值K值的情況（表1）。由表1的兩組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在同一流量下，由于水溫度的增加，渦輪的K（K=F/Q）值相對減小。

 

 

 

    2.實驗數(shù)據(jù)二：渦輪在油中不同溫度下的響應(yīng)

 

    不同溫度下，標定渦輪對油流量的響應(yīng)數(shù)值，如表2所示。

 

    根據(jù)表2數(shù)據(jù)得出油對K值的響應(yīng)特性關(guān)系式。其中冷油（16℃）對K值的響應(yīng)特性為：

 

    F=119.7Q-46.383

 

    熱油（60℃）對K值的響應(yīng)特性為：

 

    F=107.04-20.484

 

    由此，我們可以推導出：

 

    

 

    式中Q1——熱油流量，m3/d；

 

     Q2——冷油流量，m3/d；

 

    F1——渦輪對Q1的頻率響應(yīng)值，Hz；

 

    F2——渦輪對Q2的頻率響應(yīng)值，Hz。

 

    將式（1）、式（2）組成方程組，解得：

 

    （1）當F=F1=F2=143時，Q1=Q2；

    （2）當F=F1=F2＞143時，K值大的渦輪流速相對較小；

    （3）當F=F1=F2＜143時，K值大的渦輪流速相對較大。

 

    圖1為標準渦輪在不同流量、不同油溫下的K值響應(yīng)曲線。標準渦輪K值計算公式為：

 

    K=F/Q

 

    其中 Q=V/T

 

    式中 F——標準渦輪在某一流量范圍內(nèi)的響應(yīng)頻率；

    V——某一固定體積容器；

    T——以某固定流量Q充滿固定體積V所用的時間。

 

 

 

    由以上圖表可以看到：當Q1=Q2時，F(xiàn)1＜F2，K1＜K2。因此，可以得出，當流量一定時，標定冷水的K值比熱水的K值大。如果提高流量Q1，使F1=F2，則會出現(xiàn)以下情況：當F1=F2時，Q1＞Q2，K1＞K2。

 

    三、簡單的結(jié)論

 

    （1）渦輪在同樣響應(yīng)頻率的情況下，針對溫度對頻率響應(yīng)影響特性，通過文中實驗和圖版，我們得到一個臨界頻率，即：當頻率F=F1，F(xiàn)1＞143時，冷油中的渦輪流速較??；當頻率F=F1，F(xiàn)＜143時，熱油中的渦輪流速較大。 

 

    （2）溫度參數(shù)對渦輪K值有很大影響，往往使渦輪頻率產(chǎn)生響應(yīng)誤差，影響生產(chǎn)井在線計量的精度，應(yīng)進行相應(yīng)校正。

 

    （3）渦流流量計的渦輪和軸承如選擇耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的材料，則可以在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，并解決了地下溫度過高造成測量誤差過大的問題；同時，應(yīng)注意對其儀表系數(shù)進行修正。

 

    （4）在今后的工作過程中，應(yīng)通過大量實際數(shù)據(jù)的測量統(tǒng)計和分析，建立不同溫度下兩相流頻率的響應(yīng)圖版，以便于工程技術(shù)人員根據(jù)不同井況進行相應(yīng)的流量校正。

 

    參考文獻

 

    [1]韓文卿，孫良玉.渦輪流量計測量誤差分析[J].測控技術(shù)，1995，20（1）：86-89.

    [2]李海青.兩相流參數(shù)檢測及應(yīng)用[M].杭州：浙江大學出版社，1991.

    [3]王進旗，強錫富，張永奎.測量油井含水率的新方法——同軸線相位法[J].儀器儀表學報，2002，23（1）：74-76.

    [4]王進旗，強錫富，于英華.基于相位法原油含水率儀的實驗研究[J].計量學報，2004