摘要:為解決分層注聚合物井測調(diào)用電磁流量計(jì),在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)存在的測量流量比實(shí)際注入流量偏小10%以上的問題,對電磁流量計(jì)開展了以自來水和聚合物溶液為流動(dòng)介質(zhì)的標(biāo)定。分析對比了電磁流量計(jì)在自來水中、不同濃度和黏度聚合物溶液中響應(yīng)規(guī)律,指出流態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致電磁流量計(jì)響應(yīng)的儀器常數(shù)改變。科學(xué)合理地解釋了電磁流量計(jì)在分層注聚合物井中測調(diào)流量時(shí)測量偏差大的原因;進(jìn)一步提出了利用電磁流量計(jì)在自來水中層流流態(tài)的測量數(shù)據(jù)獲得的標(biāo)定方程來計(jì)算分層注聚合物井測量流量的標(biāo)定新方法,該標(biāo)定方法標(biāo)定效率提高30倍以上。
自1954年首次提出電磁流量計(jì)的測量理論開始,中外眾多研究者圍繞磁場構(gòu)建、電極尺寸和電極數(shù)目、電極材質(zhì)等方面開展了大量的研究工作研制成功了應(yīng)用于不同測量環(huán)境的電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)因?yàn)榫哂袩o可動(dòng)部件、無阻流部件、無壓力損失、可靠性高、量程比寬等突出優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)計(jì)量和貿(mào)易交接中獲得了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用在分層注水井流量測量的存儲(chǔ)式電磁流量計(jì)，并應(yīng)用于中國各油田分層注水井流量測調(diào)。對于已經(jīng)進(jìn)入高含水和特高含水開發(fā)期的老油田，為進(jìn)一步提高原油采收率,大量注水井逐漸由注水開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒕酆衔镩_發(fā),該類型電磁流量分層注水井測調(diào)儀器同樣也被現(xiàn)場用于在分層注聚合物井中測調(diào)流量,但是在分層注聚合物井流量測調(diào)現(xiàn)場應(yīng)用中存在下述問題:分層注聚合物井流量測調(diào)用電磁流量計(jì)的標(biāo)定方法仍然采用分層注水井流量測調(diào)用電磁流量計(jì)的標(biāo)定方法,即采用自來水為流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定獲得標(biāo)定方程求得儀器常數(shù);電磁流量計(jì)在分層注聚合物井中測量的流動(dòng)介質(zhì)為不同濃度和黏度的聚合物溶液,對近百口分層注聚合物井全井總注入流量測量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,使用自來水中獲得的標(biāo)定方程對分層注聚合物井進(jìn)行流量測量計(jì)算時(shí),存在測量流量比實(shí)際流量偏小10%以上的現(xiàn)象。
為對該現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋,并減小流量測量誤差,對外流式四電極電磁流量計(jì)開展了大量分析，并提出了一種流量校正方法;開展了外流式四電極電磁流量計(jì)磁場分布特性數(shù)值模擬，從理論上定性解釋了電磁流量法在水和聚合物中都對流量具有線性響應(yīng)規(guī)律但儀表常數(shù)不同。外流式四電極電磁流量計(jì)由于磁場分布不均勻,流量計(jì)響應(yīng)特性會(huì)受到流速剖面分布的影響(也就是流型的影響),不能使用流量計(jì)在自來水中的標(biāo)定方程來計(jì)算分層注聚合物井中的流體流量,正確的做法應(yīng)該是使用流量計(jì)在聚合物溶液中的標(biāo)定方程來計(jì)算注聚井的流體流量。但是,油田分層注聚合物井?dāng)?shù)量接近30000口,該類型電磁流量計(jì)的使用數(shù)量超過1000支,并且每3個(gè)月需要標(biāo)定一次。如果使用流量計(jì)在聚合物溶液中的標(biāo)定方程來計(jì)算注聚井的流體流量的方法,油田油氣水三相流測井實(shí)驗(yàn)室,難以完成數(shù)量龐大的流量計(jì)標(biāo)定任務(wù),難以滿足生產(chǎn)應(yīng)用的實(shí)際需求。
分層注聚合物井測調(diào)用電磁流量計(jì),在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)存在的測量流量比實(shí)際注人流量偏小10%的問題,現(xiàn)對電磁流量計(jì)在自來水和聚合物溶液中開展流動(dòng)實(shí)驗(yàn),通過數(shù)據(jù)分析,對流量測量偏差進(jìn)行科學(xué)解釋;進(jìn)一步研究提出一種分層注聚合物井測調(diào)用電磁流量計(jì)簡單有效的標(biāo)定新方法,滿足現(xiàn)場應(yīng)用的實(shí)際需求。
1電磁流量計(jì)-油管環(huán)形流動(dòng)空間雷諾數(shù)計(jì)算
單相流體流動(dòng)的特征分為層流和紊流兩種流態(tài)，可以通過計(jì)算雷諾數(shù)Re來判斷流體是處于層流流態(tài)(Re<2000)或是紊流流態(tài)(Re>4000)。2000<Re<4000時(shí),流體流動(dòng)屬于過渡流態(tài)，過渡流態(tài)表現(xiàn)層流特征還是紊流特征取決于流體流線的擾動(dòng)情況和管壁的粗糙度。。對于電磁流量計(jì)和油管所構(gòu)成的環(huán)形流動(dòng)空間,雷諾數(shù)的計(jì)算公式為
式(1)中:dci為流量計(jì)的外半徑,m;`ʋ為流體平均速度,m/s;ρ為流體密度,kg/m3;μ為流體的黏度，mPa.s;F.為流量計(jì)外半徑與油管內(nèi)半徑的比。
計(jì)算參數(shù)如下:油管內(nèi)徑為62mm,電磁流量計(jì)儀器外徑為38mm,自來水的運(yùn)動(dòng)黏度為1.6mPa.s,濃度為1000mg/L聚合物溶液的運(yùn)動(dòng)黏度為42.0mPa.s,濃度為1500mg/L聚合物溶液的運(yùn)動(dòng)黏度為83.0mPa.s,濃度為2000mg/L聚合物溶液的運(yùn)動(dòng)黏度為140.0mPa.s，自來水的密度為1000kg/m3,聚合物溶液的密度為1000kg/m3。
如表1所示為由雷諾數(shù)的計(jì)算公式(1)反演計(jì)算得到的環(huán)形流動(dòng)空間中不同流動(dòng)介質(zhì)條件下雷諾數(shù)-流量對應(yīng)關(guān)系。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明大慶油田98%的注水井和注聚井,總注人量都小于200m3/d,根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果可知在注水井中對電磁流量計(jì)和油管所形成的環(huán)形流動(dòng)空間中，當(dāng)注水量小于21.8m3/d時(shí)流態(tài)為層流,當(dāng)注水量大于43.7m3/d時(shí)流態(tài)為紊流,在注聚井中對電磁流量計(jì)和油管所形，成的環(huán)形流動(dòng)空間中只有層流流態(tài)
2電磁流量計(jì)在不同流動(dòng)介質(zhì)中的響應(yīng)規(guī)律分析
2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
在油田測試油氣水三相流測井，,對7支電磁流量計(jì)在注人井模擬管路上開展了不同流量條件下自來水和3種濃度聚合物溶液中的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置照片,關(guān)于實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)流程的詳細(xì)介紹可見。由于文章篇幅限制,在本文中詳細(xì)介紹其中2支電磁流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)情況。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)分別為自來水、濃度為1000mg/L聚合物溶液、濃度為1500mg/L聚合物溶液、濃度為2000mg/L聚合物溶液,化驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)黏度分別為1.6.42.0.83.0、140.0mPa.s。
總共設(shè)定16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流量工況:0、3、5、10、15、20、30、40、50、60、70、8090、100、150、200m'/d。開展實(shí)驗(yàn)時(shí)從最大標(biāo)準(zhǔn)流量點(diǎn)開始進(jìn)行遞減調(diào)節(jié),當(dāng)流量大于50m³/d,每個(gè)設(shè)定流量點(diǎn)穩(wěn)定5min后電磁流量計(jì)開始啟動(dòng)測量;當(dāng)流量小于50m³/d,每個(gè)設(shè)定流量點(diǎn)穩(wěn)定15min后電磁流量計(jì)開始啟動(dòng)測量;對于每個(gè)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)流量,電磁流量計(jì)測量時(shí)間設(shè)定為5min,每秒采集2個(gè)測量數(shù)據(jù),每個(gè)流量點(diǎn)共采集600個(gè)測量數(shù)據(jù),采用與中相同的數(shù)據(jù)處理方法。
2.2電磁流量計(jì)在自來水中響應(yīng)規(guī)律分析
根據(jù)表1中計(jì)算數(shù)據(jù),對電磁流量計(jì)和油管構(gòu)成的環(huán)形流動(dòng)空間中，將標(biāo)準(zhǔn)流量小于45m³/d的測量數(shù)據(jù)劃分為層流流態(tài)的測量數(shù)據(jù),將標(biāo)準(zhǔn)流量大于45m³/d的測量數(shù)據(jù)劃分為紊流流態(tài)的標(biāo)定數(shù)據(jù)。
圖2所示為1#電磁流量計(jì)在不同流量范圍自來水中的測量數(shù)據(jù)及線性擬合曲線,將流量為0~200m³/d、0~40m³/d、45~200m³/d時(shí)的儀器常數(shù)(線性擬合曲線的斜率)分別記為K1.3=19.53、K1.1=17.654、K1.2=19.807。分別對K1.3、K1.1、K1.2進(jìn)行對比計(jì)算,得
式(2)的計(jì)算數(shù)據(jù)表明紊流流態(tài)中1#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K,2要比層流流態(tài)中1#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K1.1偏大12.20%。式(3)的計(jì)算數(shù)據(jù)表明包括層流和紊流兩種流態(tài)的1#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K1.3要比層流流態(tài)中1#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K.偏大10.63%。，式(4)的計(jì)算數(shù)據(jù)表明紊流流態(tài)中1#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K1.3要比包括層流和紊流兩種流態(tài)的1#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K,偏大1.42%。
圖3所示為2#電磁流量計(jì)在不同流量0~200m³/d范圍自來水中的測量數(shù)據(jù)及線性擬合曲線,將流量0~200m³/d、0~40m³/d、45~200m³/d時(shí)儀器常數(shù)(線性擬合曲線的斜率)分別記為K2.3:=19.94K2.1=17.818、K2.2=20.3。分別對K2.3、K,2.1、K2.2進(jìn)行對比計(jì)算,得
式(5)的計(jì)算數(shù)據(jù)表明紊流流態(tài)中2#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K2.2要比層流流態(tài)中2#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K2.1偏大13.93%。式(6)的計(jì)算數(shù)據(jù)表明包括層流和紊流兩種流態(tài)的2#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K2.3要比層流流態(tài)中2#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K2.1偏大11.91%。式(7)的計(jì)算數(shù)據(jù)表明紊流流態(tài)中2#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K2.2要比包括層流和紊流兩種流態(tài)的2#電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)K2.3偏大1.81%。
以上分析表明,對2支電磁流量計(jì)在自來水中得到的層流流態(tài)條件下的儀器常數(shù),與包括層流和紊流兩種流態(tài)條件下的儀器常數(shù)之間的偏差都超過10%;與紊流流態(tài)條件下的儀器常數(shù)之間的偏差也同樣都超過10%�；谏鲜鰧�(shí)驗(yàn)規(guī)律,判斷流態(tài)會(huì)影響電磁流量計(jì)的儀器常數(shù);進(jìn)一步對電磁流量計(jì)在聚合物溶液中與自來水中響應(yīng)規(guī)律開展對比分析。
2.3電磁流量計(jì)在聚合物溶液中與自來水中響應(yīng)規(guī)律對比分析
圖4為1#電磁流量計(jì)在0~200m³/d流量范圍,濃度分別為1000、1500、2000mg/L聚合物溶.液中的測量數(shù)據(jù)及線性擬合結(jié)果,將1#電磁流量計(jì)在3種聚合物溶液中得到的儀器常數(shù)(線性擬合曲線的斜率)分別記為K4=17.224、K5=17.219、K6=17.222。
對1#電磁流量計(jì)在聚合物溶液中得到的儀器常數(shù),與電磁流量計(jì)在自來水中得到的儀器常數(shù)進(jìn)行對比分析。首先計(jì)算分析1#電磁流量計(jì)在3種不同黏度/濃度的聚合物溶液中得到的儀器常數(shù)K4、K5、K6,3個(gè)儀器常數(shù)相互之間差別很小，因此判斷1#電磁流量計(jì)響應(yīng)規(guī)律受聚合物溶;液濃度和黏度的影響很小，可以忽略不計(jì)。然后分別對1#電磁流量計(jì)在3種不同黏度/濃度的聚合物溶液中得到的儀器常數(shù)K4、K5、K6與1#電磁流量計(jì)在自來水中得到的包括層流和紊流兩種流態(tài)的儀器常數(shù)K1.3,進(jìn)行對比計(jì)算、與1#電磁流量計(jì)在自來水中得到的層流流態(tài)的儀器常數(shù)K1.1進(jìn)行對比計(jì)算得
計(jì)算結(jié)果表明:1#電磁流量計(jì)在聚合物溶液中得到的儀器常數(shù)K4、K5、K6,與1#電磁流量計(jì)在自來水中得到的包括層流和紊流兩種流態(tài)的儀器常數(shù)K1.3,的最大偏差為13.42%,與1#電磁流量計(jì)在自來水中得到的層流流態(tài)的儀器常數(shù)K1.1的最大偏差為2.53%。
圖5為2#電磁流量計(jì)在0~200m³/d流量范圍,濃度分別為1000、1500、2000mg/L聚合物溶液中的測量數(shù)據(jù)及線性擬合結(jié)果,將2#電磁流量計(jì)在3種聚合物溶液中得到的儀器常數(shù)(線性擬合曲線的斜率)分別記為K,=17.633、K8=17.625、K9=17.608。
對2#電磁流量計(jì)在聚合物溶液中得到的儀器常數(shù),與電磁流量計(jì)在自來水中得到的儀器常數(shù)進(jìn)行對比分析。首先計(jì)算分析2#電磁流量計(jì)在3種不同黏度/濃度的聚合物溶液中得到的儀器常數(shù)K7、K8、K9,3個(gè)儀器常數(shù)相互之間差別很小，因此判斷2#電磁流量計(jì)響應(yīng)規(guī)律受聚合物溶液濃度和黏度的影響很小，可以忽略不計(jì)。然后分別對2#電磁流量計(jì)在3種不同黏度/濃度的聚合物溶液中得到的儀器常數(shù)K7、K8、K9與2#電磁流量計(jì)在自來水中得到的包括層流和紊流兩種流態(tài)的儀器常數(shù)K2.3進(jìn)行對比計(jì)算、與2#電磁流量計(jì)在自來水中得到的層流流態(tài)的儀器常數(shù)K2.1進(jìn)行對比計(jì)算,得
計(jì)算結(jié)果表明:2#電磁流量計(jì)在聚合物溶液中得到的儀器常數(shù)K7、K8、K9,與2#電磁流量計(jì)在自來水中得到的包括層流和紊流兩種流態(tài)的儀器常數(shù)K,,的最大偏差為13.24%，與2#電磁流量計(jì)在自來水中得到的層流流態(tài)的儀器常數(shù)K2.1的最大偏差為1.19%。
對電磁流量計(jì)在分層注聚合物井中測調(diào)時(shí)流量測量偏差大的原因進(jìn)行說明:分層注聚合物井測調(diào)用電磁流量計(jì)是采用自來水為流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定,假設(shè)獲得其儀器常數(shù)為K(包括層流和紊流兩種流態(tài));在注聚井中電磁流量計(jì)和油管所形成的環(huán)形流動(dòng)空間中只有層流流態(tài),假設(shè)電磁流量計(jì)在該流態(tài)下的儀器常數(shù)為K',在注聚井中測量流量時(shí)是采用儀器常數(shù)K來計(jì)算注聚合物溶液在層流流態(tài)條件下的流量Q，并不是采用K'來計(jì)算注聚合物溶液在層流流態(tài)條件下的真實(shí)流量Q',根據(jù)上述對電磁流量計(jì)在自來水中響應(yīng)規(guī)律分析、在聚合物溶液中與自來水中響應(yīng)規(guī)律對比分析可知,由于儀器常數(shù)K和儀器常數(shù)K'偏差10%以上,導(dǎo)致計(jì)算流量Q和真實(shí)流量Q'偏差-10%以上。
3注聚井測調(diào)用電磁流量計(jì)的標(biāo)定方法及現(xiàn)場應(yīng)用效果
在對電磁流量計(jì)在自來水中響應(yīng)規(guī)律分析、在聚合物溶液中與自來水中響應(yīng)規(guī)律對比分析的基礎(chǔ)之上，提出把油管中標(biāo)定介質(zhì)為自來水,并且流量小于45m³/d的測量數(shù)據(jù)劃分為層流流態(tài)的測量數(shù)據(jù),利用電磁流量計(jì)在自來水中層流流態(tài)的測量數(shù)據(jù)獲得的方程來計(jì)算分層注聚合物井流量的方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是無需對電磁流量計(jì)在聚合物溶液中進(jìn)行,只需利用自來水為流動(dòng)介質(zhì)對電磁流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定;不僅可以在油田測試油氣水三相流測井進(jìn)行標(biāo)定,也可以在各監(jiān)測大隊(duì)以自來水為流動(dòng)介質(zhì).的簡易標(biāo)定裝置上對電磁流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定,該標(biāo)定方法簡單快速,標(biāo)定速度提高30倍以上,可以完成1000支以上的電磁流量計(jì)標(biāo)定任務(wù),可以滿足需求。
圖6分別為對1#電磁流量計(jì)和2#電磁流量計(jì)利用在清水中層流流態(tài)的測量數(shù)據(jù)獲得的標(biāo)定方程計(jì)算濃度為1500mg/L聚合物溶液流量的相對誤差分布圖,1#電磁流量計(jì)和2#電磁流量計(jì)最大相對誤差的絕對值分別為4.90%和4.25%,符合流量測量誤差要求,證實(shí)本文提出的電磁流量計(jì)新方法有效、可行。最后,對2支電磁流量計(jì),通過開展分層注聚合物井的現(xiàn)場測調(diào)試驗(yàn),對所提出的分層注聚合物井的電磁流量計(jì)新方法進(jìn)行驗(yàn)證,以評價(jià)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果。表2所示為對2支電磁流量計(jì)完成的現(xiàn)場試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)表,總共完成分層注聚合物井現(xiàn)場試驗(yàn)176口,全井注人流量小于50m³/d的分層注聚合物井共45口,其中測量誤差小于5%的井占比95.6%;全井注人流量在50~100m³/d的分層注聚合物井共試驗(yàn)73口其中測量誤差小于5%的井占比95.9%;全井注人流量在100~200m³/d的分層注聚合物井共試驗(yàn)58口,其中測量誤差小于5%的井占比96.6%;現(xiàn)場試驗(yàn)證明所提出的分層注聚合物井的電磁流量計(jì)方法應(yīng)用效果良好。
4結(jié)論
(1)電磁流量計(jì)在自來水中響應(yīng)規(guī)律分析表明,流態(tài)不同時(shí)會(huì)導(dǎo)致對電磁流量計(jì)標(biāo)定獲得的儀器常數(shù)不同;電磁流量計(jì)在聚合物溶液中響應(yīng)規(guī)律分析表明,電磁流量計(jì)響應(yīng)規(guī)律受聚合物溶液濃度和黏度的影響很小，可以忽略不計(jì);電磁流量計(jì)在聚合物溶液中與自來水中響應(yīng)規(guī)律對比分析進(jìn)一步表明，在不同介質(zhì)中時(shí)，流態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致電磁流量計(jì)的儀器常數(shù)改變。
(2)合理的解釋了電磁流量計(jì)在分層注聚合物井中測調(diào)流量時(shí)測量偏差大的原因;進(jìn)一步提出了利用電磁流量計(jì)在自來水中層流流態(tài)的測量數(shù)據(jù)獲得的標(biāo)定方程來計(jì)算分層注聚合物井測量流量的新方法;室內(nèi)實(shí)驗(yàn)誤差分析表明該標(biāo)定新方法最大誤差的絕對值小于5%;現(xiàn)場試驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)分析表明,測量誤差小于5%的分層注聚合物井占比95%以上;室內(nèi)實(shí)驗(yàn)誤差分析和現(xiàn)場試驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)分析表明:本文提出的分層注聚合物井流量測調(diào)用電磁流量計(jì)的標(biāo)定新方法有效、可行,該標(biāo)定方法標(biāo)定效率提高30倍以上,節(jié)約標(biāo)定成本,很好地滿足了實(shí)際需求。
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