一種井下光纖渦街流量計(jì)及井下流量測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖渦街流量計(jì)及流量測(cè)量方法，具體涉及一種井下光纖渦街流 量計(jì)及井下流量測(cè)量方法，屬于油田設(shè)備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 流量是石油開采過程中一個(gè)極其重要的參數(shù)，在日常的相關(guān)采油工作中，流量測(cè) 量的精度和可靠性關(guān)系到油田產(chǎn)量的多少，對(duì)于油田油水井開發(fā)效果的提高具有非常重要 的意義。在石油開采的過程中，由于井下特殊的環(huán)境條件以及原油的特殊流動(dòng)狀態(tài)使得原 油流量的實(shí)時(shí)測(cè)量尤其困難。此外，井下流量的測(cè)量涉及到液體、氣體及多相流體，對(duì)于聚 合物流量的測(cè)量還要考慮到高粘度非牛頓流體的粘滯影響。為了適應(yīng)不同環(huán)境和不同物質(zhì) 的流量測(cè)量，出現(xiàn)了各種各樣的流量測(cè)量?jī)x表，目前陸地油井常用的測(cè)量流量計(jì)有壓差式 流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)等，這些傳感器大多數(shù)是通過 電子類傳感器獲得間接參數(shù)最終換算成流量，但都存在精度低、易受電磁干擾、需要供電、 受流體粘度、溫度等影響。
[0003] 與傳統(tǒng)的流量計(jì)相比，光纖流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1準(zhǔn)確度、靈敏度高；2耐高溫、 耐高壓、抗電磁干擾，無(wú)需供電，在易燃、易爆環(huán)境下安全可靠；3頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍廣；4便 于遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制；5適用于多種介質(zhì)的測(cè)量。由此，光纖流量計(jì)因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而受到 人們的重視。目前，光纖流量計(jì)又分為井下多相光纖流量計(jì)、光纖渦輪流量計(jì)、光纖渦街流 量計(jì)、光纖多普勒流速計(jì)等。然而現(xiàn)有的光纖流量計(jì)仍然存在很多不足，其中一些光纖流量 計(jì)將光纖直接置于流體中進(jìn)行測(cè)量，沒有考慮到某些流體對(duì)光纖的腐蝕性；另一些光纖流 量計(jì)利用光的反射/透射原理，而這確忽略了石油對(duì)光的吸收損耗。還有一部分則利用阻 流靶、膜片或其他類似阻流靶的物體作為直接受力部分，再通過連桿或自身將流體作用在 其上的壓力傳遞給光纖光柵，通過測(cè)量光柵光譜的變化測(cè)量流量，這類流量計(jì)的不足在于 阻流靶影響了原有管道內(nèi)的流場(chǎng)和流量，且工藝和結(jié)構(gòu)復(fù)雜。還有一部分是渦街式的，即將 卡門渦街原理與光纖傳感技術(shù)結(jié)合。渦街發(fā)生體兩側(cè)流速與原管內(nèi)流速有關(guān)，測(cè)量出漩渦 頻率即可知道原有管道內(nèi)的流量，此種方法沒有影響原有管道內(nèi)的流場(chǎng)和流量。但是在光 纖/光纖光柵的布置上卻欠考慮，有的將光纖/光纖光柵垂直流向布置于渦街發(fā)生體的后 面，使光纖/光纖光柵本身作為阻流體，這種流量計(jì)同樣沒有考慮到流體對(duì)光纖/光纖光柵 材料的腐蝕作用，且流體粘度較大時(shí)可能沖斷光纖。有的將光柵直接粘在渦街發(fā)生體上進(jìn) 行測(cè)量，這種流量計(jì)靈敏度低，因?yàn)楣饫w光柵測(cè)得的應(yīng)變是渦街發(fā)生體變形產(chǎn)生的。還有一 種類型，將光纖光柵置于筒中通過測(cè)量膜片、兩個(gè)定位膜片和連桿相互配合，由定位膜片帶 動(dòng)光纖光柵產(chǎn)生相應(yīng)長(zhǎng)度變化測(cè)得輸出波長(zhǎng)變化即可獲得流量。這種改進(jìn)方式，雖然保護(hù) 了光纖，可是渦流引起測(cè)量膜片振動(dòng)時(shí)，同時(shí)遇到連桿，連桿的阻擋影響渦流會(huì)使測(cè)量不夠 準(zhǔn)確，且傳力部件過多降低測(cè)量準(zhǔn)確度。
[0004] 針對(duì)以上問題，本發(fā)明提出了一種井下光纖渦街流量計(jì)，即能避免光纖受流體腐 蝕的影響，又能避免影響管道內(nèi)的流場(chǎng)、流量及渦流，還能耐高溫高壓，抗電磁干擾，無(wú)需供 電，達(dá)到了高精度、高靈敏度的測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有光纖流量計(jì)中存在光纖受流體腐蝕影響和測(cè)量元件影響管道 內(nèi)流場(chǎng)、流量而導(dǎo)致的測(cè)量精度較低、穩(wěn)定性較差，以及現(xiàn)有流量計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在高溫高壓 高腐蝕環(huán)境下無(wú)法使用的問題，進(jìn)而提出一種井下光纖渦街流量計(jì)及井下流量測(cè)量方法。
[0006] 本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明包括光纖光柵解調(diào)儀，本發(fā)明 還包括殼體、中心管、上接頭、下接頭、鎧裝光纜、探頭、壓板、中心軸、光纖光柵和渦街發(fā)生 體，上接頭、中心管、下接頭由上至下依次連接，外殼套裝在中心管的外側(cè)壁上，渦街發(fā)生體 設(shè)置在中心管內(nèi)，中心管外側(cè)壁的中部開有通孔，探頭通過壓板安裝在通孔內(nèi)，中性軸插裝 在探頭內(nèi)，光纖光柵設(shè)置在中性軸內(nèi)，鎧裝光纜的一端與光纖光柵連接，鎧裝光纜的另一端 與光纖光柵解調(diào)儀連接。
[0007] 本發(fā)明所述井下流量測(cè)量方法的具體步驟如下：
[0008] 步驟一、計(jì)算流量：其中漩渦頻率與流經(jīng)渦街發(fā)生體兩側(cè)的平均流速仏之間關(guān)系 可表示為：
[0009] f = SrVd ①，
[0010] 公式①中f表示漩渦頻率表示斯特勞哈爾數(shù)，u i表示渦街發(fā)生體兩側(cè)的平均 流速，d表示渦街發(fā)生體迎流面的寬度；
[0011] 根據(jù)流體連續(xù)性定理：
[0012] 1^= U/m ②，
[0013] 公式②中U表示測(cè)量管內(nèi)的平均流速，m表示渦街發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫 截面面積之比；
[0014] 由公式①和②得：
[0015] f = SrU/md ③，
[0016] 測(cè)量管內(nèi)瞬時(shí)體積流量為qv，單位為m3/s，則：
[0018] 由公式④可得出流量與漩渦的頻率關(guān)系，公式④中D表示測(cè)量管內(nèi)徑；
[0019] 步驟二、計(jì)算光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)：
[0020] λΒ= 2neffA ⑤，
[0021] 公式⑤中neff表示有效折射率，Λ表示柵距；
[0022] 當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，柵距Λ和纖芯模的有效折射率nrff (光彈效應(yīng)）會(huì)變化，公式 ⑤則變?yōu)椋?br>[0023] Δ λΒ= Κ Δ ε ⑥
[0024] 公式⑥中Κ是靈敏度，Λ ε是光纖光柵受到應(yīng)變的變化量。
[0025] 當(dāng)渦街以頻率f不斷擊打探頭兩側(cè)扁平部分時(shí)，帶動(dòng)中性軸上粘有光纖光柵的一 側(cè)不斷拉伸和壓縮，這種拉伸和壓縮導(dǎo)致光纖光柵受到周期性的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變，導(dǎo)致布 拉格波長(zhǎng)也以頻率f產(chǎn)生波長(zhǎng)最大值和波長(zhǎng)最小值，由光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)出波長(zhǎng)值，再 用軟件將波長(zhǎng)最大值、最小值在一定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)算出來(lái)得到頻率，進(jìn)而算出流量。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明采用光纖光柵與卡門渦街原理相結(jié)合的方式，且 中性軸和光纖光柵位于殼體內(nèi)，避免了傳感材料被流體腐蝕等問題，提高了測(cè)量流體流量 的靈敏度；2、本發(fā)明采用的探頭以扁平部分作為感受渦街的受力元件，并平行于流體流向 放置，不影響管道內(nèi)流場(chǎng)、流量和渦街；3、本發(fā)明的殼體、探頭均采用耐腐蝕材料，中性軸和 探頭均采用應(yīng)力敏感元件，達(dá)到了對(duì)流體流量的準(zhǔn)確測(cè)量；4、本發(fā)明采用的光纖光柵外涂 覆了耐高溫材料，使流量計(jì)能在高溫高壓環(huán)境下高精度的測(cè)量流體流量，最終準(zhǔn)確反映油 井的生產(chǎn)狀況。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0028] 一：結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種井下光纖禍街 流量計(jì)包括光纖光柵解調(diào)儀13,本實(shí)施方式還包括殼體1、中心管2、上接頭4、下接頭5、鎧 裝光纜6、探頭8、壓板9、中心軸10、光纖光柵11和渦街發(fā)生體12,上接頭4、中心管2、下接 頭5由上至下依次連接，外殼1套裝在中心管2的外側(cè)壁上，渦街發(fā)生體12設(shè)置在中心管 2內(nèi)，中心管2外側(cè)壁的中部開有通孔7,探頭8通過壓板9安裝在通孔7內(nèi)，中性軸10插 裝在探頭8內(nèi)，光纖光柵11設(shè)置在中性軸10內(nèi)，鎧裝光纜6的一端與光纖光柵11連接，鎧 裝光纜6的另一端與光纖光柵解調(diào)儀13連接。
【具體實(shí)施方式】 [0029] 二：結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種井下光纖渦街 流量計(jì)還包括兩個(gè)第一密封圈3-1和兩個(gè)第二密封圈3-2,上接頭4與殼體1上端連接處設(shè) 有兩個(gè)第一密封圈3-1，下接頭5與殼體1下端連接處設(shè)有兩個(gè)第二密封圈3-2。其它組成 及連接關(guān)系與一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0030] 三：結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種井下光纖渦街 流量計(jì)的渦街發(fā)生體12的橫截面為等腰三角形去掉三個(gè)角后的多邊形，渦街發(fā)生體12是 316L不銹鋼制作的。
[0031] 本實(shí)施方式中渦街發(fā)生體12的三角柱底面是迎流面，迎流面的垂直平分線與探 頭扁平部分在同一平面內(nèi)，渦街發(fā)生體12起到產(chǎn)生和分離漩渦的作用，且三角柱結(jié)構(gòu)的渦 街發(fā)生體12產(chǎn)生的渦街信號(hào)既強(qiáng)烈又穩(wěn)定，還能減小流體的其它擾動(dòng)和噪聲。其它組成及 連接關(guān)系與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
【具體實(shí)施方式】 [0032] 四：結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種井下光纖渦街 流量計(jì)的探頭8的內(nèi)部為圓柱形腔體，探頭8的下部為扁平狀，探頭8是由316L不銹鋼制 作的。
[0033] 本實(shí)施方