CN105352558B - 一种井下光纤涡街流量计 - Google Patents

Abstract

一种井下光纤涡街流量计及井下流量测量方法，它涉及一种光纤涡街流量计及流量测量方法，具体涉及一种井下光纤涡街流量计及井下流量测量方法。本发明为了解决现有光纤流量计中存在光纤受流体腐蚀影响和测量元件影响管道内流场、流量而导致的测量精度较低、稳定性较差，以及现有流量计结构复杂，在高温高压高腐蚀环境下无法使用的问题。本发明的上接头、中心管、下接头由上至下依次连接，外壳套装在中心管的外侧壁上，涡街发生体设置在中心管内，中心管外侧壁的中部开有通孔，探头通过压板安装在通孔内，中心轴插装在探头内，光纤光栅设置在中性轴内，铠装光缆的一端与光纤光栅连接，铠装光缆的另一端与光纤光栅解调仪连接。本发明用于油田设备领域。

Description

一种井下光纤涡街流量计

技术领域

本发明涉及一种光纤涡街流量计及流量测量方法，具体涉及一种井下光纤涡街流量计及井下流量测量方法，属于油田设备领域。

背景技术

流量是石油开采过程中一个极其重要的参数，在日常的相关采油工作中，流量测量的精度和可靠性关系到油田产量的多少，对于油田油水井开发效果的提高具有非常重要的意义。在石油开采的过程中，由于井下特殊的环境条件以及原油的特殊流动状态使得原油流量的实时测量尤其困难。此外，井下流量的测量涉及到液体、气体及多相流体，对于聚合物流量的测量还要考虑到高粘度非牛顿流体的粘滞影响。为了适应不同环境和不同物质的流量测量，出现了各种各样的流量测量仪表，目前陆地油井常用的测量流量计有压差式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计和超声流量计等，这些传感器大多数是通过电子类传感器获得间接参数最终换算成流量，但都存在精度低、易受电磁干扰、需要供电、受流体粘度、温度等影响。

与传统的流量计相比，光纤流量计具有以下优点：1准确度、灵敏度高；2耐高温、耐高压、抗电磁干扰，无需供电，在易燃、易爆环境下安全可靠；3频带宽、动态范围广； 4便于远距离测量和控制；5适用于多种介质的测量。由此，光纤流量计因其独特的优点而受到人们的重视。目前，光纤流量计又分为井下多相光纤流量计、光纤涡轮流量计、光纤涡街流量计、光纤多普勒流速计等。然而现有的光纤流量计仍然存在很多不足，其中一些光纤流量计将光纤直接置于流体中进行测量，没有考虑到某些流体对光纤的腐蚀性；另一些光纤流量计利用光的反射/透射原理，而这确忽略了石油对光的吸收损耗。还有一部分则利用阻流靶、膜片或其他类似阻流靶的物体作为直接受力部分，再通过连杆或自身将流体作用在其上的压力传递给光纤光栅，通过测量光栅光谱的变化测量流量，这类流量计的不足在于阻流靶影响了原有管道内的流场和流量，且工艺和结构复杂。还有一部分是涡街式的，即将卡门涡街原理与光纤传感技术结合。涡街发生体两侧流速与原管内流速有关，测量出漩涡频率即可知道原有管道内的流量，此种方法没有影响原有管道内的流场和流量。但是在光纤/光纤光栅的布置上却欠考虑，有的将光纤/光纤光栅垂直流向布置于涡街发生体的后面，使光纤/光纤光栅本身作为阻流体，这种流量计同样没有考虑到流体对光纤/光纤光栅材料的腐蚀作用，且流体粘度较大时可能冲断光纤。有的将光栅直接粘在涡街发生体上进行测量，这种流量计灵敏度低，因为光纤光栅测得的应变是涡街发生体变形产生的。还有一种类型，将光纤光栅置于筒中通过测量膜片、两个定位膜片和连杆相互配合，由定位膜片带动光纤光栅产生相应长度变化测得输出波长变化即可获得流量。这种改进方式，虽然保护了光纤，可是涡流引起测量膜片振动时，同时遇到连杆，连杆的阻挡影响涡流会使测量不够准确，且传力部件过多降低测量准确度。

针对以上问题，本发明提出了一种井下光纤涡街流量计，即能避免光纤受流体腐蚀的影响，又能避免影响管道内的流场、流量及涡流，还能耐高温高压，抗电磁干扰，无需供电，达到了高精度、高灵敏度的测量。

发明内容

本发明为解决现有光纤流量计中存在光纤受流体腐蚀影响和测量元件影响管道内流场、流量而导致的测量精度较低、稳定性较差，以及现有流量计结构复杂，在高温高压高腐蚀环境下无法使用的问题，进而提出一种井下光纤涡街流量计及井下流量测量方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括光纤光栅解调仪，本发明还包括壳体、中心管、上接头、下接头、铠装光缆、探头、压板、中心轴、光纤光栅和涡街发生体，上接头、中心管、下接头由上至下依次连接，壳体套装在中心管的外侧壁上，涡街发生体设置在中心管内，中心管外侧壁的中部开有通孔，探头通过压板安装在通孔内，中心轴插装在探头内，光纤光栅设置在中心轴内，铠装光缆的一端与光纤光栅连接，铠装光缆的另一端与光纤光栅解调仪连接。

本发明所述井下流量测量方法的具体步骤如下：

步骤一、计算流量：其中漩涡频率与流经涡街发生体两侧的平均流速U₁之间关系可表示为：

f＝S_rU₁/d ①，

公式①中f表示漩涡频率，S_r表示斯特劳哈尔数，U₁表示涡街发生体两侧的平均流速，d表示涡街发生体迎流面的宽度；

根据流体连续性定理：

U₁＝U/m ②，

公式②中U表示测量管内的平均流速，m表示涡街发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比；

由公式①和②得：

f＝S_rU/md ③，

测量管内瞬时体积流量为q_v，单位为m³/s，则：

由公式④可得出流量与漩涡的频率关系，公式④中D表示测量管内径；

步骤二、计算光纤光栅的布拉格波长：

λ_B＝2n_effΛ ⑤，

公式⑤中n_eff表示有效折射率，Λ表示栅距；

当外界环境变化时，栅距Λ和纤芯模的有效折射率n_eff(光弹效应)会变化，公式⑤则变为：

Δλ_B＝KΔε ⑥

公式⑥中K是灵敏度，Δε是光纤光栅受到应变的变化量。

当涡街以频率f不断击打探头两侧扁平部分时，带动中心轴上粘有光纤光栅的一侧不断拉伸和压缩，这种拉伸和压缩导致光纤光栅受到周期性的拉应变和压应变，导致布拉格波长也以频率f产生波长最大值和波长最小值，由光纤光栅解调仪解调出波长值，再用软件将波长最大值、最小值在一定时间内出现的次数算出来得到频率，进而算出流量。

本发明的有益效果是：1、本发明采用光纤光栅与卡门涡街原理相结合的方式，且中心轴和光纤光栅位于壳体内，避免了传感材料被流体腐蚀等问题，提高了测量流体流量的灵敏度；2、本发明采用的探头以扁平部分作为感受涡街的受力元件，并平行于流体流向放置，不影响管道内流场、流量和涡街；3、本发明的壳体、探头均采用耐腐蚀材料，中心轴和探头均采用应力敏感元件，达到了对流体流量的准确测量；4、本发明采用的光纤光栅外涂覆了耐高温材料，使流量计能在高温高压环境下高精度的测量流体流量，最终准确反映油井的生产状况。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种井下光纤涡街流量计包括光纤光栅解调仪13，本实施方式还包括壳体1、中心管2、上接头4、下接头5、铠装光缆6、探头8、压板9、中心轴10、光纤光栅11和涡街发生体12，上接头4、中心管2、下接头5由上至下依次连接，壳体1套装在中心管2的外侧壁上，涡街发生体12 设置在中心管2内，中心管2外侧壁的中部开有通孔7，探头8通过压板9安装在通孔7 内，中心轴10插装在探头8内，光纤光栅11设置在中心轴10内，铠装光缆6的一端与光纤光栅11连接，铠装光缆6的另一端与光纤光栅解调仪13连接。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种井下光纤涡街流量计还包括两个第一密封圈3-1和两个第二密封圈3-2，上接头4与壳体1上端连接处设有两个第一密封圈3-1，下接头5与壳体1下端连接处设有两个第二密封圈3-2。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种井下光纤涡街流量计的涡街发生体12的横截面为等腰三角形去掉三个角后的多边形，涡街发生体12是316L不锈钢制作的。

本实施方式中涡街发生体12的三角柱底面是迎流面，迎流面的垂直平分线与探头扁平部分在同一平面内，涡街发生体12起到产生和分离漩涡的作用，且三角柱结构的涡街发生体12产生的涡街信号既强烈又稳定，还能减小流体的其它扰动和噪声。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种井下光纤涡街流量计的探头8的内部为圆柱形腔体，探头8的下部为扁平状，探头8是由316L不锈钢制作的。

本实施方式的技术效果是：如此设置，其耐腐蚀性好、高温强度优良、加工硬化性好、刚性稳定、弹性范围大、应变能力强、反应灵敏，进一步保证了油气井的总流量精度。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种井下光纤涡街流量计的中心轴10是316L不锈钢制作的片状结构。

本实施方式的技术效果是：如此设置，其耐腐蚀性好、高温强度优良、加工硬化性好、刚性稳定、弹性范围大、应变能力强、反应灵敏。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种井下光纤涡街流量计的探头8的外侧壁与通孔7的内侧壁之间通过胶密封连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种井下光纤涡街流量计的光纤光栅11的中心波长的取值范围为1525nm～1605nm，光纤光栅11的外部涂敷耐高温材料。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种井下流量测量方法的具体步骤如下：

步骤一、计算流量：其中漩涡频率与流经涡街发生体12两侧的平均流速U₁之间关系可表示为：

f＝S_rU₁/d ①，

公式①中f表示漩涡频率，S_r表示斯特劳哈尔数，U₁表示涡街发生体12两侧的平均流速，d表示涡街发生体12迎流面的宽度；

根据流体连续性定理：

U₁＝U/m ②，

公式②中U表示测量管内的平均流速，m表示涡街发生体12两侧弓形面积与管道横截面面积之比；

由公式①和②得：

f＝S_rU/md ③，

测量管内瞬时体积流量为q_v，单位为m³/s，则：

由公式④可得出流量与漩涡的频率关系，公式④中D表示测量管内径；

步骤二、计算光纤光栅11的布拉格波长：

λ_B＝2n_effΛ ⑤，

公式⑤中n_eff表示有效折射率，Λ表示栅距；

当外界环境变化时，栅距Λ和纤芯模的有效折射率n_eff(光弹效应)会变化，公式⑤则变为：

Δλ_B＝KΔε ⑥

公式⑥中K是灵敏度，Δε是光纤光栅受到应变的变化量。

当涡街以频率f不断击打探头8两侧扁平部分时，带动中心轴10上粘有光纤光栅11的一侧不断拉伸和压缩，这种拉伸和压缩导致光纤光栅11受到周期性的拉应变和压应变，导致布拉格波长也以频率f产生波长最大值和波长最小值，由光纤光栅解调仪13解调出波长值，再用软件将波长最大值、最小值在一定时间内出现的次数算出来得到频率，进而算出流量。

工作原理

本发明的井下光纤涡街流量计，将涡街发生体12焊接到中心管2内，将涡街检测元件探头的扁平部分插入中心管2内，当流体垂直涡街发生体迎流面流入时，漩涡从发生体12两边交替分离，伴随产生的交变升力作用到探头的扁平部分上，封装在圆柱体腔内的片状中心轴两侧分别受到周期性的拉伸应力和压缩应力，使中心轴10两侧周期性的产生伸长变形和压缩变形，粘贴于中心轴10一侧的光纤光栅11产生协同变形，光纤光栅产生波长漂移，光纤光栅的反射光携带波长漂移信息到达光纤光栅解调仪，最后通过光纤光栅解调仪测量获得光纤光栅11的波长漂移量，再用软件将波长最大值、最小值在一定时间 t内出现的次数算出来就得到了频率，进而获得流体的流量。

Claims (7)

1.一种井下光纤涡街流量计，它包括光纤光栅解调仪(13)，所述一种井下光纤涡街流量计还包括壳体(1)、中心管(2)、上接头(4)、下接头(5)、铠装光缆(6)、探头(8)、压板(9)、中心轴(10)、光纤光栅(11)和涡街发生体(12)，上接头(4)、中心管(2)、下接头(5)由上至下依次连接，壳体(1)套装在中心管(2)的外侧壁上，涡街发生体(12)设置在中心管(2)内，中心管(2)外侧壁的中部开有通孔(7)，探头(8)通过压板(9)安装在通孔(7)内，中心轴(10)插装在探头(8)内，光纤光栅(11)设置在中心轴(10)内，铠装光缆(6)的一端与光纤光栅(11)连接，铠装光缆(6)的另一端与光纤光栅解调仪(13)连接，其特征在于：利用一种井下光纤涡街流量计进行井下流量测量的方法，具体步骤如下：

步骤一、计算流量：其中漩涡频率与流经涡街发生体(12)两侧的平均流速U₁之间关系可表示为：

f＝S_rU₁/d ①，

公式①中f表示漩涡频率，S_r表示斯特劳哈尔数，U₁表示涡街发生体(12)两侧的平均流速，d表示涡街发生体(12)迎流面的宽度；

根据流体连续性定理：

U₁＝U/m ②，

公式②中U表示测量管内的平均流速，m表示涡街发生体(12)两侧弓形面积与管道横截面面积之比；

由公式①和②得：

f＝S_rU/md ③，

测量管内瞬时体积流量为q_v，单位为m³/s，则：

由公式④可得出流量与漩涡的频率关系，公式④中D表示测量管内径；

步骤二、计算光纤光栅(11)的布拉格波长：

λ_B＝2n_effΛ ⑤，

公式⑤中n_eff表示纤芯模的有效折射率，Λ表示栅距；

当外界环境变化时，栅距Λ和纤芯模的有效折射率n_eff(光弹效应)会变化，公式⑤则变为：

Δλ_B＝KΔε ⑥

公式⑥中K是灵敏度，Δε是光纤光栅受到应变的变化量，当涡街以频率f不断击打探头(8)两侧扁平部分时，带动中心轴(10)上粘有光纤光栅(11)的一侧不断拉伸和压缩，这种拉伸和压缩导致光纤光栅(11)受到周期性的拉应变和压应变，导致布拉格波长也以频率f产生波长最大值和波长最小值，由光纤光栅解调仪(13)解调出波长值，再用软件将波长最大值、最小值在一定时间内出现的次数算出来得到频率，进而算出流量。

2.根据权利要求1所述一种井下光纤涡街流量计，其特征在于：所述一种井下光纤涡街流量计还包括两个第一密封圈(3-1)和两个第二密封圈(3-2)，上接头(4)与壳体(1)上端连接处设有两个第一密封圈(3-1)，下接头(5)与壳体(1)下端连接处设有两个第二密封圈(3-2)。

3.根据权利要求1或2所述一种井下光纤涡街流量计，其特征在于：涡街发生体(12)的横截面为等腰三角形去掉三个角后的多边形，涡街发生体(12)是316L不锈钢制作的。

4.根据权利要求1或2所述一种井下光纤涡街流量计，其特征在于：探头(8)的内部为圆柱形腔体，探头(8)的下部为扁平状，探头(8)是由316L不锈钢制作的。

5.根据权利要求1或2所述一种井下光纤涡街流量计，其特征在于：中心轴(10)是316L不锈钢制作的片状结构。

6.根据权利要求1或2所述一种井下光纤涡街流量计，其特征在于：探头(8)的外侧壁与通孔(7)的内侧壁之间通过胶密封连接。

7.根据权利要求1或2所述一种井下光纤涡街流量计，其特征在于：光纤光栅(11)的中心波长的取值范围为1525nm～1605nm，光纤光栅(11)的外部涂敷耐高温材料。