一種原油超聲波相關(guān)流量計的設(shè)計

摘要：針對油田單井計量的困局，設(shè)計并實現(xiàn)了一種單井原油流量測量儀器。氣液分離預(yù)處理環(huán)節(jié)解決氣液分離和油液滿管通過計量油管，由兩對超聲波傳感器構(gòu)成的檢測環(huán)節(jié)解決非接觸測量，而由超聲波接收換能器和DSP構(gòu)成的信號處理環(huán)節(jié)解決快速在線計量，在軟件上運用基于超聲波傳感器的相關(guān)算法解決測量精度。現(xiàn)場測試表明，該流量計的計量誤差很小。其特點在于從硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計兩個方面較好地解決了原油非接觸在線計量。
關(guān)鍵詞：超聲波；相關(guān)流量計；預(yù)處理；檢測；DSP

0 引言
目前，在油田原油開采中面臨的一個困難問題就是對開采的原油進(jìn)行在線計量。主要原因是原油的成分非常復(fù)雜，原油中含油、水、氣和其他雜質(zhì)，屬于多相復(fù)雜的流體，而且單井原油又是間歇流動，因此一般的流量計是無法滿足的。本文設(shè)計了基于超聲波相關(guān)流量計算的計量系統(tǒng)，較好地解決了原油非接觸在線計量問題。

1 超聲波相關(guān)流量計原理
相關(guān)法利用相關(guān)技術(shù)測量流體流量。測量精度與流體中的聲速無關(guān)，測量精度高，適用于多相流，干擾大的流體的測量。當(dāng)流體在管道內(nèi)流動時，如果含有其他雜質(zhì)，其內(nèi)部就存在著各種各樣的隨機(jī)擾動，從而產(chǎn)生了與流動狀況有關(guān)的流動信號，并具有一定的統(tǒng)計特性。相關(guān)法流量計的結(jié)構(gòu)如圖1所示。A，A’和B，B’是兩組超聲波發(fā)射和接收換能器，L為上游換能器和下游換能器之間的距離。當(dāng)超聲波信號穿過管道時，超聲波信號會受到流體中噪聲的調(diào)制，調(diào)制后的超聲波信號中就包含了流體速度場的信息，對此超聲波信號進(jìn)行分析，提取與流動狀況有關(guān)的流動信號A(t)和B(t)，且將A(t)和B(t)作相關(guān)運算，得到相關(guān)函數(shù)RAB(τ)：

該函數(shù)峰值所對應(yīng)的時間位移為τ，就是流體從上游換能器傳遞到下游換能器的時間，即該系統(tǒng)中的傳遞時間(也稱渡越時間)。流速的計算公式為：

根據(jù)流速，進(jìn)而求得流量：

式中：D為管道的直徑。

2 單井原油超聲波相關(guān)流量測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖1所示，單井流量測量系統(tǒng)主要由氣液分離預(yù)處理，超聲波檢測，信號處理三部分構(gòu)成。下面分別對這三部分進(jìn)行分析。

2．1 氣液分離預(yù)處理部分
預(yù)處理部分其結(jié)構(gòu)如圖2所示。預(yù)處理部分的功能一是進(jìn)行液氣分離(抽油機(jī)抽出的原油中除了油液混合外，還含有氣體和其他雜質(zhì)，氣體對油液測量會帶來較大的誤差，所以在對油液測量時必須進(jìn)行氣液分離)；二是解決間歇流動時的滿管測量(抽油機(jī)工作時每次抽出的原油不等，而且是間歇流動，這樣造成管道中油液可能不是滿管，也會帶來很大的測量誤差)?；谶@些原因在對油液測量前要進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過預(yù)處理后實現(xiàn)氣液分離和油液滿管通過計量油管，減小計量誤差。工作原理是：原油從進(jìn)油口經(jīng)沉沙罐后進(jìn)入儲油罐，在儲油罐里進(jìn)行油氣分離，分離的氣體從儲油罐上閥門(出氣閥)經(jīng)氣管道輸出，當(dāng)儲油罐中的油液達(dá)到一定高度時，浮球上浮打開下閥門(出油閥)，同時上閥門封堵氣口，建立壓力，儲油罐中的油在壓力的作用下，通過測量管道流向出油口，當(dāng)儲油罐中的油液下降到一定的液位時，浮球下沉封堵下閥門，打開上閥門，這樣重復(fù)工作完成氣液分離。