一種原油超聲波相關流量計的設計

摘要：針對油田單井計量的困局，設計并實現了一種單井原油流量測量儀器。氣液分離預處理環節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成的檢測環節解決非接觸測量，而由超聲波接收換能器和DSP構成的信號處理環節解決快速在線計量，在軟件上運用基于超聲波傳感器的相關算法解決測量精度。現場測試表明，該流量計的計量誤差很小。其特點在于從硬件結構和軟件設計兩個方面較好地解決了原油非接觸在線計量。
關鍵詞：超聲波；相關流量計；預處理；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行在線計量。主要原因是原油的成分非常復雜，原油中含油、水、氣和其他雜質，屬于多相復雜的流體，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。本文設計了基于超聲波相關流量計算的計量系統，較好地解決了原油非接觸在線計量問題。

1 超聲波相關流量計原理
相關法利用相關技術測量流體流量。測量精度與流體中的聲速無關，測量精度高，適用于多相流，干擾大的流體的測量。當流體在管道內流動時，如果含有其他雜質，其內部就存在著各種各樣的隨機擾動，從而產生了與流動狀況有關的流動信號，并具有一定的統計特性。相關法流量計的結構如圖1所示。A，A’和B，B’是兩組超聲波發射和接收換能器，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制，調制后的超聲波信號中就包含了流體速度場的信息，對此超聲波信號進行分析，提取與流動狀況有關的流動信號A(t)和B(t)，且將A(t)和B(t)作相關運算，得到相關函數RAB(τ)：

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

根據流速，進而求得流量：

式中：D為管道的直徑。

2 單井原油超聲波相關流量測量系統結構
如圖1所示，單井流量測量系統主要由氣液分離預處理，超聲波檢測，信號處理三部分構成。下面分別對這三部分進行分析。

2．1 氣液分離預處理部分
預處理部分其結構如圖2所示。預處理部分的功能一是進行液氣分離(抽油機抽出的原油中除了油液混合外，還含有氣體和其他雜質，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行氣液分離)；二是解決間歇流動時的滿管測量(抽油機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)。基于這些原因在對油液測量前要進行預處理，經過預處理后實現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：原油從進油口經沉沙罐后進入儲油罐，在儲油罐里進行油氣分離，分離的氣體從儲油罐上閥門(出氣閥)經氣管道輸出，當儲油罐中的油液達到一定高度時，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，這樣重復工作完成氣液分離。