引言
在原油开采过程中，传统的计量方法是进行室内化学分析，提取刚开采的产出液样本分析其品质，再根据这些结果修正现有的采油工艺。采样分析过程需要耗费一定的时间，而且原油中的烃类气体（包括溶解气）在此期间会不断挥发，因此利用滞后的分析数据制定采油工艺显然准确性不高，实时性差，生产中需要一种在线计量仪器，获得从地下采集至地面的产出液所含的油气水各相比例的数据，完成实时检测，从而达到快速修正采油工艺的目的。
智能井系统是一个实时注采管理网络，包括井内监测、数据评价、模拟及遥控流量的工作方式[1]。智能井系统通过先进的井内传感器采集数据，操作者不需要进行修理干预便能改变流动特性。测量点离目标层越近，所采集数据的分辨率越高，最终价值越大，用于井下流量计量的文丘里流量计可以协助其达到该种目的。
在油气水混合物中，油水同属液体，它们的流动规律有类似之处，实践中常把它们作为液相来统一考虑，这样便可以将油气水混合物的多相流动简化为气液两相流动来进行研究。国内外各国学者利用节流装置对气液两相流流量测量做了大量研究工作，得到了一些典型的两相流流量测量方程，取得了较好的测量结果。这些测量方程或关系式主要从两种不同的基本思路出发得到的，即均相流模型和分相流模型思路。传统的单相流量计结合两相流流体物性测量技术组成的多相流测量系统是目前尝试解决气液两相流流量测量的一个重要研究方向。由于其明确的物理意义并且易于推广，节流式流量计（孔板、喷嘴和文丘里管）已经成为单相流量计的最佳选择之一。
1 工作原理
文丘里流量计是一种节流流量计，它利用节流装置前后的差压与平均流速和流量的关系，根据差压测量值计算流量，如图1所示，文丘里管由入口端，收缩端，喉管，扩张端和取压口五部分组成。
文丘里管的基本原理是[2]：当管路中液体流经文丘里管时，液流断面收缩，在收缩断面处流速增加，压力降低，使文丘里管前后产生压差，再根据测得的压差计算流速。最后结合计算得到的各相相分率便可以得到各相流量。
由于精确地描述流体运动十分困难，因此通常利用某些在假定基础上成立的简单关系推导并建立出实际可用的描述流体运动的理论公式。节流流量计的原理就是由伯努利方程和连续性方程导出的。
图1 文丘里管结构
文丘里流量计由一次装置（检测件）和二次装置（压差转换和流量显示仪表）组成（本论文只讨论检测件）。通常以检测件形式对压差流量计进行分类，如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计。本文主要就井下文丘里流量计的结构进行设计。其具体工作方案是：首先，在油气水混合物进入文丘里之前，先经过均相混合器进行混合，使三相液体在进入流量计之前得以较均匀的分布，有利于提高计量精度；其次，流体通过文丘里管喉部的时候，加速效应使多相混合加剧，使其更趋近于均相流动。该种方案有待于实施试验进行论证，方可验证其是否能够达到所需效果。在文丘里的入口端和喉管部分都设有取压口，通过传感器和光纤将所测数据传到地面，再通过二次装置将之转换成各相流量数据。
2 计量方案
井下多相流量计测取的主要数据是流体中油水两相的质量流量，目前的技术还不能直接测试流体中三相的质量流量，而是采用间接测量的方法，即计量每种成分的瞬时速率和各自截面含率，通过计算得到各相的质量流量，如图2中所示。
图2 井下流量测试原理图
为了利用节流件测量两相流流量，必须寻求通过节流件的两相流体的差压、干度、含气率和气液总流量、分相流量之间的关系。近几十年来，各国学者在利用各种节流件测量气液两相流流量方面，进行了很多理论分析和实验研究。国内已有学者采用文丘里，利用空隙率进行了空气-柴油两相流量测量的研究[3]。
在井下油管中，油井产出的原油伴生天然气和矿化水形成了一种相态和流型复杂多变的多相流，是一个多变量的随机过程。各相在实际状况下的体积流量Q为
（1）
式中
S—各相在管道截面上所占据的面积，m2；
v—各相沿管道轴线的流速，m/s。
根据各相的温度和压力，利用状态方程可以将实际状况下的体积流量转换成标准状况下的体积流量。
式中
So—管道截面总面积，m2；
Sg—气相所占面积，m2；
Sp—油相所占面积，m2；
Sw—水相所占面积，m2；
Hg—管道中油气水三相流的截面含气率，无因次；
Hw—油水混合液含水率，无因次。
综合式（1）、（2）、（3）和（4），就可以推导出油气水三相在实际状况下的体积流量Qp、Qg、Qw分别为
式中
vg—气相流速，m/s；
vw—水相流速，m/s；
vp—油相流速，m/s。
由此可见，油气水三相在实际状况下的体积流量的测量可以通过对各相流速、流量截面上的含气率和含水率流动参数的在线监测来实现。
文丘里管不仅广泛使用于单相流测量，将其应用于多相流测量也是人们多年的研究目标。与孔板等其他节流件相比，文丘里还有一个主要的优势，就是对气液两相流流型的影响相对较小[4-5]。由于其管路压损低、对上下游直管段要求低，对气液两相流流型的影响相对较小，文丘里管获得了越来越多的研究关注[6-7]。
3 结构设计
文丘里管由出入口圆柱段A，圆锥收缩段B，圆柱形喉部C以及圆锥形扩散段E组成，如图3所示。入口段A的直径和管道内径相同，该段上开有取压孔，直径的单次测量值和平均值之差不应超过0.4%。圆柱喉部C的直径为d，长度为l且d=l，其上开有负压取压孔。圆锥形收缩段B的锥角为21°～22°，上游与A段相接，下游与C段相接，长度
（8）
式中
D—A段直径，mm；
d—C段直径，mm。
扩散段E为圆锥面，锥角选7°～8°。最小端直径不小于喉部直径，最大端直径可小于等于管道内径D。
图3 文丘里管结构简图
前人研究表明[8-9]，井下工作状态下的管道直径
（9）
式中
λ—文丘里管管道材料的热膨胀系数，无因次；
t—井下温度，℃。
常用流量qmcom可表示为
（10）
式中
qmmax—最大流量，kg/s。
在常用流量的状态下管道雷诺数Re为
（11）
式中
μ—动力黏度，mPa·s。
差压上限值Δpcom为
（12）
式中
β—直径比系数，无因次，；
ρ—流体密度，kg/m3；
C—流出系数，表示通过节流装置的实际流量值与理论流量值之比，无因次。
由式（12）可以得出最大压差Δpmax为
（13）
通过公式（13），就可以求出Δpmax，并将其圆整。
引入系数喉管面积S
（14）
得到直径比系数的计算公式
（15）
式中
ε—可膨胀系数，无因次。
可以求出一个新值β1。
无因次数C可以表示为
（16）
C、β相互关联，互相影响，无法得到它们的精确值，为此采用式（15）、（16）进行迭代计算。当|Δβ|<1×10-4，即满足标准的设计精度时停止迭代，根据
（17）
将计算出的喉管直径代入下式验算流量
（18）
计算误差
（19）
当-0.2%<δ<0.2%，则表明文丘里管的尺寸符合标准要求。
4 结论
（1）文丘里管式流量计结构简单、无插件，不干扰流体流动、压损小、受流体物性变化影响小，便于实施、安全可靠，测量精度高，适合井下流量计量与控制。
（2）可实现在混输状态下的三相流体流量的计量，以评估油井的流出液，为智能油田开发系统提供实时的数据。如果文丘里流量计能按设计的标准工作的话，它不仅能提供不确定度低于8%的流量计量，还能够提供一个高速的现行数据，但是这往往由井口输出端的“瓶颈”所限制。流量计所提供的信息能用在智能完井生产作业优化的快速回路中，即使超过了其操作范围，此流量计也能提供一个低于15%的测量不确定度。利用智能完井作业，其中包括各种不同的传感器和流体特性，因此这也使实时流体特性的分析成为可能。
（3）文丘里流量计在大多数的环境中拥有可靠的性能，但在流量相对较小时就难以获得较准确的结果。
参考文献：
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客服1