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井下超声波流量计误差分析

时间:2011/7/22 10:29:30 点击:2034

  核心提示:前言  井下超声波流量计具有结构简单,安装、使用和维护方便等优点,目前广泛应用于水井测试工作中,但在个别井的测试中,流量计的测量结果误差与实际偏差较大,因此有必要对井下超声波流量计的误差来源作进一步研究。  工作原理  声波在流体中传播,顺流方向声波传播速度会增大,逆流方向则减小,同一传播距离就有不...

  前言

  井下超声波流量计具有结构简单,安装、使用和维护方便等优点,目前广泛应用于水井测试工作中,但在个别井的测试中,流量计的测量结果误差与实际偏差较大,因此有必要对井下超声波流量计的误差来源作进一步研究。

  工作原理

  声波在流体中传播,顺流方向声波传播速度会增大,逆流方向则减小,同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速,称之传播时间法。按测量具体参数不同,分为时差法、相位差法和频差法[1]。现以时差法阐明工作原理。

  在流体中发射一定频率的超声波,传播相同距离时,顺流与逆流之间存在相位差,此差值与流体流速成正比,若管径D固定,则通过相位差可测出流量,如图1所示。

    图1 超声波流量测量工作原理图

  其数学关系如下:设超声波在流体中的传播速度为C,流体的流动速度为V,声波发射探头与接收探头之间的距离为L。则

  顺流时间:

    

  (1)

  逆流时间:

   

  (2)

  时间差:

   

  (3)

  由于流体中声速Cµ流体的流动速度V,则上式简化为

   

  (4)

  则流体的流速为

    

  (5)

  由此可见,流体的流速与超声波在流体中传播的顺流和逆流的时间差成正比。所以,流体的流量就可表示为

   

  (6)

  只要能精确测量出超声波在顺流和逆流传播时产生的时间差,就可计算出相应的流速,进而得到相应的流量[2]。

  误差来源

  1.系统误差

  在吉林油田应用的超声流量计的量程为150m3/d,标称误差是1.5%,也就是说,一支仪器的测量误差在-2.25~2.25m3/d之间,如果仪器在检定时的结果超过这个范围,就应该重新标定该仪器。而对于一支合格的仪器,根据误差的正态分布理论,它的精度在0.5%~1.0%区间的概率是最高的,所以,理论上仪器的测量误差范围为±0.75~±1.5m3/d之间。超声波的工作原理是时差法(相位差法),时间差(相位差)越小,流量计的流量也越小,流量计的时间差是μs级的,越小的流量测量的误差也就越大,所以仪器的误差下限应该是比±0.75m3/d略高的。

  另外,计量间水表也存在误差,水表误差和流量计误差累积,也会使测试水量的误差加大。

  2.介质的影响

  超声流量计是在室内的流量标定系统(简称流标)中标定和检定的,流标采用的介质是清水,而在实际中,流量计的工作介质并非纯净的清水,在井筒内,水中含有大量的油污、铁屑、气泡等杂质,这些杂质的存在会对超声波的传播发生散射,影响超声波的直线传播,由于标定时和工作时的工作介质的差别,从而会影响到仪器的测量精度。而且,声信号可能由于碎片的多路反射而失真。如果接收机不能保证识别每一个输入脉冲的同一点,对流量计精度将产生最严重的影响。

  3.油管内径的影响

  油管的内径测量误差在流量中表现出来,因为内径是圆管积分中的一项,0.1%的内径测量误差将产生0.2%的流量误差。为了最大限度减小这一误差,应用高精度的测量仪器在若干位置测量其内径,然后将其平均以补偿油管的不圆度。标定时,仪器所在的模拟井筒的内壁是光滑的,可以看做它的内径是不变的。在实际测试时,由于油管内壁会附着一些杂物,或者由于腐蚀使油管的内径发生变化,从而影响仪器的测量误差。

  4.注水井的影响

  扶余采油厂的井间距近,井间干扰大,对水井测试的误差也会产生一定的影响,还有计量间来水管线细,供水压力与水量都不足,也会影响最后的测试结果。

  5.声路长

  声路长的测量误差将在流速中表现出来,因为这两个参数是成正比的。如用钢卷尺、测径仪或毫米尺测量每一声路上两传感器间的距离,这一误差通常可保持在0.1%以下。

  6.声路角

  声路角的测量误差将在流速中表现出来,因为流速与声路角的余弦成反比。1°的声路角测量误差可产生1.7%的流速误差,为了将这一误差减小到最低限度,应使用高精度的角度测量仪器,使声路角的测量误差可以很小[3]。

  结论

  影响超声流量计的因素还有很多,而有些因素的影响是不可避免的,在这些因素的影响下,井下流量计在进行水井测试时的误差是要比标定时的误差要大,而且会大很多,通常会在±2~3m3/d左右,所以这些误差是在测试时所必须注意的。

  参考文献

  1 董浩然.超声波流量计的选型与应用.工业计量,2002,(2)
  2 石利琴.超声波流量计的应用.计量技术,2002,(4)
  3 周伟国,胡海军,金颖.超声波流量计的应用与误差分析.煤气与热力,2001,(8)

作者:佚名 来源:不详
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