井下超声波流量计误差分析

    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）