自力式油氣水三相流氣液分離裝置的設(shè)計與實驗＊

牟海維，孟繁磊，于向江，劉興斌，劉 超

（1.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163453）

引 言

油井在整個工作過程中所進(jìn)行的地球物理測井統(tǒng)稱為生產(chǎn)測井。生產(chǎn)測井已成為油氣藏科學(xué)管理和提高采收率不可缺少的手段［1－2］。產(chǎn)出剖面測井，即油井內(nèi)的多相流測量，是生產(chǎn)測井的一個重要組成部分。產(chǎn)出剖面測井可動態(tài)測量油井內(nèi)各產(chǎn)層產(chǎn)出流體的類型及分相流量，可以為油井注采方案的制定和調(diào)整提供可靠依據(jù)［3－4］。在實際生產(chǎn)過程中，油井三相流產(chǎn)出剖面測井主要采用溢氣型集流傘方式進(jìn)行三相分離和流量測量，其測量結(jié)果與地面測量結(jié)果差別很大，根本原因在于溢氣型集流傘未能有效分離出氣相。由于油井中的介質(zhì)大多情況下是以油、水、氣三相流的狀態(tài)存在的，因此油井產(chǎn)氣是不可避免的現(xiàn)象［5－6］。對于油氣水三相流的油井，雖然渦輪流量計［7］和持水率計均有較明顯的響應(yīng)特性，但隨著氣量的逐漸增多，對流量計和持水率計的影響增大，導(dǎo)致測量結(jié)果與實際偏差較大。

鑒于現(xiàn)有油田測井設(shè)備能夠較準(zhǔn)確測量兩相流油井產(chǎn)液剖面的流量和持水率，現(xiàn)設(shè)計和開發(fā)一種自力式油氣水三相流氣液分離裝置，實現(xiàn)氣液分離，配合渦輪流量計和電導(dǎo)持水率計，完成油氣水產(chǎn)出剖面測井儀的研制，并且利用多相流測試系統(tǒng)對三相流油井產(chǎn)液剖面進(jìn)行測量，不但可顯著降低油井產(chǎn)氣對流量和持水率的影響，而且能提高測量的精度，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 自力式油氣水三相流氣液分離裝置工作原理

由于中國油田多數(shù)油井為機(jī)采井，測井儀器僅能通過油管和套管之間的環(huán)形空間起下，一般要求儀器外徑不超過28mm，所以稱為過環(huán)空找水測井［8］。文中設(shè)計的自力式油氣水三相流氣液分離裝置（以下統(tǒng)稱為“裝置”）安裝在套管內(nèi)，其剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置主要由集流傘、出液口、進(jìn)液口、出氣口、進(jìn)氣口及進(jìn)氣閥門等六部分組成。其中氣液分離閥是由厚度為2mm、長度為30mm的環(huán)形木質(zhì)材料制成的。其工作原理為：在油井過環(huán)空找水測井中，當(dāng)集流器采用該裝置集流時，井中向上運(yùn)動的油、氣、水三相流到達(dá)集流傘部位時由于密度不同而發(fā)生分離，氣體由于密度小首先占據(jù)傘尖位置而形成氣頂，原油位于氣頂下面形成油堵，油層下面是水。隨著集流的進(jìn)行，氣頂體積不斷加大并向下擴(kuò)張，當(dāng)氣頂?shù)牡酌娴竭_(dá)傘布的底沿時，液體通過進(jìn)液孔進(jìn)入裝置，而此時進(jìn)氣閥門完全處于氣體中，由于進(jìn)氣閥門是木質(zhì)材料，密度大于氣體密度，因此閥門打開，氣體通過進(jìn)氣孔進(jìn)入裝置，通過排氣孔排出傘外。隨著集氣的繼續(xù)進(jìn)行，氣體排出傘外，油、水達(dá)到傘的頂部，由于進(jìn)氣閥門的密度小于油的密度，故關(guān)閉閥門，集氣繼續(xù)進(jìn)行，重復(fù)之前的過程，氣體幾乎全部排出傘外，達(dá)到氣液分離的效果。

圖1 自力式氣液分離裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the self－operated gas separation device

2 實 驗

依據(jù)上述的分離原理，設(shè)計并研制了適用于過環(huán)空找水測井的氣液分離裝置，將其與渦輪流量計和電導(dǎo)持水率計配套組裝，完成油氣水產(chǎn)出剖面測井儀（以下統(tǒng)稱為“儀器”）的研制。

由于自力式油氣水三相流氣液分離裝置中關(guān)鍵構(gòu)件是采用輕質(zhì)木塞構(gòu)成的，其受到浸泡后膨脹，其重力、浮力、體積、密度都發(fā)生變化，所以實驗前需將儀器在純油多相流測試系統(tǒng)的模擬井中浸泡，消除儀器在初始實驗時渦輪頻率極不穩(wěn)定的問題。利用多相流測試系統(tǒng)的標(biāo)定裝置對加氣量分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.2m3／h的油氣和水氣的流量進(jìn)行測量。該標(biāo)定裝置的井筒高度設(shè)計為15m，井筒直徑為128mm，底端有放水口，頂端有放氣口。井筒內(nèi)部放置一個直徑51mm的油管，油管靠套管一側(cè)，形成月牙形偏心管柱。井筒上共有兩個入口，一個進(jìn)氣、一個進(jìn)水，兩個入口流量都可控，并通過流量計計量。在兩產(chǎn)層中部配備有溫度、壓力和密度傳感器可實時測量流體變化。井筒兩端密閉，耐壓0.1～4MPa。氣流量范圍為0～83m3／h，精度0.1%；油水流量范圍為0～4m3／h，精度0.1%。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 氣液分離過程中渦輪流量計的靜水純氣響應(yīng)特性

加氣量分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8m3／h靜水中渦輪流量計的輸出流量響應(yīng)曲線如圖2所示。從圖2中可以清楚地看出，低氣量時，渦輪靜止不轉(zhuǎn)，表明低氣量（氣量不大于0.3m3／h）時大部分氣體經(jīng)改進(jìn)集流傘上端的出氣口進(jìn)入透明井筒，分離效果較好，只有小部分氣體流過渦輪流量計，由于剩余的氣體流量極小，渦輪流量計輸出流量為零。當(dāng)氣量增加到0.4m3／h時，渦輪流量計明顯轉(zhuǎn)動，輸出流量大幅度增加，這表明分離效果不理想，井筒內(nèi)大氣量時，儀器出氣口出氣量明顯減小，故儀器不適用大氣量情況。

圖2 渦輪流量計在靜水中的響應(yīng)曲線Fig.2 Response curve of the turbine flowmeter in static water

3.2 氣液分離過程中渦輪流量計的氣／油、氣／水響應(yīng)特性

3.2.1 渦輪流量計在油、氣兩相流量測量中的響應(yīng)特性

圖3給出了不同流量下油、氣兩相流中的渦輪流量計輸出流量的響應(yīng)曲線。實驗中油流量按1.6、0.8、0.4、0.2m3／h順序進(jìn)行調(diào)節(jié)，對于每一個油流量，氣體流量依次按0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.2m3／h遞增順序調(diào)節(jié)。從圖3中可以看出，在加氣量不超過0.3m3／h時，流量的大小對儀器氣液分離程度影響不大。但也不難發(fā)現(xiàn)，在不同油流量下，低加氣量時實驗點明顯比高加氣量時要好，特別是油流量較低時。因為大流量、大加氣量時，氣體隨流體經(jīng)過流量計所在的測量通道，然后由出液口回到井筒，所以當(dāng)油流量較大時，實驗點較差。

3.2.2 渦輪流量計在氣、水兩相流量測量中的響應(yīng)特性

圖4為氣、水兩相流中的渦輪流量計輸出流量的響應(yīng)關(guān)系曲線。對比圖3、圖4可見，在氣、水與在油、氣兩相流測量中，渦輪流量計輸出頻率隨加氣量變化趨勢具有一定的相似性。從曲線上明顯可見，儀器在氣／水中實驗效果比在純油中改進(jìn)效果更為理想。首先表現(xiàn)在加氣量不超過0.4m3／h且水流量不超過0.8m3／h時，所采測的試驗點近乎重合，這表明低氣量時，氣液分離效果明顯，水流量的大小對改進(jìn)儀器達(dá)到將氣液兩相流分離成單相流體進(jìn)而測得流體流量的目的沒有較大影響。其次當(dāng)流量大于0.8m3／h時，氣液分離效果不理想，隨著氣流量的增加而增加，渦輪流量計輸出流量示數(shù)也相應(yīng)增加。

圖3 渦輪流量計在氣／油中的響應(yīng)曲線Fig.3 Response curve of the turbine flowmeter in gas／oil phases

圖4 渦輪流量計在氣／水中的響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of the turbine flowmeter in gas／water phases

4 結(jié) 論

設(shè)計了一種自力式油氣水三相流氣液分離裝置，利用多相流測試系統(tǒng)對該分離裝置、渦輪流量計和電導(dǎo)持水率計組成的油氣水產(chǎn)出剖面測井儀進(jìn)行了油／水、氣／水兩相流模擬實驗，獲得主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)?shù)蜌饬浚饬坎淮笥?.3m3／h）時，渦輪流量計流量輸出為零，表明分離氣相效果較為理想；當(dāng)氣量增加到0.4m3／h時，渦輪流量計流量輸出示數(shù)大幅度增加，排氣口出氣量明顯減小，表明儀器不適用大氣量情況；

（2）渦輪流量計對井筒中存在底水時氣相的啟動流量低于無底水時的氣相啟動流量。

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