多相流態(tài)井下參數(shù)模擬裝置實(shí)驗(yàn)研究

摘要：井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具主要用于測(cè)量流量、壓力、溫度、含水率等參數(shù)，鑒于此，設(shè)計(jì)了一種模擬實(shí)驗(yàn)裝置，旨在模擬井下油水兩相流體動(dòng)態(tài)環(huán)境，可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)兩相流中不同的含水率、含油率、溫度、壓力、流量及密封條件等動(dòng)態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)精細(xì)數(shù)字化可視化模擬呈現(xiàn)，從而對(duì)監(jiān)測(cè)工具的精度進(jìn)行驗(yàn)證和標(biāo)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)工具各參數(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析。

關(guān)鍵詞：多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具；油水兩相；實(shí)驗(yàn)?zāi)M

中圖分類號(hào)：TE933? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）12-0049-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.013

0? ? 引言

石油鉆井大多已進(jìn)入中高開發(fā)階段，鉆井技術(shù)的發(fā)展方向必然趨向于自動(dòng)化、智能化，鉆井監(jiān)測(cè)技術(shù)也將隨之向高效、全面、深入的方向發(fā)展。目前，油田大多采用的生產(chǎn)測(cè)井儀器和井下壓力檢測(cè)技術(shù)，雖有一定的效果，但仍然存在一些例如監(jiān)測(cè)時(shí)間短、檢測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、不全面等問題[1-3]。

針對(duì)油田井下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)現(xiàn)存的這些問題，研發(fā)出一種井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具，可在正常作業(yè)狀態(tài)下長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)井下生產(chǎn)全過程監(jiān)測(cè)的目的[4-5]。

本文制定了一套模擬井下油水狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在監(jiān)測(cè)工具投入使用前，對(duì)其檢測(cè)效果進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證，以確保該監(jiān)測(cè)工具在油田開發(fā)中能成功應(yīng)用，為油田提高產(chǎn)量和長(zhǎng)遠(yuǎn)的開發(fā)提供新的技術(shù)支撐。

井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具如圖1所示。

該工具包括連接短節(jié)、含水儀、鎧裝線纜，內(nèi)部裝有內(nèi)外壓力傳感器、流量計(jì)等，下入井中后，檢測(cè)井下流量、壓力、溫度等參數(shù)，經(jīng)電纜將檢測(cè)的電信號(hào)傳送到地面的控制采集系統(tǒng)。由該系統(tǒng)進(jìn)行供電及信號(hào)數(shù)據(jù)的處理、控制[6]。

1? ? 油水兩相流流態(tài)特性模擬實(shí)驗(yàn)裝置

多相流模擬實(shí)驗(yàn)是研究油水氣多相流問題的重要手段，無論是對(duì)理論問題的研究，還是對(duì)實(shí)際操作數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，都占據(jù)著重要的地位，對(duì)多相流的檢測(cè)問題至關(guān)重要，多相流檢測(cè)技術(shù)是解決該問題最有效、最直接的方法。雖然目前已經(jīng)研制出可以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的流量計(jì)配套實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，但是還不具備對(duì)任意流型、任意相的檢測(cè)功能。

本文中兩相流流態(tài)特性模擬裝置，用于模擬井下油水兩相流體環(huán)境，可控制調(diào)節(jié)兩相流中不同的含水率、含油率、溫度、壓力、流量，通過硬、軟件調(diào)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)流程中各數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、處理、存儲(chǔ)等功能。將井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具安裝在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)，從而對(duì)其進(jìn)行精度標(biāo)定。

1.1? ? 兩相流流態(tài)特性模擬裝置及流程圖

兩相流流態(tài)特性模擬流程如圖2所示，兩相流流態(tài)特性模擬裝置如圖3所示。

1.2? ? 兩相流流態(tài)特性模擬裝置的主要功能及特點(diǎn)

1.2.1? ? 模擬裝置整體功能

油水兩相流流態(tài)特性模擬裝置用于對(duì)井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具的流量、壓力、溫度、持水率等參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)定其密封性能，對(duì)工具性能進(jìn)行評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。該模擬裝置由控制電腦與可編程PLC控制器上下兩級(jí)控制系統(tǒng)組成，采用模塊化控制，所測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖形曲線可自動(dòng)記錄并保存在計(jì)算機(jī)中，手動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)控制方式可以任意選擇。

本套模擬裝置，通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)定油和水的比例，啟動(dòng)水罐和油罐的供液泵，流量計(jì)按比例采集累計(jì)供液量，通過變頻泵控制精細(xì)調(diào)整油水比例，油水進(jìn)入攪拌罐達(dá)到最低液位，攪拌電機(jī)開始攪拌，液位超過攪拌罐1/3啟動(dòng)多級(jí)變頻泵（主泵），變頻電機(jī)低速運(yùn)行5 min（程序設(shè)定）系統(tǒng)檢測(cè)流量壓力穩(wěn)定，主泵開始增壓（0～10 MPa）通過調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)流量控制，同時(shí)采樣閥檢測(cè)油水比例，動(dòng)態(tài)調(diào)整攪拌罐油水比例，油液通過監(jiān)測(cè)工具后的調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)背壓工作。整個(gè)系統(tǒng)可手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄、回放和儲(chǔ)存。

1.2.2? ? 模擬裝置主要部件功能

1）渦輪流量計(jì)。其由渦輪流量傳感器與接收電脈沖信號(hào)的智能顯示儀表組成，用來測(cè)量進(jìn)油、進(jìn)水及油水混合液管路中液體的瞬時(shí)流量和總的計(jì)算流量。

2）壓力變送器。模擬裝置所采用的壓力變送器屬于油水井監(jiān)控系統(tǒng)的配套產(chǎn)品，安裝于井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具的前、后位置，用于對(duì)監(jiān)測(cè)工具的入口及出口油水混合液進(jìn)行壓力檢測(cè)，具有精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，與計(jì)算機(jī)及控制系統(tǒng)聯(lián)用，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程的自動(dòng)化測(cè)量與控制。

3）靜態(tài)混合器。其是一種沒有運(yùn)動(dòng)部件的高效混合設(shè)備，配合混合攪拌液罐使用，可使油水混合液在進(jìn)入多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具前達(dá)到充分均勻的混合效果。

4）含油含水測(cè)試儀。通過電磁波發(fā)射器將電能以穩(wěn)頻恒幅的電磁波發(fā)射到油水混合液中，再根據(jù)混合液吸收電能的差異來檢測(cè)原油含水率?？蓪?shí)時(shí)在線測(cè)量，采樣頻率高，可全量程檢測(cè)，測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定，不受介質(zhì)密度、粘度、壓力等因素的影響。

掌握油中含水量的變化，準(zhǔn)確、及時(shí)計(jì)量油井產(chǎn)量，對(duì)掌握油藏狀況，制定生產(chǎn)方案等具有重要意義。因此，油中含水率的計(jì)量精度是十分關(guān)鍵的指標(biāo)。

5）控制及采集系統(tǒng)。其主要由控制電腦和PLC控制柜及軟件組成。PLC控制柜內(nèi)裝自動(dòng)空氣開關(guān)、真空接觸器、電流/電壓互感器構(gòu)成主回路；由啟停按鈕、選擇開關(guān)、PLC構(gòu)成控制回路，可實(shí)現(xiàn)啟/停機(jī)組和過載、欠載、短路、單相等保護(hù)功能，增加系統(tǒng)的安全可靠性。柜上的電流記錄儀、信號(hào)燈、電壓表構(gòu)成測(cè)量和顯示部分，可以直讀觀察和記錄機(jī)組運(yùn)行電流，便于分析運(yùn)行性能?？刂萍安杉到y(tǒng)可實(shí)現(xiàn)整套模擬裝置的供電、電氣保護(hù)以及相關(guān)參數(shù)的測(cè)量和顯示，如流量、壓力、電壓、電流等。

1.2.3? ? 模擬裝置主要特點(diǎn)

1）壓力的測(cè)量范圍：0～10 MPa；

2）混合液流量計(jì)的測(cè)量范圍：50～800 m3/d（變頻控制）；

3）水流量計(jì)的測(cè)量范圍：24～240 m3/d（流量可調(diào)）；

4）油流量計(jì)的測(cè)量范圍：24～240 m3/d（流量可調(diào)）；

5）可精準(zhǔn)測(cè)量和調(diào)節(jié)流程中含水量（相對(duì)誤差小于3%）、含油量（相對(duì)誤差小于3%）、壓力（相對(duì)誤差小于1%）、溫度（介質(zhì)溫度范圍：-20～80 ℃）等功能；

6）油水在進(jìn)入井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具前進(jìn)行充分混合，可實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)，閉路精準(zhǔn)調(diào)節(jié)油水混合比，可滿足油水混合物的加熱和保溫需求，可滿足對(duì)管路進(jìn)行清洗的要求；

7）數(shù)據(jù)采集軟件：具備實(shí)時(shí)采集傳輸、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等功能，形成曲線圖；

8）流程每個(gè)線路均具備對(duì)壓力、流量、溫度、含水率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和至少兩種不同原理的數(shù)據(jù)采集對(duì)比；

9）通過調(diào)節(jié)流量控制閥和壓力控制閥，控制壓力和流量的變化監(jiān)測(cè)；

10）與流程相連的實(shí)驗(yàn)操作控制臺(tái)，可控制流程上的儀器儀表以及閥門，同時(shí)集成流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的顯示值、存儲(chǔ)；

11）測(cè)試平臺(tái)為一體式集裝箱設(shè)計(jì)模式，便于運(yùn)輸，具有安全防護(hù)和防雨功能。

1.3? ? 兩相流流態(tài)特性模擬裝置的主要技術(shù)參數(shù)

兩相流流態(tài)特性模擬裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2? ? 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

通過上文的兩相流流態(tài)特性模擬裝置實(shí)驗(yàn)，探究管路上各儀表所采集到的數(shù)據(jù)與井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具所采集的數(shù)據(jù)是否一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可得，模擬裝置管路上各儀表所采集到的數(shù)據(jù)與井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具所采集的數(shù)據(jù)基本一致，證明無論井下工況如何，井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具均能精確地監(jiān)測(cè)和采集數(shù)據(jù)。

3? ? 結(jié)論

1）本文中兩相流流態(tài)特性模擬裝置，用于模擬井下油水兩相流體環(huán)境，可以調(diào)節(jié)兩相流中不同的含水率、含油率、溫度、壓力和流量；

2）通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模擬裝置管路上各儀表所采集到的數(shù)據(jù)與井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具所采集的數(shù)據(jù)一致；

3）該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)工具的準(zhǔn)確性和可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2024-03-04

作者簡(jiǎn)介：閆紳（1991—），男，河南人，工程師，研究方向：鉆完井智能工具研發(fā)。