氣舉試驗(yàn)基地多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

廖銳全 (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北武漢430100)

李勇 (中石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院,新疆鄯善838200)

宋建平 (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北武漢430100)

雷宇 (中石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院,新疆鄯善838200)

氣舉試驗(yàn)基地多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

廖銳全 (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北武漢430100)

李勇 (中石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院,新疆鄯善838200)

宋建平 (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北武漢430100)

雷宇 (中石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院,新疆鄯善838200)

針對(duì)當(dāng)今多相管流預(yù)測(cè)技術(shù)所存在的一些局限,以建立一套具有國(guó)際先進(jìn)水平的多相管流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為目標(biāo),根據(jù)該平臺(tái)所需解決的問題,設(shè)計(jì)出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置,介紹了各個(gè)裝置在此平臺(tái)里的作用,并給出了這些裝置所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。該平臺(tái)能進(jìn)行氣水、氣油、油水、油氣水等多種流體,在0～90°傾角、常溫～90℃、常壓～3.5MPa、液流量0～500m3/d、液黏度0～1000mPa·s、氣流量0～50000m3/d范圍內(nèi)的多相管流動(dòng)態(tài)研究。借助此平臺(tái)進(jìn)行多相管流實(shí)驗(yàn),可為油氣田開發(fā)中的多相管流計(jì)算問題提供技術(shù)支持。

多相管流;實(shí)驗(yàn)裝置;設(shè)計(jì);流型

1 目的及意義

井筒多相管流動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)是油井設(shè)計(jì)和分析的重要理論基礎(chǔ),對(duì)氣舉法采油尤為重要。盡管石油氣液多相管流的研究已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史,但由于多相管流的復(fù)雜性等原因,多相管流預(yù)測(cè)技術(shù)還遠(yuǎn)不能滿足氣舉應(yīng)用的需要[1],還有許多需要研究的問題:

1)迄今多相管流的研究主要集中在水平和垂直管中,對(duì)不同傾角條件下的多相管流研究不夠,目前能用的多相管流壓力計(jì)算方法都為經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)方法,都有一定的使用范圍,超出一定范圍后精度無保證?，F(xiàn)有的計(jì)算方法在氣液比比較高的情況下普遍計(jì)算不準(zhǔn)。

2)迄今的研究大部分限于氣液兩相,室內(nèi)試驗(yàn)大部分是以水和空氣作為介質(zhì);其他研究通常將水和油處理成單液相,再考慮氣液相問題。

3)迄今的多相管流研究主要以常規(guī)的液體為對(duì)象,很少考慮液體黏度變化?，F(xiàn)有的多相管流壓力計(jì)算方法一般僅限于黏度小于10mPa·s的液體,對(duì)于黏度較大的液體和氣體的多相流動(dòng)態(tài)的研究甚少。

我國(guó)吐哈氣舉技術(shù)中心等單位在前期的技術(shù)開發(fā)和推廣應(yīng)用方面取得了不俗的成績(jī),目前面臨的任務(wù)一是對(duì)已應(yīng)用氣舉技術(shù)油田進(jìn)行精細(xì)化管理,以提高氣舉效率[2];二是要拓寬應(yīng)用領(lǐng)域,解決中石油在國(guó)內(nèi)外油田開采中面臨的復(fù)雜深井、稠油井等的舉升問題。要解決這些問題,都離不開多相管流研究取得的卓有成效的成果。建立多相管流實(shí)驗(yàn)室,開展多相管流研究,不僅對(duì)氣舉采油技術(shù)發(fā)展是重要的,而且對(duì)提高油氣井的優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)分析水平,對(duì)油氣集輸技術(shù)的發(fā)展都具有非常重要的意義。

2 建設(shè)目標(biāo)

建立一套具有國(guó)際先進(jìn)水平的多相管流實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為多相管流動(dòng)態(tài)研究提供先進(jìn)的手段,使其成為我國(guó)石油氣液多相管流方面重要的實(shí)驗(yàn)研究和人才培養(yǎng)基地。在不同傾角、不同管徑、不同溫度等多種條件下,開展氣水、氣油、油水、油氣水等不同介質(zhì)的多相管流動(dòng)態(tài)研究,為我國(guó)油氣田開發(fā)技術(shù)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置設(shè)計(jì)

多相管流實(shí)驗(yàn)裝置能夠在0～90°傾角范圍內(nèi),開展油水、氣水、油氣水等不同介質(zhì)的多相流實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中能觀測(cè)流型,能測(cè)各相持率、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)段的壓力梯度、溫度梯度。流型覆蓋泡流、段塞流、擾流、環(huán)霧流等所有流型。

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括以下組成部分:①模擬管道;②油、氣、水各相穩(wěn)流調(diào)節(jié)、計(jì)量系統(tǒng);③油、水混合器;④油、水混合液分離系統(tǒng);⑤油、氣、水流量計(jì)量檢定系統(tǒng);⑥電動(dòng)絞車;⑦熱力系統(tǒng)。

3.1 模擬管道

采用三模擬管并排布置,管內(nèi)徑分別為20、40、60mm,有效長(zhǎng)度12m。要求每種管徑安排透明管段2m,以便觀察,其余為不銹鋼管段。模擬管段不但能模擬直井工作狀況,還能模擬斜井和水平井的工作狀況,模擬管段可連續(xù)進(jìn)行0～90°的傾斜,并保證運(yùn)行平穩(wěn)。

3.2 油、氣、水穩(wěn)流調(diào)節(jié)、計(jì)量系統(tǒng)

3.2.1 油、水穩(wěn)流調(diào)節(jié)、計(jì)量系統(tǒng)

油、水穩(wěn)流調(diào)節(jié)、計(jì)量系統(tǒng)的功能是分別采用獨(dú)立的動(dòng)力源,可分別自動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)量油、水流量的大小,并使流量可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在任意要求的流量值,從而確保油相和水相的精確配比率。為確保油、水流量可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在任意要求的流量點(diǎn),保證各相配比率穩(wěn)定,油、水穩(wěn)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為2大部分:一是恒壓變流量部分,即從泵到穩(wěn)壓罐之間的系統(tǒng)部分;二是流量調(diào)節(jié)部分,即從穩(wěn)壓罐到管排。其目的是在管排各流量點(diǎn)測(cè)試時(shí),為避免油、水源的壓力波動(dòng)而影響流量計(jì)的測(cè)試精度。

油、水離心泵在出口處設(shè)置一條由節(jié)流閥和電磁閥組成的回流支管,避免離心泵在小流量工作時(shí)離心油、水泵的發(fā)熱。

通過對(duì)離心泵電機(jī)調(diào)頻,使泵輸出的壓力和流量在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi),再由穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓后輸出,以保證壓力穩(wěn)定。管排中各支管的流量調(diào)節(jié)是依靠同一支管分別串接相同精度的2套流量計(jì),取其平均值來實(shí)施對(duì)調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié),從而確保油、水的配比率及精度。在管排至穩(wěn)壓罐的總管上配有1個(gè)濾網(wǎng)過濾器,1個(gè)電磁過濾器。過濾器的作用是使流體中各種雜質(zhì)不能進(jìn)入流量計(jì)內(nèi),以保證流量計(jì)的零件不會(huì)損壞。在流量計(jì)上游的直管段長(zhǎng)度不小于30倍的管路公稱管徑,以消除偏流、旋轉(zhuǎn)流和渦流對(duì)流量計(jì)精度的影響。

3.2.2 氣穩(wěn)流調(diào)節(jié)、計(jì)量系統(tǒng)

氣穩(wěn)流系統(tǒng)采用獨(dú)立動(dòng)力源,可自動(dòng)調(diào)節(jié)氣體的流量大小,并使流量可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在任意要求的流量值,從而確保氣相精確的配比率。

氣穩(wěn)流調(diào)節(jié)、計(jì)量系統(tǒng)中空壓機(jī)為該系統(tǒng)的動(dòng)力源,由它向儲(chǔ)氣罐充氣,由儲(chǔ)氣罐經(jīng)減壓閥向管排中的支管供應(yīng)穩(wěn)壓的氣體,確保調(diào)節(jié)閥的氣體壓力穩(wěn)定,保證調(diào)節(jié)精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性。各支管的流量調(diào)節(jié)通過串接在管路上的2套同精度的流量計(jì)來控制調(diào)節(jié)閥的開度以達(dá)到所需的氣體流量。管路上的流量計(jì)上游直管段的長(zhǎng)度同油、水穩(wěn)流調(diào)節(jié)、計(jì)量系統(tǒng)?？偣苌喜⒃O(shè)有空氣過濾器,以保護(hù)流量計(jì)與調(diào)節(jié)閥的正常工作。

3.3 油水混合器

可在200～500r/min之間調(diào)節(jié)以便進(jìn)行液態(tài)模擬。

3.4 油、水混合液分離系統(tǒng)

油、水混合液分離系統(tǒng)的功能是將油、水、氣三相混合流體,經(jīng)氣液分離器,分離出大部分氣體之后流入分離罐組,經(jīng)四級(jí)重力分離,氣體從4個(gè)分離罐頂部的排氣管道排入排氣煙囪[3]。油、水得到充分分離后,再流入純油、純水罐,向油、水穩(wěn)流系統(tǒng)提供符合要求的純水和純油。系統(tǒng)工作時(shí)混合液進(jìn)入1#分離罐中部的進(jìn)液口,即進(jìn)入重力分離狀態(tài),分離罐為四級(jí)重力分離,各級(jí)分離的油、水流程為之字形,其目的是增加油和水的流程以達(dá)到充分的分離效果,確保在24h內(nèi)油中水體積不高于1%。

3.5 油、氣、水流量計(jì)量檢定系統(tǒng)

3.5.1 油、水穩(wěn)流系統(tǒng)中各流量計(jì)的計(jì)量檢定

油、水穩(wěn)流系統(tǒng)中的各流量計(jì)的計(jì)量檢定采用JJG 164—2000《容積水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》[4]。故該系統(tǒng)采用容積法來進(jìn)行計(jì)量檢定,精度為0.2級(jí)。

3.5.2 氣穩(wěn)流系統(tǒng)中各流量計(jì)的計(jì)量檢定

氣穩(wěn)流系統(tǒng)中各流量計(jì)的計(jì)量檢定采用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置來進(jìn)行,精度為0.5級(jí)。

3.6 電動(dòng)絞車

電動(dòng)絞車用來帶動(dòng)活動(dòng)支架運(yùn)行。電動(dòng)絞車最大起吊重量為2000kg。

3.7 熱力系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的熱力系統(tǒng)介質(zhì)工作溫度范圍:常溫～90℃。各油、水、分離罐內(nèi)設(shè)有電加熱管,總加熱功率200k W,各罐、管線表面加保溫層。整個(gè)系統(tǒng)工作溫度由溫度控制系統(tǒng)自動(dòng)控制。

4 裝置主要技術(shù)指標(biāo)

1)裝置主架總體尺寸15500mm×1300mm×17500mm,管徑DN40～DN60～DN75(管徑對(duì)應(yīng)為40、60、75mm),0～90°內(nèi)任意傾角度改變。

2)觀察及測(cè)試管段:管段總長(zhǎng)15m,觀察段長(zhǎng)度13m,可用肉眼直接觀察和快速拍照觀察不同的流型,沿程摩阻損失測(cè)量段≥8m,能測(cè)量壓力、壓差、溫度、多相流黏度等參數(shù)。

3)實(shí)驗(yàn)介質(zhì):空氣、水、白油(5號(hào)或7號(hào))。

4)介質(zhì)流量:油的最大流量20m3/h;水的最大流量20m3/h;空氣最大流量35m3/min (0.8MPa),8m3/min(3.5MPa)。

5)實(shí)驗(yàn)用油最大黏度:1000mPa·s。

6)流量計(jì)測(cè)量范圍及精度:油、水流量計(jì)范圍0～20m3/h(精度±0.5%);測(cè)試管段沿程損失壓力測(cè)量精度≤±0.04%;空氣流量計(jì)流量范圍0～35m3/min(精度±1%)。

7)氣液工作壓力:0.8MPa;3.5MPa。

8)壓力表測(cè)量精度:普通壓力信號(hào)±0.1%;壓力損失計(jì)算段±0.01%～0.04%。

9)工作溫度:常溫～90℃;溫度傳感器測(cè)量精度±0.5%。

10)高速攝像儀:2000幀/s,分辨率1920×1080。

11)快關(guān)球閥關(guān)斷時(shí)間:0.3～0.5s。

5 結(jié)語

隨著氣舉法采油工藝技術(shù)的發(fā)展,對(duì)于井筒多相管流動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的精度和范圍有了更高的要求,筆者提出了建立多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的具體方案,并已在長(zhǎng)江大學(xué)武漢校區(qū)投入建設(shè)。通過具體的多相流實(shí)驗(yàn),能夠?qū)捕嘞喙芰鲃?dòng)態(tài)預(yù)測(cè)進(jìn)行更深入的研究,對(duì)于促進(jìn)多相管流預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)步、滿足氣舉等應(yīng)用需要具有重要意義。

[1]張琪.采油工程原理與設(shè)計(jì)[M].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社,2000.23～33.

[2]劉百紅,曹俊興,周有新,等.吐哈油田油水氣三相流實(shí)驗(yàn)裝置及其應(yīng)用[J].西部探礦工程,2006,18(3):97～99.

[3]廖銳全,曾慶桓,楊玲.采氣工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2012.156～162.

[4]JJG 164—2000,液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程[S].

[編輯] 黃鸝

TE355.3

A

1000-9752(2014)09-0129-03

2014-07-28

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目。

廖銳全(1962-),男,1984年大學(xué)畢業(yè),博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事采油采氣的教學(xué)和科研工作。