廖銳全 (長江大學石油工程學院,湖北武漢430100)

李勇 (中石油吐哈油田分公司工程技術研究院,新疆鄯善838200)

宋建平 (長江大學石油工程學院,湖北武漢430100)

雷宇 (中石油吐哈油田分公司工程技術研究院,新疆鄯善838200)

氣舉試驗基地多相流實驗平臺建設

廖銳全 (長江大學石油工程學院,湖北武漢430100)

李勇 (中石油吐哈油田分公司工程技術研究院,新疆鄯善838200)

宋建平 (長江大學石油工程學院,湖北武漢430100)

雷宇 (中石油吐哈油田分公司工程技術研究院,新疆鄯善838200)

針對當今多相管流預測技術所存在的一些局限,以建立一套具有國際先進水平的多相管流實驗平臺為目標,根據(jù)該平臺所需解決的問題,設計出相關的實驗平臺裝置,介紹了各個裝置在此平臺里的作用,并給出了這些裝置所達到的技術指標。該平臺能進行氣水、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范圍內的多相管流動態(tài)研究。借助此平臺進行多相管流實驗,可為油氣田開發(fā)中的多相管流計算問題提供技術支持。

多相管流;實驗裝置;設計;流型

1 目的及意義

井筒多相管流動態(tài)預測是油井設計和分析的重要理論基礎,對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多世紀的歷史,但由于多相管流的復雜性等原因,多相管流預測技術還遠不能滿足氣舉應用的需要[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算方法都為經(jīng)驗、半經(jīng)驗方法,都有一定的使用范圍,超出一定范圍后精度無保證?，F(xiàn)有的計算方法在氣液比比較高的情況下普遍計算不準。

2)迄今的研究大部分限于氣液兩相,室內試驗大部分是以水和空氣作為介質;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)的液體為對象,很少考慮液體黏度變化?，F(xiàn)有的多相管流壓力計算方法一般僅限于黏度小于10mPa·s的液體,對于黏度較大的液體和氣體的多相流動態(tài)的研究甚少。

我國吐哈氣舉技術中心等單位在前期的技術開發(fā)和推廣應用方面取得了不俗的成績,目前面臨的任務一是對已應用氣舉技術油田進行精細化管理,以提高氣舉效率[2];二是要拓寬應用領域,解決中石油在國內外油田開采中面臨的復雜深井、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。建立多相管流實驗室,開展多相管流研究,不僅對氣舉采油技術發(fā)展是重要的,而且對提高油氣井的優(yōu)化設計和動態(tài)分析水平,對油氣集輸技術的發(fā)展都具有非常重要的意義。

2 建設目標

建立一套具有國際先進水平的多相管流實驗平臺,為多相管流動態(tài)研究提供先進的手段,使其成為我國石油氣液多相管流方面重要的實驗研究和人才培養(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、油氣水等不同介質的多相管流動態(tài)研究,為我國油氣田開發(fā)技術的發(fā)展提供強有力的技術支持。

3 實驗平臺裝置設計

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

實驗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)流調節(jié)、計量系統(tǒng);③油、水混合器;④油、水混合液分離系統(tǒng);⑤油、氣、水流量計量檢定系統(tǒng);⑥電動絞車;⑦熱力系統(tǒng)。

3.1 模擬管道

采用三模擬管并排布置,管內徑分別為20、40、60mm,有效長度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)進行0～90°的傾斜,并保證運行平穩(wěn)。

3.2 油、氣、水穩(wěn)流調節(jié)、計量系統(tǒng)

3.2.1 油、水穩(wěn)流調節(jié)、計量系統(tǒng)

油、水穩(wěn)流調節(jié)、計量系統(tǒng)的功能是分別采用獨立的動力源,可分別自動調節(jié)計量油、水流量的大小,并使流量可長時間穩(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、水流量可長時間穩(wěn)定在任意要求的流量點,保證各相配比率穩(wěn)定,油、水穩(wěn)流系統(tǒng)的設計分為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;二是流量調節(jié)部分,即從穩(wěn)壓罐到管排。其目的是在管排各流量點測試時,為避免油、水源的壓力波動而影響流量計的測試精度。

油、水離心泵在出口處設置一條由節(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離心油、水泵的發(fā)熱。

通過對離心泵電機調頻,使泵輸出的壓力和流量在設計要求范圍內,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節(jié)是依靠同一支管分別串接相同精度的2套流量計,取其平均值來實施對調節(jié)閥開度的調節(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個濾網(wǎng)過濾器,1個電磁過濾器。過濾器的作用是使流體中各種雜質不能進入流量計內,以保證流量計的零件不會損壞。在流量計上游的直管段長度不小于30倍的管路公稱管徑,以消除偏流、旋轉流和渦流對流量計精度的影響。

3.2.2 氣穩(wěn)流調節(jié)、計量系統(tǒng)

氣穩(wěn)流系統(tǒng)采用獨立動力源,可自動調節(jié)氣體的流量大小,并使流量可長時間穩(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)流調節(jié)、計量系統(tǒng)中空壓機為該系統(tǒng)的動力源,由它向儲氣罐充氣,由儲氣罐經(jīng)減壓閥向管排中的支管供應穩(wěn)壓的氣體,確保調節(jié)閥的氣體壓力穩(wěn)定,保證調節(jié)精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性。各支管的流量調節(jié)通過串接在管路上的2套同精度的流量計來控制調節(jié)閥的開度以達到所需的氣體流量。管路上的流量計上游直管段的長度同油、水穩(wěn)流調節(jié)、計量系統(tǒng)?？偣苌喜⒃O有空氣過濾器,以保護流量計與調節(jié)閥的正常工作。

3.3 油水混合器

可在200～500r/min之間調節(jié)以便進行液態(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)四級重力分離,氣體從4個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)工作時混合液進入1#分離罐中部的進液口,即進入重力分離狀態(tài),分離罐為四級重力分離,各級分離的油、水流程為之字形,其目的是增加油和水的流程以達到充分的分離效果,確保在24h內油中水體積不高于1%。

3.5 油、氣、水流量計量檢定系統(tǒng)

3.5.1 油、水穩(wěn)流系統(tǒng)中各流量計的計量檢定

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

3.5.2 氣穩(wěn)流系統(tǒng)中各流量計的計量檢定

氣穩(wěn)流系統(tǒng)中各流量計的計量檢定采用鐘罩式氣體流量標準裝置來進行,精度為0.5級。

3.6 電動絞車

電動絞車用來帶動活動支架運行。電動絞車最大起吊重量為2000kg。

3.7 熱力系統(tǒng)

設計的熱力系統(tǒng)介質工作溫度范圍:常溫～90℃。各油、水、分離罐內設有電加熱管,總加熱功率200k W,各罐、管線表面加保溫層。整個系統(tǒng)工作溫度由溫度控制系統(tǒng)自動控制。

4 裝置主要技術指標

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

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

3)實驗介質:空氣、水、白油(5號或7號)。

4)介質流量: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)實驗用油最大黏度:1000mPa·s。

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

7)氣液工作壓力:0.8MPa;3.5MPa。

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

9)工作溫度:常溫～90℃;溫度傳感器測量精度±0.5%。

10)高速攝像儀:2000幀/s,分辨率1920×1080。

11)快關球閥關斷時間:0.3～0.5s。

5 結語

隨著氣舉法采油工藝技術的發(fā)展,對于井筒多相管流動態(tài)預測的精度和范圍有了更高的要求,筆者提出了建立多相流實驗平臺的具體方案,并已在長江大學武漢校區(qū)投入建設。通過具體的多相流實驗,能夠對井筒多相管流動態(tài)預測進行更深入的研究,對于促進多相管流預測技術進步、滿足氣舉等應用需要具有重要意義。

[1]張琪.采油工程原理與設計[M].東營:中國石油大學出版社,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驗裝置及其應用[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,液體流量標準裝置檢定規(guī)程[S].

[編輯] 黃鸝

TE355.3

A

1000-9752(2014)09-0129-03

2014-07-28

中國石油天然氣集團公司科技基礎條件平臺建設項目。

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