王 鍇， 劉 剛， 李祎宸， 張家林

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

油井出砂是困擾砂巖油田開采的世界級(jí)難題[1-3]，全世界約40%的油井存在出砂問題，致使產(chǎn)量和設(shè)備壽命大幅降低，油井出砂監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為保障油田開采安全順利實(shí)施的關(guān)鍵[4-5]，因此油井出砂監(jiān)測(cè)理論與技術(shù)常作為石油類專業(yè)的本科生在參加大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目或者畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的選題內(nèi)容[6]。

1 油井出砂監(jiān)測(cè)方法

油井出砂監(jiān)測(cè)方法可分為非植入式監(jiān)測(cè)法[7]和植入式監(jiān)測(cè)法，如圖1所示[8]。植入式出砂監(jiān)測(cè)方法需要在生產(chǎn)管線內(nèi)植入監(jiān)測(cè)設(shè)備，改變?cè)土鲃?dòng)路線，給現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)帶來不便。非植入式出砂監(jiān)測(cè)方法不需要改變現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)管道，將體積較小的監(jiān)測(cè)設(shè)備貼在生產(chǎn)管壁上，接收出砂信息，并將其傳遞給信號(hào)處理設(shè)備，非常適合海上平臺(tái)應(yīng)用[9]。

油田相關(guān)企事業(yè)單位所需要的石油類專業(yè)畢業(yè)生應(yīng)當(dāng)具備工程實(shí)踐能力，在工作場(chǎng)所可以綜合應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)和技能、創(chuàng)造性地完成工作[10-11]。為了培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，結(jié)合實(shí)際獨(dú)立完成課題的工作能力，需要給學(xué)生提供相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)設(shè)備[12]。對(duì)于油井出砂監(jiān)測(cè)理論與技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，出于人身安全考慮，難以在油田現(xiàn)場(chǎng)給學(xué)生提供實(shí)踐平臺(tái)，而目前也缺乏相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)設(shè)備。

圖1 油井出砂監(jiān)測(cè)方法

因此，基于油井出砂監(jiān)測(cè)流程，研發(fā)了適用于油井出砂的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬平臺(tái)，學(xué)生可以利用該平臺(tái)模擬不同條件下的出砂工況，如模擬不同砂礫尺寸、含量、密度在不同黏度油品、含水率、溫度、壓力、排量等條件下的出砂工況，并利用非植入式出砂監(jiān)測(cè)法針對(duì)油井出砂現(xiàn)象直觀地學(xué)習(xí)油井監(jiān)測(cè)流程和方法。這不僅可以使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目獨(dú)立完成課題設(shè)計(jì)，而且可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)創(chuàng)新想法，鍛煉學(xué)生思考和動(dòng)手能力，提高教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目訓(xùn)練目的，為有志于進(jìn)一步深造的學(xué)生提供課題研究的學(xué)習(xí)方法和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 油井出砂監(jiān)測(cè)室內(nèi)模擬平臺(tái)設(shè)計(jì)

油井出砂監(jiān)測(cè)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一種基于含砂多相流體流動(dòng)，提供多相流中固相砂礫含量監(jiān)測(cè)的室內(nèi)評(píng)價(jià)裝置，該平臺(tái)可以模擬不同工況下的標(biāo)準(zhǔn)出砂量，提供彎管處原油特性觀察窗，加裝復(fù)配油品(單相流、多相流)后循環(huán)多次使用，為油井出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供可靠的、穩(wěn)定的校準(zhǔn)與完善平臺(tái)。油井出砂監(jiān)測(cè)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括多相流體流動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，如圖2所示。

出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用自主研發(fā)的非植入式出砂監(jiān)測(cè)設(shè)備，主要包括高頻加速度傳感器、信號(hào)采集儀、計(jì)算機(jī)、電纜等，如圖3所示。高頻加速度傳感器接收砂粒撞擊信號(hào)，信號(hào)采集儀將傳感器接受的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸送至計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)中安裝有自主研發(fā)的出砂監(jiān)測(cè)軟件，對(duì)出砂信號(hào)進(jìn)行處理。

3 油井出砂監(jiān)測(cè)室內(nèi)平臺(tái)硬件系統(tǒng)

3.1 多相流體混合裝置設(shè)計(jì)

為保證多相含砂流體在管路中穩(wěn)定循環(huán)，需提供儲(chǔ)存多相流體的裝置。在循環(huán)系統(tǒng)中，提供了2個(gè)容積均為90 L的儲(chǔ)液罐，見圖4(a)，左邊的儲(chǔ)液罐提供多相流多次循環(huán)回路，即多相流體流出左邊的儲(chǔ)液罐，流經(jīng)不同管路后，最終油回到該儲(chǔ)液罐中；右邊的儲(chǔ)液罐和左邊的儲(chǔ)液罐組成罐-罐之間的單次回路，滿足多相流實(shí)現(xiàn)單次循環(huán)的實(shí)驗(yàn)條件。為保證砂礫在多相流中充分混合，在儲(chǔ)液罐上蓋設(shè)計(jì)安裝攪拌器，如圖4(b)所示，其中紅色圈內(nèi)為攪拌器電機(jī)(具體參數(shù)見表1)，其中藍(lán)色圈內(nèi)為螺旋槳式攪拌葉輪，采用上下剛性軸同步安裝方式，選取材料為304不銹鋼，滿足攪拌流體與砂礫均勻混合時(shí)視黏度與結(jié)構(gòu)黏度比η/ηk≤0.7的強(qiáng)度要求。

表1 攪拌器電動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖4 多相流混合儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)圖和攪拌器實(shí)物圖

在儲(chǔ)液罐兩側(cè)對(duì)稱安裝加熱棒，采用不銹鋼材料以保證堅(jiān)固和耐用性，加熱功率為2 kW，可以滿足90 L多相流體的加熱，如圖5(a)所示。如圖5(b)所示，在混合罐正面安裝有體積計(jì)和溫度計(jì)，其中通過溫度計(jì)可以監(jiān)測(cè)儲(chǔ)液罐內(nèi)的溫度變化，其中體積計(jì)采用與儲(chǔ)液罐聯(lián)通的U行管，以實(shí)時(shí)觀察儲(chǔ)液罐內(nèi)液面高度。

圖5 安裝在儲(chǔ)液罐壁上的加熱棒及體積計(jì)和溫度計(jì)

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)力部分關(guān)鍵部件優(yōu)選

為保證多相流體在管路中以精確的流速穩(wěn)定流動(dòng)，優(yōu)選了變頻器、變頻電機(jī)和螺桿泵，如圖6所示。

圖6 變頻器及電機(jī)和螺桿泵

通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率控制三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速與頻率的計(jì)算關(guān)系為

n=60·f(1-s)/p

(1)

其中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為變頻器頻率，s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。三相異步電機(jī)的參數(shù)見表2。

表2 三相異步電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

泵為攜砂多相流體提供動(dòng)力，需要考慮砂礫對(duì)泵的磨損效應(yīng)以及對(duì)流體輸運(yùn)的穩(wěn)定性、低噪聲、小振幅等影響，最終優(yōu)選單螺桿泵為攜砂多相流體的輸運(yùn)提供動(dòng)力。與容積泵、葉輪泵相比，螺桿泵具有介質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)、流動(dòng)平穩(wěn)連續(xù)、不破壞輸送介質(zhì)固有結(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)、噪聲低、適合輸運(yùn)高黏度含固體顆粒介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。選取的螺桿泵具體參數(shù)見表3。

表3 G40-2單螺桿泵參數(shù)表

通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率值，結(jié)合G40-2單螺桿泵的最大流量值，可得到5個(gè)常用頻率下，螺桿泵的轉(zhuǎn)速和螺桿泵的流速值，見表4。

表4 不同頻率螺桿泵參數(shù)

3.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管路設(shè)計(jì)

當(dāng)流體流經(jīng)管道和閥門時(shí)，流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定阻力，其根本原因是流體流動(dòng)特性[15]。流體在水平管內(nèi)產(chǎn)生的阻力為沿程阻力，用hf表示沿程水頭損失。流體通過閥門產(chǎn)生的阻力為局部阻力，用hj表示局部水頭損失。全流程的水頭損失hw為所有流程水頭損失與所有局部水頭損失之和:

hw=Σhf+Σhj

(2)

由于攜砂多相流體為非牛頓流體，因此流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因是流體自身的慣性和黏性。實(shí)驗(yàn)段管路長度L=4.7 m，水力摩阻系數(shù)λ=0.077 5，則水頭損失hf為

(3)

式中，υ為流體流速，D為管道內(nèi)徑，g為重力加速度。

局部阻力系數(shù)：彎管處ξ1=0.5，閥門處ξ2=7.0。循環(huán)系統(tǒng)共有8個(gè)彎管，1個(gè)閥門，局部水力損失hj為

(4)

計(jì)算得到流程的水頭損失hw=60.34 m，循環(huán)系統(tǒng)出口壓強(qiáng)p為

p=hw=0.58 MPa

(5)

式中γ為介質(zhì)重度。

計(jì)算得到循環(huán)系統(tǒng)至少需要0.58 MPa壓力，所選螺桿泵壓力為1.2 MPa，外徑34 mm、內(nèi)徑25 mm的304不銹鋼管抗內(nèi)壓均大于25 MPa，因此從內(nèi)部因素角度出發(fā)所選泵型、鋼材、管路設(shè)計(jì)滿足要求。

為了能直觀地觀察攜砂流體在傳感器安裝位置附近的流動(dòng)狀態(tài)，特別設(shè)計(jì)了一種以透明有機(jī)玻璃為原材料的透明彎管，該透明彎管的曲率半徑與304鋼制彎管一致，耐壓值為1 Mpa，設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)物見圖7。

圖7 透明彎管總體尺寸和實(shí)物圖

3.4 其他輔助測(cè)量裝置優(yōu)選

出砂監(jiān)測(cè)室內(nèi)模擬評(píng)價(jià)平臺(tái)主要包括超聲檢測(cè)流量監(jiān)測(cè)儀和管道壓力監(jiān)測(cè)儀表。超聲流量監(jiān)測(cè)儀主要包括超聲檢測(cè)組件、流量計(jì)主機(jī)和數(shù)據(jù)分析軟件。超聲檢測(cè)組件采用單發(fā)/單收傳感器組件，最大限度地減小液流中氣泡的干擾信號(hào)，入射角為45°，材料為壓電陶瓷，安裝位置在下游5倍管道直徑或上游10倍管道直徑處，實(shí)現(xiàn)多相流流速的準(zhǔn)確識(shí)別。超聲傳感器安裝前需要用砂紙清除管面上漆層等污垢，再涂上導(dǎo)聲耦合劑，用彈性綁帶固定探頭，保證0.5～1.0 N的作用力。超聲檢測(cè)流量儀的傳感器安裝及流量顯示分析儀表如圖8所示。

為了測(cè)量管路中壓力值，選用量程為0～1 MPa壓力變送器作為壓力監(jiān)測(cè)儀表，其安裝位置距螺桿泵出口1 m處。具體安裝方式及尺寸見圖9。該壓力變送器采用精密補(bǔ)償和硅壓阻技術(shù)，并融合獨(dú)特的ASIC(專用集成電路)技術(shù)，組成完美的放大輸出的壓力變送器。該產(chǎn)品具有全溫范圍補(bǔ)償及相應(yīng)的線性補(bǔ)償，以保證產(chǎn)品的長期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)運(yùn)行。

圖8 超聲檢測(cè)流量儀的超聲傳感器的安裝和超聲檢測(cè)流量計(jì)面板

圖9 壓力變送器的安裝和尺寸結(jié)構(gòu)

4 油井出砂監(jiān)測(cè)室內(nèi)平臺(tái)軟件系統(tǒng)

將信號(hào)采集儀獲得的信號(hào)送入油井出砂監(jiān)測(cè)軟件——信號(hào)分析模塊即可獲得所需的出砂信息。該信號(hào)分析模塊主要包括出砂檢測(cè)分析模塊、液流噪聲降噪模塊、油井參數(shù)設(shè)置模塊，見圖10。出砂檢測(cè)分析模塊基于多相流數(shù)學(xué)分析模型，結(jié)合監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)特征，建立了砂礫固相檢測(cè)分析功能，該功能提供降噪前后固相砂礫信號(hào)對(duì)比、砂流量率、累計(jì)出砂量和含砂量等基本參數(shù)分析。液流噪聲降噪模塊，結(jié)合油-水流沖擊管壁噪聲特征，建立油-水流噪聲信號(hào)模型，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多相流中的強(qiáng)流體噪聲降噪和弱砂礫沖擊信號(hào)提取功能。油井參數(shù)設(shè)置模塊，通過設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度、油品黏度、含水率、多相流混合速度等基本參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)條件下的出砂信號(hào)檢測(cè)。

圖10 信號(hào)分析模塊

5 結(jié)語

油井出砂監(jiān)測(cè)室內(nèi)平臺(tái)的建成，為石油類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)提供了新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和設(shè)備，為學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)或者參加大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目時(shí)提供了新的工程實(shí)踐手段。該平臺(tái)的使用可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，結(jié)合實(shí)際獨(dú)立完成課題的工作能力，同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。

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