薛德棟，張鳳輝，程心平，張璽亮，沙吉樂

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300457）

0 引言

當(dāng)前渤海油田投入開發(fā)的油田中，存在大量的共生氣藏，若能充分利用地層氣能量，實現(xiàn)氣舉與電泵耦合舉升有利于提高舉升效率，從而可以提高最終采收率。根據(jù)以上背景，研發(fā)了海上油田電泵-智能氣舉耦合工藝，智能氣舉閥作為工藝的關(guān)鍵部件，其實時監(jiān)測井下溫度、壓力、氣體流量等參數(shù)，并能夠根據(jù)地面指令進(jìn)行氣嘴開關(guān)大小的調(diào)節(jié)[1,2]。氣體流量參數(shù)的測量及控制對整個耦合舉升工藝系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)和資源的高效利用都有著極其重要的意義，是電泵-智能氣舉耦合工藝的關(guān)鍵參數(shù)。由于井下高溫、高壓環(huán)境及氣體介質(zhì)的可壓縮性，一定體積下氣體的密度受溫度和壓力的影響比較大，氣體流量測試難度比液體介質(zhì)測試更加復(fù)雜。井下氣體流量測試研究為井下智能氣舉閥研究的難點，如何在高溫、高壓環(huán)境下實現(xiàn)氣體流量的測量，是本文研究的重點。本文就井下智能氣舉閥氣體流量測試技術(shù)及試驗展開討論，首次實現(xiàn)井下環(huán)境下氣體測試。

常規(guī)地面氣體測試技術(shù)主要采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流差壓式流量計、渦街流量計、均速管流量計等幾種測試原理，根據(jù)井下氣體流量大、工作環(huán)境壓力大等特點，井下氣體流量測試裝置選用了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流差壓式流量計[3-6]。

圖1 井下智能氣舉閥電氣原理框圖Fig.1 Underground intelligent lift valve electrical schematic

1 井下智能氣舉閥

智能氣舉閥為整個井下工具核心組成部分。主要由流量傳感器、溫度、壓力傳感器及氣嘴調(diào)節(jié)裝置及電路部分組成。其通過溫度、壓力、流量傳感單元實時感知井下參數(shù)并實時傳輸?shù)骄聠纹瑱C測控系統(tǒng)。單片機測控系統(tǒng)通過井下數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過單芯電纜將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)測系統(tǒng)，耦合舉升軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過分析，得到氣嘴最佳開度值及最佳注氣值，并將數(shù)據(jù)反饋至井下處理單元。

井下單片機測控系統(tǒng)接收到地面指令，通過電機控制功放系統(tǒng)對井下氣嘴電機進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)氣嘴開度調(diào)整，實現(xiàn)注氣量調(diào)節(jié)，從而提高電泵-智能氣舉耦合舉升效率。智能氣舉閥電氣原理如圖1所示。

2 井下氣體流量測試裝置設(shè)計

2.1 氣體流量測試裝置選型

根據(jù)井下氣體流量大，工作環(huán)境壓力大等特點，井下氣體流量測試裝置選用了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流差壓式流量計。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流差壓流量計主要節(jié)流件為孔板、長徑噴嘴、V錐等形式?？装辶髁坑嬙诟邏簺_刷狀態(tài)下，形狀易發(fā)生改變，影響測試精度，不適用于高壓場合。長徑噴嘴用于流量標(biāo)定裝置中，單個測試范圍小，節(jié)流裝置在測試小排量時節(jié)流壓差小，測試精度受到影響。最終選定V錐流量計作為智能氣舉閥的井下氣體流量方案，該方案成功解決了目前井下氣體流量無法測試的難題。

V錐氣體流量計主要工作原理是流體流經(jīng)錐體時，通過V錐的節(jié)流造成流體在V錐前后形成壓差，通過差壓傳感器測試節(jié)流前后壓差，通過計算得到測試流量。V 錐流量計具有精度高、重復(fù)性好、受安裝條件局限小、耐磨損等特點，被廣泛的應(yīng)用。V 錐流量計利用內(nèi)裝 V形錐體節(jié)流裝置實現(xiàn)對流體的逐漸向管內(nèi)壁面的收縮，使V錐流量計比傳統(tǒng)節(jié)流式流量計具有壓力損失小、量程大、小雷諾數(shù)下測量線性度高等優(yōu)點。

圖2 井下V錐流量計Fig.2 Underground V-cone flow meter

2.2 井下V錐流量計測試原理

井下智能氣舉V錐流量計結(jié)構(gòu)如圖2所示，高壓氣體通過氣層進(jìn)入測試通道，經(jīng)過V錐后會產(chǎn)生壓力差Δp，根據(jù)連續(xù)性方程和伯努利方程推導(dǎo)出管道流量qv的計算公式為

式（1）中：Δp為錐體節(jié)流前后壓差，Pa；qv為被測體積流量，m3/s；ρ為被測流體密度，kg/m3。

其中等效直徑比β的計算公式為

式（2）中：S1為錐體最大節(jié)流橫截面積，mm2；S2為管道橫截面積，mm2。

2.3 差壓傳感器

差壓傳感器是V錐氣體流量計核心工具，能夠?qū)ξ⑿毫Σ钸M(jìn)行檢測并反饋，直接影響氣體流量測試精度。本流量計選用EJA高精度傳感器，其采用單晶硅諧振式傳感技術(shù)，對于壓力或溫度的變化不存在滯后現(xiàn)象。單晶硅諧振式傳感器將過壓、溫度變化和靜壓影響降為最低，長期穩(wěn)定性高。

EJA高精度傳感器參數(shù)如下：

測量范圍：-1kPa～1kPa

測量量程：0.1kPa～1kPa

精度：±0.2%

輸出信號：4mA DC～20mA DC

環(huán)境溫度：-25℃～150℃

最大工作壓力：100kPa

接液部件材質(zhì)：膜盒SUS316L，（膜片：哈氏合金C-276）。

圖3 氣體流量測試裝置結(jié)構(gòu)流程圖Fig.3 Flow chart of gas flow test device structure

3 井下氣體流量測試裝置檢定試驗

3.1 井下氣體流量測試裝置檢定原理

井下氣體流量測試裝置就是將被測表與標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行比較，通過壓力、溫度補償后對被測表進(jìn)行流量標(biāo)定的方法[7,8]。井下氣體流量測試裝置選用壓縮機作為系統(tǒng)氣源，將自由氣體變?yōu)閴嚎s氣體，這是流量測試的基礎(chǔ)。壓縮氣體流量與自由氣體流量之間的換算關(guān)系為

其中：Qp為壓縮氣體流量；Qf為自由氣體流量；Pp為壓縮氣體的絕對壓力；Pf為自由氣體的絕對壓力；Tf為自由氣體的熱力學(xué)溫度；Tp為壓縮氣體熱力學(xué)溫度。

流量檢定過程中采用高精度壓力、溫度傳感器進(jìn)行溫度、壓力補償后，可以得到標(biāo)況下的流量值Qf。

3.2 井下氣體流量測試裝置檢定裝置組成

井下氣體流量測試裝置采用標(biāo)準(zhǔn)表法，將被測表和標(biāo)準(zhǔn)表利用氣體管路串聯(lián)，使之通過氣體流量相同，通過比較標(biāo)準(zhǔn)表和被測表輸出值進(jìn)行標(biāo)定，從而確定被測表參數(shù)。測試裝置平臺采用負(fù)壓法產(chǎn)生氣源系統(tǒng)，氣源通過真空泵形成負(fù)壓，氣源經(jīng)過泵的前端管道吸入泵，再由泵的后端管道排出。

將標(biāo)準(zhǔn)表和被測表接入于同一管路系統(tǒng)中，通過高精度溫度、壓力傳感器，PLC控制系統(tǒng)采集標(biāo)準(zhǔn)表、被測表、壓力傳感器、溫度傳感器等參數(shù)，通過溫度、壓力標(biāo)定及標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)，在氣體流量穩(wěn)定情況下，通過已知的標(biāo)準(zhǔn)表來確定待校流量對待校準(zhǔn)表進(jìn)行校準(zhǔn)，以測試其性能。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)表檢定結(jié)論

通過標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置檢定，在溫度為24℃，相對濕度為50%，壓力為15MPa條件下，對井下氣體流量測試裝置進(jìn)行檢定，檢定結(jié)果見表1。

通過試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的井下氣體流量測試裝置在24℃，15MPa環(huán)境下，標(biāo)定誤差均小于3%，能夠準(zhǔn)確地對井下氣體流量進(jìn)行測試，滿足設(shè)計要求。

表1 井下氣體流量測試裝置進(jìn)行檢定數(shù)據(jù)表Table 1 Underground gas flow test device for verification data sheet

表2 井下氣體流量測試裝置試驗井試驗數(shù)據(jù)表Table 2 Underground gas flow test plant test well test well test data table

4 井下氣體流量測試裝置試驗井試驗

在室內(nèi)標(biāo)定的基礎(chǔ)上，對井下智能氣舉閥進(jìn)行了試驗井試驗，氣舉閥下入深度為360m，通過地面制氮設(shè)備進(jìn)行注氣模擬地層產(chǎn)氣。通過制氮設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)表和井下氣體流量計進(jìn)行比對。

通過實驗結(jié)果表明，該氣體流量計在氣體排量40m3/h～750m3/h時，井下氣體流量測試裝置誤差最大為2.03%，能夠滿足井下工況，滿足了氣舉閥測試的需求，為氣舉閥的調(diào)節(jié)提供了數(shù)據(jù)參考。

5 結(jié)論

通過氣體流量計結(jié)構(gòu)的選型，選用了V錐節(jié)流裝置用于井下氣體流量測試裝置，實驗表明，該裝置能夠?qū)M(jìn)入氣舉閥的氣體流量進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的測量。為氣舉閥氣嘴的調(diào)整提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而提高了舉升效率，通過標(biāo)定裝置標(biāo)定，其誤差小于3%。通過現(xiàn)場實驗驗證表明，氣舉閥在流量值為40m3/h～750m3/h時，測試最大誤差為2.03%，能夠滿足井下測試的需求。