摘要：井下多參數(shù)監(jiān)測工具主要用于測量流量、壓力、溫度、含水率等參數(shù)，鑒于此，設(shè)計了一種模擬實驗裝置，旨在模擬井下油水兩相流體動態(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態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并可實現(xiàn)精細數(shù)字化可視化模擬呈現(xiàn)，從而對監(jiān)測工具的精度進行驗證和標(biāo)定，進而實現(xiàn)監(jiān)測工具各參數(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。

關(guān)鍵詞：多參數(shù)監(jiān)測工具；油水兩相；實驗?zāi)M

中圖分類號：TE933? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：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化、智能化，鉆井監(jiān)測技術(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)測井儀器和井下壓力檢測技術(shù)，雖有一定的效果，但仍然存在一些例如監(jiān)測時間短、檢測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、不全面等問題[1-3]。

針對油田井下動態(tài)監(jiān)測現(xiàn)存的這些問題，研發(fā)出一種井下多參數(shù)監(jiān)測工具，可在正常作業(yè)狀態(tài)下長期實時監(jiān)測井下生產(chǎn)動態(tài)，實現(xiàn)井下生產(chǎn)全過程監(jiān)測的目的[4-5]。

本文制定了一套模擬井下油水狀態(tài)的實驗系統(tǒng)，在監(jiān)測工具投入使用前，對其檢測效果進行實時驗證，以確保該監(jiān)測工具在油田開發(fā)中能成功應(yīng)用，為油田提高產(chǎn)量和長遠的開發(fā)提供新的技術(shù)支撐。

井下多參數(shù)監(jiān)測工具如圖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、流量計等，下入井中后，檢測井下流量、壓力、溫度等參數(shù)，經(jīng)電纜將檢測的電信號傳送到地面的控制采集系統(tǒng)。由該系統(tǒng)進行供電及信號數(shù)據(jù)的處理、控制[6]。

1? ? 油水兩相流流態(tài)特性模擬實驗裝置

多相流模擬實驗是研究油水氣多相流問題的重要手段，無論是對理論問題的研究，還是對實際操作數(shù)據(jù)的驗證，都占據(jù)著重要的地位，對多相流的檢測問題至關(guān)重要，多相流檢測技術(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)場應(yīng)用的流量計配套實驗測試裝置，但是還不具備對任意流型、任意相的檢測功能。

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)試運行，實現(xiàn)對流程中各數(shù)據(jù)的實時采集、顯示、處理、存儲等功能。將井下多參數(shù)監(jiān)測工具安裝在該實驗系統(tǒng)內(nèi)，從而對其進行精度標(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

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井下多參數(shù)監(jiān)測工具的流量、壓力、溫度、持水率等參數(shù)進行標(biāo)定，測定其密封性能，對工具性能進行評價實驗。該模擬裝置由控制電腦與可編程PLC控制器上下兩級控制系統(tǒng)組成，采用模塊化控制，所測得實驗數(shù)據(jù)和圖形曲線可自動記錄并保存在計算機中，手動控制及計算機控制方式可以任意選擇。

本套模擬裝置，通過計算機軟件設(shè)定油和水的比例，啟動水罐和油罐的供液泵，流量計按比例采集累計供液量，通過變頻泵控制精細調(diào)整油水比例，油水進入攪拌罐達到最低液位，攪拌電機開始攪拌，液位超過攪拌罐1/3啟動多級變頻泵（主泵），變頻電機低速運行5 min（程序設(shè)定）系統(tǒng)檢測流量壓力穩(wěn)定，主泵開始增壓（0～10 MPa）通過調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)流量控制，同時采樣閥檢測油水比例，動態(tài)調(diào)整攪拌罐油水比例，油液通過監(jiān)測工具后的調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)整個系統(tǒng)背壓工作。整個系統(tǒng)可手動/自動運行采集數(shù)據(jù)實時記錄、回放和儲存。

1.2.2? ? 模擬裝置主要部件功能

1）渦輪流量計。其由渦輪流量傳感器與接收電脈沖信號的智能顯示儀表組成，用來測量進油、進水及油水混合液管路中液體的瞬時流量和總的計算流量。

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)測工具的前、后位置，用于對監(jiān)測工具的入口及出口油水混合液進行壓力檢測，具有精度高、穩(wěn)定性好等特點，與計算機及控制系統(tǒng)聯(lián)用，可實現(xiàn)測試過程的自動化測量與控制。

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

4）含油含水測試儀。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原油含水率。可實時在線測量，采樣頻率高，可全量程檢測，測量精度高、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、及時計量油井產(chǎn)量，對掌握油藏狀況，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，可實現(xiàn)啟/停機組和過載、欠載、短路、單相等保護功能，增加系統(tǒng)的安全可靠性。柜上的電流記錄儀、信號燈、電壓表構(gòu)成測量和顯示部分，可以直讀觀察和記錄機組運行電流，便于分析運行性能。控制及采集系統(tǒng)可實現(xiàn)整套模擬裝置的供電、電氣保護以及相關(guān)參數(shù)的測量和顯示，如流量、壓力、電壓、電流等。

1.2.3? ? 模擬裝置主要特點

1）壓力的測量范圍：0～10 MPa；

2）混合液流量計的測量范圍：50～800 m3/d（變頻控制）；

3）水流量計的測量范圍：24～240 m3/d（流量可調(diào)）；

4）油流量計的測量范圍：24～240 m3/d（流量可調(diào)）；

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

6）油水在進入井下多參數(shù)監(jiān)測工具前進行充分混合，可實現(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，可滿足對管路進行清洗的要求；

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

8）流程每個線路均具備對壓力、流量、溫度、含水率的實時監(jiān)測和至少兩種不同原理的數(shù)據(jù)采集對比；

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；

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

11）測試平臺為一體式集裝箱設(shè)計模式，便于運輸，具有安全防護和防雨功能。

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? ? 實驗過程及結(jié)果

通過上文的兩相流流態(tài)特性模擬裝置實驗，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)測工具所采集的數(shù)據(jù)是否一致。實驗結(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)測工具均能精確地監(jiān)測和采集數(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）通過實驗發(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)測工具所采集的數(shù)據(jù)一致；

3）該實驗驗證了井下多參數(shù)監(jiān)測工具的準(zhǔn)確性和可靠性。

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收稿日期：2024-03-04

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