引 言

渤海海域存在大量與油共生的天然氣藏，為充分利用共生天然氣藏，提高舉升效率，降低舉升能耗，研發(fā)了電泵與氣舉組合舉升技術(shù)，該技術(shù)可利用現(xiàn)有氣源與電泵進(jìn)行氣舉－電泵耦合舉升［1－6］。該舉升方式能有效利用氣藏能量，實(shí)現(xiàn)油氣同采，提高油田開(kāi)發(fā)效益［7－10］。由于井下智能氣舉閥是該工藝的核心工具，所以需要對(duì)進(jìn)入該閥的氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，通過(guò)地面耦合系統(tǒng)分析計(jì)算所需注氣量，并通過(guò)調(diào)整氣嘴大小改變進(jìn)氣量，從而達(dá)到較好的耦合效果的目的。

 

V 錐流量計(jì)在 20 世紀(jì) 80 年代中期由 FloydMcCall 提出，后期 Singh 和 Sapra 等通過(guò) CFD 對(duì) V錐流量計(jì)尾流流場(chǎng)進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)天津大學(xué)有關(guān)人員在 V 錐流量計(jì)前后直管段、錐角組合及支撐位置選取等方面做了深入研究。受限于差壓傳感器，目前還沒(méi)有成熟的井下氣體測(cè)試技術(shù)。筆者在解決了高耐壓差壓傳感器技術(shù)難題后，將 V 錐流量計(jì)用于井下智能氣舉閥中對(duì)氣體流量進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)軟件模擬及試驗(yàn)得出適合于該氣舉閥的較好的直徑比 β，解決了井下氣體流量測(cè)試的難題。這對(duì)提高該類(lèi)井的舉升效率和較終采收率具有重要意義。

 

1 技術(shù)分析

1. 1 智能氣舉閥整體結(jié)構(gòu)

智能氣舉閥是整個(gè)井下工具的核心組成部分，主要由上接頭、下接頭、V 錐流量計(jì)、一體化可調(diào)氣嘴、單流閥、壓力溫度傳感器及電路部分組成，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

 

該智能氣舉閥被安裝在電泵上部，將地層產(chǎn)出氣作為氣源對(duì)管柱內(nèi)部液體進(jìn)行舉升。它通過(guò)單芯電纜與地面控制器連接，采集的數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳輸?shù)今詈吓e升軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析; 可以實(shí)現(xiàn)井下管柱內(nèi)外壓力、溫度及氣體流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可以接收地面指令實(shí)時(shí)對(duì)井下氣嘴進(jìn)行調(diào)節(jié)，以氣體調(diào)整舉升力。V 錐流量計(jì)作為該氣舉閥的核心結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用到井下儀器中，用于井下氣體流量的測(cè)試。

 

1. 2 V 錐氣體流量計(jì)

流體流經(jīng)錐體時(shí)，通過(guò) V 錐節(jié)流使流體在 V錐前后形成壓差，用差壓傳感器測(cè)試節(jié)流前后壓差，計(jì)算得到測(cè)試流量。與標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴和文丘里管相比，V 錐所需的前后直管段較短，取壓孔處的壓力信號(hào)頻率高、振幅低，能減弱機(jī)械振動(dòng)信號(hào)對(duì)流量測(cè)量的干擾，適用于井下環(huán)境［11－13］。目前廣泛應(yīng)用的差壓傳感器較大耐壓等級(jí)為20 MPa，通過(guò)對(duì)差壓傳感器內(nèi)部芯片進(jìn)行改進(jìn)，將傳感器耐壓等級(jí)提高到 60 MPa，滿(mǎn)足井下測(cè)試需求。因此，將 V 錐氣體流量計(jì)首次應(yīng)用于智能氣舉閥中對(duì)井下氣體流量進(jìn)行測(cè)試。

 

1. 3 V 錐流量計(jì)測(cè)量原理

V 錐流量計(jì)通過(guò)測(cè)試節(jié)流前后的壓差，結(jié)合 V錐與流道的等效直徑比 β，計(jì)算出被測(cè)流體的流量。設(shè)管道內(nèi)徑為 D，節(jié)流錐體較大節(jié)流橫截面直徑為 d，則等效直徑比 β 的計(jì)算公式為:

 

式中: S1 為錐體較大節(jié)流橫截面積，mm2; S2 為管道橫截面積，mm2。

 

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(jì)算公式為:

 

式中: Δp 為錐體節(jié)流前后壓差，Pa; qv 為被測(cè)流體流量，m3 /s; ρ 為被測(cè)流體密度，kg /m3。

 

1. 4 井下 V 錐流量計(jì)

對(duì)于常規(guī) V 錐流量計(jì)，當(dāng)氣體流量超過(guò)測(cè)試量程后，會(huì)造成傳感器的損壞。為避免井下氣體對(duì)流量計(jì)的損壞，設(shè)計(jì)了 V 錐緩沖裝置。該裝置設(shè)有壓縮彈簧，如圖 2 所示。

 

當(dāng)大流量氣體進(jìn)入通道后，氣體會(huì)推動(dòng) V 錐壓縮緩沖彈簧，使 V 錐系統(tǒng)整體向后移動(dòng)，當(dāng)節(jié)流面移動(dòng)到錐后取壓孔后方時(shí)，兩取壓孔壓力平衡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)差壓傳感器的保護(hù)。

 

2 V 錐流量計(jì)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

V 錐流量計(jì)的測(cè)試精度和 V 錐與流道的等效直徑比 β 密切相關(guān)，為確定適合該智能氣舉閥的β，通過(guò)有限元模擬計(jì)算的方式對(duì) V 錐截面直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

 

2. 1 V 錐流量計(jì)節(jié)流流場(chǎng)分析

對(duì) V 錐節(jié)流流道進(jìn)行建模分析，并采用網(wǎng)格生成器 MESHTOOL 對(duì)其進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。在管壁上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，以觀察流體壓力沿管壁的分布情況。

 

圖 4 為流道沿線壓力分布情況。流體從入口進(jìn)入管道內(nèi)部，壓力會(huì)產(chǎn)生較小波動(dòng)，在 V 錐節(jié)流處，流道截面變小，流體流速加快，壓力迅速降低。在流體流過(guò)節(jié)流處后，流體流速減慢，壓力逐步回升到一個(gè)穩(wěn)定值，并且與節(jié)流前相比會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的壓差。該壓差大小與入口壓力、入口速度及 V 錐與流道的等效直徑比 β 等相關(guān)。圖 5 和圖 6分別為流道內(nèi)部壓力及速度分布圖。

 

2. 2 等效直徑比 β 優(yōu)選

將過(guò)流管道內(nèi)徑 D 設(shè)計(jì)為 25 mm，為保證測(cè)試精度及測(cè)試量程，需要對(duì)錐體較大節(jié)流直徑進(jìn)行

優(yōu)選。當(dāng)錐體較大節(jié)流直徑 d 較大時(shí)，有效地減小了過(guò)流面積，造成較大的節(jié)流壓差，便于差壓傳感器的測(cè)試，但過(guò)小的過(guò)流面積會(huì)導(dǎo)致能量損失較大，使過(guò)流量減小; 當(dāng)錐體較大節(jié)流直徑較小時(shí)，過(guò)流面積較大，便于被測(cè)流體通過(guò)，但節(jié)流壓差較小，影響測(cè)試精度。分別對(duì) d = 22. 0、23. 5 和 24. 0mm 時(shí)壓差與氣體流量的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果如圖 7 所示。

 

從圖 7 可見(jiàn): 當(dāng) d = 22. 0 mm、流量達(dá)到 40m3 /h 時(shí)，造成的節(jié)流壓差較小為 16 kPa 左右，當(dāng)排量小于 10 m3 /h 時(shí)節(jié)流壓差不明顯，無(wú)法進(jìn)行測(cè)試; 當(dāng) d = 24. 0 mm、排量達(dá)到 40 m3 /h 時(shí)，造成的節(jié)流壓差較大為 68 kPa 左右，當(dāng)排量大于 20m3 /h 時(shí)壓差與流量關(guān)系曲線趨于一條直線，與實(shí)際測(cè)試結(jié)果誤差較大; 當(dāng) d = 23. 5 mm 時(shí)，壓差與流量關(guān)系曲線為一條二次曲線，符合實(shí)際測(cè)試結(jié)果。因此，將 d 選為 23. 5 mm，進(jìn)而計(jì)算得到 V 錐與流道的等效直徑比 β = 0. 341。

 

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為驗(yàn)證智能氣舉閥 V 錐流量計(jì)測(cè)試的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)該 V 錐流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表 1 所示。從表 1 可知: 當(dāng)氣體排量小于 10 m3 /h時(shí)，氣體流速較慢，V 錐前后壓差不明顯，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的誤差較大，較大值為 5. 746%; 當(dāng)氣體流量在 10 ～ 40 m3 /h 時(shí)，該流量計(jì)測(cè)試值較準(zhǔn)確，誤差在 1. 000%以?xún)?nèi); 當(dāng)氣體流量大于 40 m3 /h 時(shí)，測(cè)試誤差又變大。因此，該流量計(jì)測(cè)試準(zhǔn)確范圍在10～40 m3 /h，誤差小于 1. 000%，滿(mǎn)足井下工況和氣舉閥測(cè)試需求。試驗(yàn)結(jié)果為氣舉閥的調(diào)節(jié)提供了數(shù)據(jù)參考。

 

4 結(jié) 論

( 1) V 錐流量計(jì)在智能氣舉閥中的應(yīng)用解決了井下氣體流量測(cè)試的難題，它能夠?qū)M(jìn)入氣舉閥的氣體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)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。

( 2) 通過(guò)建模及試驗(yàn)得到了適合該氣舉閥的較好的直徑比，即 β = 0. 341。

( 3) 當(dāng)氣舉閥的流量為 10 ～ 40 m3 /h 時(shí)，測(cè)試誤差小于 1. 000%，能夠滿(mǎn)足井下測(cè)試需求。

( 4) V 錐流量計(jì)在智能氣舉閥的成功應(yīng)用，為油氣同采井提供了技術(shù)保障，對(duì)于提高該類(lèi)井的舉升效率和較終采收率具有重要意義。

 

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