气举试验基地多相流实验平台建设

廖锐全 (长江大学石油工程学院,湖北武汉430100)

李勇 (中石油吐哈油田分公司工程技术研究院,新疆鄯善838200)

宋建平 (长江大学石油工程学院,湖北武汉430100)

雷宇 (中石油吐哈油田分公司工程技术研究院,新疆鄯善838200)

气举试验基地多相流实验平台建设

廖锐全 (长江大学石油工程学院,湖北武汉430100)

李勇 (中石油吐哈油田分公司工程技术研究院,新疆鄯善838200)

宋建平 (长江大学石油工程学院,湖北武汉430100)

雷宇 (中石油吐哈油田分公司工程技术研究院,新疆鄯善838200)

针对当今多相管流预测技术所存在的一些局限,以建立一套具有国际先进水平的多相管流实验平台为目标,根据该平台所需解决的问题,设计出相关的实验平台装置,介绍了各个装置在此平台里的作用,并给出了这些装置所达到的技术指标。该平台能进行气水、气油、油水、油气水等多种流体,在0～90°倾角、常温～90℃、常压～3.5MPa、液流量0～500m3/d、液黏度0～1000mPa·s、气流量0～50000m3/d范围内的多相管流动态研究。借助此平台进行多相管流实验,可为油气田开发中的多相管流计算问题提供技术支持。

多相管流;实验装置;设计;流型

1 目的及意义

井筒多相管流动态预测是油井设计和分析的重要理论基础,对气举法采油尤为重要。尽管石油气液多相管流的研究已有半个多世纪的历史,但由于多相管流的复杂性等原因,多相管流预测技术还远不能满足气举应用的需要[1],还有许多需要研究的问题:

1)迄今多相管流的研究主要集中在水平和垂直管中,对不同倾角条件下的多相管流研究不够,目前能用的多相管流压力计算方法都为经验、半经验方法,都有一定的使用范围,超出一定范围后精度无保证。现有的计算方法在气液比比较高的情况下普遍计算不准。

2)迄今的研究大部分限于气液两相,室内试验大部分是以水和空气作为介质;其他研究通常将水和油处理成单液相,再考虑气液相问题。

3)迄今的多相管流研究主要以常规的液体为对象,很少考虑液体黏度变化。现有的多相管流压力计算方法一般仅限于黏度小于10mPa·s的液体,对于黏度较大的液体和气体的多相流动态的研究甚少。

我国吐哈气举技术中心等单位在前期的技术开发和推广应用方面取得了不俗的成绩,目前面临的任务一是对已应用气举技术油田进行精细化管理,以提高气举效率[2];二是要拓宽应用领域,解决中石油在国内外油田开采中面临的复杂深井、稠油井等的举升问题。要解决这些问题,都离不开多相管流研究取得的卓有成效的成果。建立多相管流实验室,开展多相管流研究,不仅对气举采油技术发展是重要的,而且对提高油气井的优化设计和动态分析水平,对油气集输技术的发展都具有非常重要的意义。

2 建设目标

建立一套具有国际先进水平的多相管流实验平台,为多相管流动态研究提供先进的手段,使其成为我国石油气液多相管流方面重要的实验研究和人才培养基地。在不同倾角、不同管径、不同温度等多种条件下,开展气水、气油、油水、油气水等不同介质的多相管流动态研究,为我国油气田开发技术的发展提供强有力的技术支持。

3 实验平台装置设计

多相管流实验装置能够在0～90°倾角范围内,开展油水、气水、油气水等不同介质的多相流实验,实验中能观测流型,能测各相持率、实验观测段的压力梯度、温度梯度。流型覆盖泡流、段塞流、扰流、环雾流等所有流型。

实验装置主要包括以下组成部分:①模拟管道;②油、气、水各相稳流调节、计量系统;③油、水混合器;④油、水混合液分离系统;⑤油、气、水流量计量检定系统;⑥电动绞车;⑦热力系统。

3.1 模拟管道

采用三模拟管并排布置,管内径分别为20、40、60mm,有效长度12m。要求每种管径安排透明管段2m,以便观察,其余为不锈钢管段。模拟管段不但能模拟直井工作状况,还能模拟斜井和水平井的工作状况,模拟管段可连续进行0～90°的倾斜,并保证运行平稳。

3.2 油、气、水稳流调节、计量系统

3.2.1 油、水稳流调节、计量系统

油、水稳流调节、计量系统的功能是分别采用独立的动力源,可分别自动调节计量油、水流量的大小,并使流量可长时间稳定在任意要求的流量值,从而确保油相和水相的精确配比率。为确保油、水流量可长时间稳定在任意要求的流量点,保证各相配比率稳定,油、水稳流系统的设计分为2大部分:一是恒压变流量部分,即从泵到稳压罐之间的系统部分;二是流量调节部分,即从稳压罐到管排。其目的是在管排各流量点测试时,为避免油、水源的压力波动而影响流量计的测试精度。

油、水离心泵在出口处设置一条由节流阀和电磁阀组成的回流支管,避免离心泵在小流量工作时离心油、水泵的发热。

通过对离心泵电机调频,使泵输出的压力和流量在设计要求范围内,再由稳压罐稳压后输出,以保证压力稳定。管排中各支管的流量调节是依靠同一支管分别串接相同精度的2套流量计,取其平均值来实施对调节阀开度的调节,从而确保油、水的配比率及精度。在管排至稳压罐的总管上配有1个滤网过滤器,1个电磁过滤器。过滤器的作用是使流体中各种杂质不能进入流量计内,以保证流量计的零件不会损坏。在流量计上游的直管段长度不小于30倍的管路公称管径,以消除偏流、旋转流和涡流对流量计精度的影响。

3.2.2 气稳流调节、计量系统

气稳流系统采用独立动力源,可自动调节气体的流量大小,并使流量可长时间稳定在任意要求的流量值,从而确保气相精确的配比率。

气稳流调节、计量系统中空压机为该系统的动力源,由它向储气罐充气,由储气罐经减压阀向管排中的支管供应稳压的气体,确保调节阀的气体压力稳定,保证调节精度及系统稳定性。各支管的流量调节通过串接在管路上的2套同精度的流量计来控制调节阀的开度以达到所需的气体流量。管路上的流量计上游直管段的长度同油、水稳流调节、计量系统。总管上并设有空气过滤器,以保护流量计与调节阀的正常工作。

3.3 油水混合器

可在200～500r/min之间调节以便进行液态模拟。

3.4 油、水混合液分离系统

油、水混合液分离系统的功能是将油、水、气三相混合流体,经气液分离器,分离出大部分气体之后流入分离罐组,经四级重力分离,气体从4个分离罐顶部的排气管道排入排气烟囱[3]。油、水得到充分分离后,再流入纯油、纯水罐,向油、水稳流系统提供符合要求的纯水和纯油。系统工作时混合液进入1#分离罐中部的进液口,即进入重力分离状态,分离罐为四级重力分离,各级分离的油、水流程为之字形,其目的是增加油和水的流程以达到充分的分离效果,确保在24h内油中水体积不高于1%。

3.5 油、气、水流量计量检定系统

3.5.1 油、水稳流系统中各流量计的计量检定

油、水稳流系统中的各流量计的计量检定采用JJG 164—2000《容积水流量标准装置检定规程》[4]。故该系统采用容积法来进行计量检定,精度为0.2级。

3.5.2 气稳流系统中各流量计的计量检定

气稳流系统中各流量计的计量检定采用钟罩式气体流量标准装置来进行,精度为0.5级。

3.6 电动绞车

电动绞车用来带动活动支架运行。电动绞车最大起吊重量为2000kg。

3.7 热力系统

设计的热力系统介质工作温度范围:常温～90℃。各油、水、分离罐内设有电加热管,总加热功率200k W,各罐、管线表面加保温层。整个系统工作温度由温度控制系统自动控制。

4 装置主要技术指标

1)装置主架总体尺寸15500mm×1300mm×17500mm,管径DN40～DN60～DN75(管径对应为40、60、75mm),0～90°内任意倾角度改变。

2)观察及测试管段:管段总长15m,观察段长度13m,可用肉眼直接观察和快速拍照观察不同的流型,沿程摩阻损失测量段≥8m,能测量压力、压差、温度、多相流黏度等参数。

3)实验介质:空气、水、白油(5号或7号)。

4)介质流量:油的最大流量20m3/h;水的最大流量20m3/h;空气最大流量35m3/min (0.8MPa),8m3/min(3.5MPa)。

5)实验用油最大黏度:1000mPa·s。

6)流量计测量范围及精度:油、水流量计范围0～20m3/h(精度±0.5%);测试管段沿程损失压力测量精度≤±0.04%;空气流量计流量范围0～35m3/min(精度±1%)。

7)气液工作压力:0.8MPa;3.5MPa。

8)压力表测量精度:普通压力信号±0.1%;压力损失计算段±0.01%～0.04%。

9)工作温度:常温～90℃;温度传感器测量精度±0.5%。

10)高速摄像仪:2000帧/s,分辨率1920×1080。

11)快关球阀关断时间:0.3～0.5s。

5 结语

随着气举法采油工艺技术的发展,对于井筒多相管流动态预测的精度和范围有了更高的要求,笔者提出了建立多相流实验平台的具体方案,并已在长江大学武汉校区投入建设。通过具体的多相流实验,能够对井筒多相管流动态预测进行更深入的研究,对于促进多相管流预测技术进步、满足气举等应用需要具有重要意义。

[1]张琪.采油工程原理与设计[M].东营:中国石油大学出版社,2000.23～33.

[2]刘百红,曹俊兴,周有新,等.吐哈油田油水气三相流实验装置及其应用[J].西部探矿工程,2006,18(3):97～99.

[3]廖锐全,曾庆桓,杨玲.采气工程[M].北京:石油工业出版社,2012.156～162.

[4]JJG 164—2000,液体流量标准装置检定规程[S].

[编辑] 黄鹂

TE355.3

A

1000-9752(2014)09-0129-03

2014-07-28

中国石油天然气集团公司科技基础条件平台建设项目。

廖锐全(1962-),男,1984年大学毕业,博士,教授,博士生导师,主要从事采油采气的教学和科研工作。