井下气体流量测试装置设计与试验

薛德栋，张凤辉，程心平，张玺亮，沙吉乐

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300457）

0 引言

当前渤海油田投入开发的油田中，存在大量的共生气藏，若能充分利用地层气能量，实现气举与电泵耦合举升有利于提高举升效率，从而可以提高最终采收率。根据以上背景，研发了海上油田电泵-智能气举耦合工艺，智能气举阀作为工艺的关键部件，其实时监测井下温度、压力、气体流量等参数，并能够根据地面指令进行气嘴开关大小的调节[1,2]。气体流量参数的测量及控制对整个耦合举升工艺系统的正常运转和资源的高效利用都有着极其重要的意义，是电泵-智能气举耦合工艺的关键参数。由于井下高温、高压环境及气体介质的可压缩性，一定体积下气体的密度受温度和压力的影响比较大，气体流量测试难度比液体介质测试更加复杂。井下气体流量测试研究为井下智能气举阀研究的难点，如何在高温、高压环境下实现气体流量的测量，是本文研究的重点。本文就井下智能气举阀气体流量测试技术及试验展开讨论，首次实现井下环境下气体测试。

常规地面气体测试技术主要采用标准节流差压式流量计、涡街流量计、均速管流量计等几种测试原理，根据井下气体流量大、工作环境压力大等特点，井下气体流量测试装置选用了标准节流差压式流量计[3-6]。

图1 井下智能气举阀电气原理框图Fig.1 Underground intelligent lift valve electrical schematic

1 井下智能气举阀

智能气举阀为整个井下工具核心组成部分。主要由流量传感器、温度、压力传感器及气嘴调节装置及电路部分组成。其通过温度、压力、流量传感单元实时感知井下参数并实时传输到井下单片机测控系统。单片机测控系统通过井下数据传输模块，通过单芯电缆将数据传输至地面监测系统，耦合举升软件进行数据分析。通过分析，得到气嘴最佳开度值及最佳注气值，并将数据反馈至井下处理单元。

井下单片机测控系统接收到地面指令，通过电机控制功放系统对井下气嘴电机进行调节，实现气嘴开度调整，实现注气量调节，从而提高电泵-智能气举耦合举升效率。智能气举阀电气原理如图1所示。

2 井下气体流量测试装置设计

2.1 气体流量测试装置选型

根据井下气体流量大，工作环境压力大等特点，井下气体流量测试装置选用了标准节流差压式流量计。目前常用的标准节流差压流量计主要节流件为孔板、长径喷嘴、V锥等形式。孔板流量计在高压冲刷状态下，形状易发生改变，影响测试精度，不适用于高压场合。长径喷嘴用于流量标定装置中，单个测试范围小，节流装置在测试小排量时节流压差小，测试精度受到影响。最终选定V锥流量计作为智能气举阀的井下气体流量方案，该方案成功解决了目前井下气体流量无法测试的难题。

V锥气体流量计主要工作原理是流体流经锥体时，通过V锥的节流造成流体在V锥前后形成压差，通过差压传感器测试节流前后压差，通过计算得到测试流量。V 锥流量计具有精度高、重复性好、受安装条件局限小、耐磨损等特点，被广泛的应用。V 锥流量计利用内装 V形锥体节流装置实现对流体的逐渐向管内壁面的收缩，使V锥流量计比传统节流式流量计具有压力损失小、量程大、小雷诺数下测量线性度高等优点。

图2 井下V锥流量计Fig.2 Underground V-cone flow meter

2.2 井下V锥流量计测试原理

井下智能气举V锥流量计结构如图2所示，高压气体通过气层进入测试通道，经过V锥后会产生压力差Δp，根据连续性方程和伯努利方程推导出管道流量qv的计算公式为

式（1）中：Δp为锥体节流前后压差，Pa；qv为被测体积流量，m3/s；ρ为被测流体密度，kg/m3。

其中等效直径比β的计算公式为

式（2）中：S1为锥体最大节流横截面积，mm2；S2为管道横截面积，mm2。

2.3 差压传感器

差压传感器是V锥气体流量计核心工具，能够对微小压力差进行检测并反馈，直接影响气体流量测试精度。本流量计选用EJA高精度传感器，其采用单晶硅谐振式传感技术，对于压力或温度的变化不存在滞后现象。单晶硅谐振式传感器将过压、温度变化和静压影响降为最低，长期稳定性高。

EJA高精度传感器参数如下：

测量范围：-1kPa～1kPa

测量量程：0.1kPa～1kPa

精度：±0.2%

输出信号：4mA DC～20mA DC

环境温度：-25℃～150℃

最大工作压力：100kPa

接液部件材质：膜盒SUS316L，（膜片：哈氏合金C-276）。

图3 气体流量测试装置结构流程图Fig.3 Flow chart of gas flow test device structure

3 井下气体流量测试装置检定试验

3.1 井下气体流量测试装置检定原理

井下气体流量测试装置就是将被测表与标准表进行比较，通过压力、温度补偿后对被测表进行流量标定的方法[7,8]。井下气体流量测试装置选用压缩机作为系统气源，将自由气体变为压缩气体，这是流量测试的基础。压缩气体流量与自由气体流量之间的换算关系为

其中：Qp为压缩气体流量；Qf为自由气体流量；Pp为压缩气体的绝对压力；Pf为自由气体的绝对压力；Tf为自由气体的热力学温度；Tp为压缩气体热力学温度。

流量检定过程中采用高精度压力、温度传感器进行温度、压力补偿后，可以得到标况下的流量值Qf。

3.2 井下气体流量测试装置检定装置组成

井下气体流量测试装置采用标准表法，将被测表和标准表利用气体管路串联，使之通过气体流量相同，通过比较标准表和被测表输出值进行标定，从而确定被测表参数。测试装置平台采用负压法产生气源系统，气源通过真空泵形成负压，气源经过泵的前端管道吸入泵，再由泵的后端管道排出。

将标准表和被测表接入于同一管路系统中，通过高精度温度、压力传感器，PLC控制系统采集标准表、被测表、压力传感器、温度传感器等参数，通过温度、压力标定及标准表读数，在气体流量稳定情况下，通过已知的标准表来确定待校流量对待校准表进行校准，以测试其性能。

3.3 标准表检定结论

通过标准检定装置检定，在温度为24℃，相对湿度为50%，压力为15MPa条件下，对井下气体流量测试装置进行检定，检定结果见表1。

通过试验结果表明，所设计的井下气体流量测试装置在24℃，15MPa环境下，标定误差均小于3%，能够准确地对井下气体流量进行测试，满足设计要求。

表1 井下气体流量测试装置进行检定数据表Table 1 Underground gas flow test device for verification data sheet

表2 井下气体流量测试装置试验井试验数据表Table 2 Underground gas flow test plant test well test well test data table

4 井下气体流量测试装置试验井试验

在室内标定的基础上，对井下智能气举阀进行了试验井试验，气举阀下入深度为360m，通过地面制氮设备进行注气模拟地层产气。通过制氮设备的标准表和井下气体流量计进行比对。

通过实验结果表明，该气体流量计在气体排量40m3/h～750m3/h时，井下气体流量测试装置误差最大为2.03%，能够满足井下工况，满足了气举阀测试的需求，为气举阀的调节提供了数据参考。

5 结论

通过气体流量计结构的选型，选用了V锥节流装置用于井下气体流量测试装置，实验表明，该装置能够对进入气举阀的气体流量进行实时、准确的测量。为气举阀气嘴的调整提供了基础数据，从而提高了举升效率，通过标定装置标定，其误差小于3%。通过现场实验验证表明，气举阀在流量值为40m3/h～750m3/h时，测试最大误差为2.03%，能够满足井下测试的需求。