氣舉采油多相流理論研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

吳 頻，王建寶，張文彬，吳 一

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

國內(nèi)油田區(qū)塊隨著常規(guī)方式不斷開采，原油重質(zhì)化、稠油高黏、易乳化等特性使其采輸更具挑戰(zhàn)性。此時稠油摻稀降黏、氣舉采油技術(shù)以其明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢在國內(nèi)廣泛應(yīng)用。但針對降黏混合均勻度、氣液混合流體流動特性、降黏減阻效果、氣液混合流體穩(wěn)定性、摻混前后的流動壓降等因素尚缺乏充分認(rèn)識。摻混量、摻混段混合長度等參數(shù)的確定急需理論指導(dǎo)與優(yōu)化。針對上述問題，進(jìn)行氣舉多相流動規(guī)律實(shí)驗(yàn)?zāi)M及理論研究，為稠油摻稀混氣采輸安全保障與節(jié)能增效提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐[1]。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究范圍

氣舉多相流理論研究實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為氮?dú)狻子秃妥詠硭ㄟ^實(shí)驗(yàn)裝置模擬實(shí)驗(yàn)來了解認(rèn)識流型，對氣舉井多相流的流型和數(shù)學(xué)公式進(jìn)行理論驗(yàn)證。氣舉多相流理論研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能，主要完成以下工作。

（1）大斜度井和稠油氣舉多相管流壓降與流型實(shí)驗(yàn)。

（2）12 m 長的流動參數(shù)變化范圍較廣的多相流動實(shí)驗(yàn)裝置。

（3）管直徑可變、內(nèi)管可旋轉(zhuǎn)、偏心度可調(diào)并可以上下運(yùn)動的垂直環(huán)空實(shí)驗(yàn)管路。

圖1 氣舉多相流實(shí)驗(yàn)方案流程

（4）內(nèi)管做行星運(yùn)動的環(huán)空實(shí)驗(yàn)裝置。

模擬實(shí)驗(yàn)錄取參數(shù)：流型、壓力梯度（壓降）、持液率、攜液量、壓力、壓差、溫度、氣液流量、氣液混合物密度、黏度。氣舉多相流實(shí)驗(yàn)方案流程如圖1 所示。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)

（1）系統(tǒng)裝置。總體尺寸14 000 mm×1000 mm×15 500 mm，管徑DN20、DN40、DN60、DN70，可實(shí)現(xiàn)0～90°任意角度的升降，以及手動和自動控制。能夠產(chǎn)生多相流動中大部分流動型態(tài)，即層狀流、波狀流、段塞流、氣泡流、團(tuán)狀流和霧狀流等。

（2）觀察及實(shí)驗(yàn)段。直管段長度12 m，管徑DN20、DN40、DN60、DN70，可用肉眼直接觀察到不同的流型，能測量壓力、溫度等參數(shù)。

（3）實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。空氣、水、白油。

（4）介質(zhì)流量。油、水的最大流量20 m3/h，空氣的最大流量350 m3/h。

（5）流量計(jì)測量范圍及精度。油、水流量計(jì)流量范圍0～20 m3/h，精度±0.5%。空氣流量計(jì)流量范圍0～350 m3/h，精度±1.0%。

（6）工作壓力。0.5 MPa。

（7）壓力表測量精度。普通的安全信號±0.1%，壓力損失計(jì)算段±0.01%。

（8）工作溫度。常溫～95 ℃。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要組成（圖2）

圖2 多相流動模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

（1）模擬透明井筒。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中模擬井筒（透明管）采用階梯式安裝，分別為U 形內(nèi)徑、Φ20 mm 透明GRE 管（或PE 塑料管），U 形內(nèi)徑、Φ40 mm 透明管，U 形內(nèi)徑、Φ60 mm 透明管，U 形內(nèi)徑、Φ70 mm 透明管。Φ70 mm 透明塑料管中安裝Φ20 mm 的轉(zhuǎn)動鋼管，用低速電機(jī)帶動。模擬井筒GRE 透明管采用內(nèi)固化一體成型工藝，由內(nèi)部加溫，經(jīng)高強(qiáng)纖維紗、環(huán)氧樹脂，以及固化劑混合而成的材料纏繞。在內(nèi)部對產(chǎn)品產(chǎn)生固化，樹脂含量高，密度大，具有良好的水力流動性，防腐蝕性以及氣泡含量相對較少且口徑最大的特點(diǎn)。

井筒透明管支架為階梯式結(jié)構(gòu)，最下部為鋼性高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，模擬透明井筒及其他測量儀器和管路閥門安裝在支架上，支架采用型鋼焊接成鋼架結(jié)構(gòu)，確保其不變形，長約15 m，分為兩段，用銷軸連接，底部布置有4 對腳輪，確保其承重和運(yùn)行的平穩(wěn)性。上部兩層階梯式結(jié)構(gòu)采用間斷式布置，既可起支撐作用，又可減輕支架自身重量作用。承受支架立起時重量的腳輪，裝配在側(cè)面，共兩對。

（2）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行軌道。支架行走軌道采用鐵道鋼軌，滾輪在鋼軌上移動時，確保其不脫軌，滾輪兩側(cè)有輪緣。支架的升起采用電動絞車，為保證起吊支架時的平衡性，鋼絲繩的起吊扣采用4 個連接點(diǎn)在支架的一側(cè)面，成塔形布置。

（3）氣體處理器。為應(yīng)對潛油電泵在含氣井中易出現(xiàn)氣鎖的現(xiàn)狀而開發(fā)。通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面使葉導(dǎo)輪能夠減少對氣液的離心作用，防止葉導(dǎo)輪中的氣液分離；另一方面造成氣體稀釋于液體中；第三方面，由于氣體處理器采用葉導(dǎo)輪的多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，多級增壓作用的存在，使得氣體含量逐漸減少。通過以上3 方面的作用，使得氣液兩相流的流動性如同單相流，氣體處理器具備比普通潛油泵更高的攜氣能力。

（4）氣體混合器。作用是將一定比例的氣、液混合后輸出。其外形為一圓筒形，直徑130 mm，長度460 mm，進(jìn)液口直徑72 mm，注氣口處管道直徑1 寸。氣液混合器兩端與整個系統(tǒng)采用法蘭連接。配置該規(guī)格氣液混合器可實(shí)現(xiàn)1000 m3/d 液體和800 m3/d 氣體同時混合輸送。氣液入口前端均安裝有控制閥門和流量計(jì)，可按照排量要求范圍設(shè)置多路通道，提高測量精度。

（5）數(shù)據(jù)的采集處理。可通過溫度傳感器、壓力傳感器、差壓傳感器、空隙率變送器、流量變送器，采集溫度、壓力、壓差、空隙率、流量信號，通過數(shù)據(jù)采集卡連接計(jì)算機(jī)。軟件在Windows10 環(huán)境下運(yùn)行，采用Delphi7.0 編程。根據(jù)用戶要求處理各種數(shù)據(jù)。

（6）多相流流量測量。配置一種油氣水多相流電磁相關(guān)法測量模型，可以測量以水為連續(xù)相的兩相流或多相流流量。該流量計(jì)很大程度上擴(kuò)展了油氣水多相流流量測量中油氣含率的量程范圍，且能保持較高的測量精度[3]。

（7）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體安裝。模擬井筒管道及其支承鋼架的運(yùn)移（上移和下滑）在臥式軌道和立式軌道上進(jìn)行。當(dāng)玻璃管及其支承鋼架處于垂直位置需牽移到水平位置時，除上部固結(jié)在行車上的鋼絲繩釋放使其利用自重下滑，還需在開始未下滑前在下部向右施加一個水平力。水平力的施加采用電動絞車實(shí)現(xiàn)，從安全角度考慮，為保證水平力施加的安全性，在右端設(shè)計(jì)一個定滑輪，用鋼絲繩引至左端無支架的工作室，電動絞車在左端無支架的工作室實(shí)施。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）準(zhǔn)確測取壓力、壓差、溫度、氣相流量、液相流量、空隙率、流動形態(tài)等參數(shù)，測量儀表精度為0.5 級。

（2）可配備公共氣體和液體供給設(shè)備，工作壓力穩(wěn)定，流量可調(diào)，振動小，噪聲低。

（3）配備32 通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（4）實(shí)驗(yàn)管路可視性高，可以清楚觀察到管內(nèi)流動現(xiàn)象，如多相流管路中的層狀流、波狀流、間歇流、泡狀流、分散氣泡流和環(huán)霧狀流等流動形態(tài)。利于通過透明實(shí)驗(yàn)管路的觀察和儀器檢測，判斷不同氣液流動參數(shù)下的流型。得到確定流型轉(zhuǎn)換的模型。研究氣液兩相流動型態(tài)規(guī)律。

（5）實(shí)驗(yàn)裝置自動化程度高，氣相流量和液相流量均需要利用電動閥門自動調(diào)節(jié)。

（6）實(shí)驗(yàn)中利用吊車吊起實(shí)驗(yàn)架一端，形成不同傾角（0～90°）的傾斜管路。在實(shí)驗(yàn)室旁設(shè)立3 m、6 m、9 m 等3 層觀察走廊。

（7）模擬井筒管道平直，管道內(nèi)徑均勻一致，管道連接處無臺階。

（8）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具備較強(qiáng)的應(yīng)變擴(kuò)展功能，滿足各種工況研究需求。

5 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

本模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2015 年建成以來，圍繞我國稠油、稀原油、柴油、LPG 為實(shí)驗(yàn)對象基礎(chǔ)，稠油摻稀混氣，采輸管內(nèi)油氣水混合液的摻混特性、擴(kuò)散特性、多相流動特性、反相特性及邊界層變化規(guī)律，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)理論分析。得出多項(xiàng)具有應(yīng)用價值的理論數(shù)據(jù)模型，例如，稠油摻稀混氣降黏效果評價及采輸?shù)目尚行匝芯浚瑲庀嘣诔碛椭械娜芙舛取嚎s系數(shù)、流行變化、兩相流動規(guī)律及多相流動規(guī)律等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。