多相流態井下參數模擬裝置實驗研究

摘要：井下多參數監測工具主要用于測量流量、壓力、溫度、含水率等參數，鑒于此，設計了一種模擬實驗裝置，旨在模擬井下油水兩相流體動態環境，可精準調節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和關鍵技術參數，并可實現精細數字化可視化模擬呈現，從而對監測工具的精度進行驗證和標定，進而實現監測工具各參數的精準監測和數據分析。

關鍵詞：多參數監測工具；油水兩相；實驗模擬

中圖分類號：TE933? ? 文獻標志碼：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階段，鉆井技術的發展方向必然趨向于自動化、智能化，鉆井監測技術也將隨之向高效、全面、深入的方向發展。目前，油田大多采用的生產測井儀器和井下壓力檢測技術，雖有一定的效果，但仍然存在一些例如監測時間短、檢測數據不穩定、不全面等問題[1-3]。

針對油田井下動態監測現存的這些問題，研發出一種井下多參數監測工具，可在正常作業狀態下長期實時監測井下生產動態，實現井下生產全過程監測的目的[4-5]。

本文制定了一套模擬井下油水狀態的實驗系統，在監測工具投入使用前，對其檢測效果進行實時驗證，以確保該監測工具在油田開發中能成功應用，為油田提高產量和長遠的開發提供新的技術支撐。

井下多參數監測工具如圖1所示。

該工具包括連接短節、含水儀、鎧裝線纜，內部裝有內外壓力傳感器、流量計等，下入井中后，檢測井下流量、壓力、溫度等參數，經電纜將檢測的電信號傳送到地面的控制采集系統。由該系統進行供電及信號數據的處理、控制[6]。

1? ? 油水兩相流流態特性模擬實驗裝置

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，還是對實際操作數據的驗證，都占據著重要的地位，對多相流的檢測問題至關重要，多相流檢測技術是解決該問題最有效、最直接的方法。雖然目前已經研制出可以在工業現場應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。

本文中兩相流流態特性模擬裝置，用于模擬井下油水兩相流體環境，可控制調節兩相流中不同的含水率、含油率、溫度、壓力、流量，通過硬、軟件調試運行，實現對流程中各數據的實時采集、顯示、處理、存儲等功能。將井下多參數監測工具安裝在該實驗系統內，從而對其進行精度標定。

1.1? ? 兩相流流態特性模擬裝置及流程圖

兩相流流態特性模擬流程如圖2所示，兩相流流態特性模擬裝置如圖3所示。

1.2? ? 兩相流流態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

油水兩相流流態特性模擬裝置用于對井下多參數監測工具的流量、壓力、溫度、持水率等參數進行標定，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組成，采用模塊化控制，所測得實驗數據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（程序設定）系統檢測流量壓力穩定，主泵開始增壓（0～10 MPa）通過調節電動調節閥實現流量控制，同時采樣閥檢測油水比例，動態調整攪拌罐油水比例，油液通過監測工具后的調節閥實現整個系統背壓工作。整個系統可手動/自動運行采集數據實時記錄、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控系統的配套產品，安裝于井下多參數監測工具的前、后位置，用于對監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、穩定性好等特點，與計算機及控制系統聯用，可實現測試過程的自動化測量與控制。

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

4）含油含水測試儀。通過電磁波發射器將電能以穩頻恒幅的電磁波發射到油水混合液中，再根據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、性能穩定，不受介質密度、粘度、壓力等因素的影響。

掌握油中含水量的變化，準確、及時計量油井產量，對掌握油藏狀況，制定生產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鍵的指標。

5）控制及采集系統。其主要由控制電腦和PLC控制柜及軟件組成。PLC控制柜內裝自動空氣開關、真空接觸器、電流/電壓互感器構成主回路；由啟停按鈕、選擇開關、PLC構成控制回路，可實現啟/停機組和過載、欠載、短路、單相等保護功能，增加系統的安全可靠性。柜上的電流記錄儀、信號燈、電壓表構成測量和顯示部分，可以直讀觀察和記錄機組運行電流，便于分析運行性能。控制及采集系統可實現整套模擬裝置的供電、電氣保護以及相關參數的測量和顯示，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）；

4）油流量計的測量范圍：24～240 m3/d（流量可調）；

5）可精準測量和調節流程中含水量（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（介質溫度范圍：-20～80 ℃）等功能；

6）油水在進入井下多參數監測工具前進行充分混合，可實現閉路循環，閉路精準調節油水混合比，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）數據采集軟件：具備實時采集傳輸、存儲數據等功能，形成曲線圖；

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

9）通過調節流量控制閥和壓力控制閥，控制壓力和流量的變化監測；

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、溫度等數據監測的顯示值、存儲；

11）測試平臺為一體式集裝箱設計模式，便于運輸，具有安全防護和防雨功能。

1.3? ? 兩相流流態特性模擬裝置的主要技術參數

兩相流流態特性模擬裝置的主要技術參數如表1所示。

2? ? 實驗過程及結果

通過上文的兩相流流態特性模擬裝置實驗，探究管路上各儀表所采集到的數據與井下多參數監測工具所采集的數據是否一致。實驗結果如表2所示。

由表2可得，模擬裝置管路上各儀表所采集到的數據與井下多參數監測工具所采集的數據基本一致，證明無論井下工況如何，井下多參數監測工具均能精確地監測和采集數據。

3? ? 結論

1）本文中兩相流流態特性模擬裝置，用于模擬井下油水兩相流體環境，可以調節兩相流中不同的含水率、含油率、溫度、壓力和流量；

2）通過實驗發現模擬裝置管路上各儀表所采集到的數據與井下多參數監測工具所采集的數據一致；

3）該實驗驗證了井下多參數監測工具的準確性和可靠性。

[參考文獻]

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[6] 鄭珊珊.油田開發動態分析中油水井動態監測資料的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2017，37（12）：122-123.

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。