V 錐流量計在智能氣舉閥中的應用
發布時間：2019-06-19 發布作者：
摘要: 為解決井下氣體流量測試難題，將 V錐流量計置于智能氣舉閥中，對氣體流量進行測試。為避免井下氣體排量波動對流量計的損壞，設計了 V 錐緩沖裝置。通過有限元分析及試驗方法對 V 錐等效直徑比進行模擬分析及優化試驗。研究結果表明: V 錐流量計的測試精度和 V 錐與流道的等效直徑比 β 密切相關; 當錐體較大節流直徑為 23. 5 mm，可以得到適合智能氣舉閥的較好的等效直徑比 β = 0. 341; 當氣舉閥的流量為 10～40 m3 /h 時，測試誤差小于 1. 000%，能夠滿足井下測試需求。V 錐流量計在智能氣舉閥的成功應用為油氣同采井提供了技術保障，對于提高該類井的舉升效率和較終采收率具有重要意義。
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，研發了電泵與氣舉組合舉升技術，該技術可利用現有氣源與電泵進行氣舉－電泵耦合舉升［1－6］。該舉升方式能有效利用氣藏能量，實現油氣同采，提高油田開發效益［7－10］。由于井下智能氣舉閥是該工藝的核心工具，所以需要對進入該閥的氣量進行實時測試，通過地面耦合系統分析計算所需注氣量，并通過調整氣嘴大小改變進氣量，從而達到較好的耦合效果的目的。
V 錐流量計在 20 世紀 80 年代中期由 FloydMcCall 提出，后期 Singh 和 Sapra 等通過 CFD 對 V錐流量計尾流流場進行研究。國內天津大學有關人員在 V 錐流量計前后直管段、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，目前還沒有成熟的井下氣體測試技術。筆者在解決了高耐壓差壓傳感器技術難題后，將 V 錐流量計用于井下智能氣舉閥中對氣體流量進行測試，并通過軟件模擬及試驗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試的難題。這對提高該類井的舉升效率和較終采收率具有重要意義。
1 技術分析
1. 1 智能氣舉閥整體結構
智能氣舉閥是整個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、一體化可調氣嘴、單流閥、壓力溫度傳感器及電路部分組成，結構如圖 1 所示。
該智能氣舉閥被安裝在電泵上部，將地層產出氣作為氣源對管柱內部液體進行舉升。它通過單芯電纜與地面控制器連接，采集的數據被實時傳輸到耦合舉升軟件進行數據分析; 可以實現井下管柱內外壓力、溫度及氣體流量等參數的實時監測，并可以接收地面指令實時對井下氣嘴進行調節，以氣體調整舉升力。V 錐流量計作為該氣舉閥的核心結構首次應用到井下儀器中，用于井下氣體流量的測試。
1. 2 V 錐氣體流量計
流體流經錐體時，通過 V 錐節流使流體在 V錐前后形成壓差，用差壓傳感器測試節流前后壓差，計算得到測試流量。與標準孔板、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頻率高、振幅低，能減弱機械振動信號對流量測量的干擾，適用于井下環境［11－13］。目前廣泛應用的差壓傳感器較大耐壓等級為20 MPa，通過對差壓傳感器內部芯片進行改進，將傳感器耐壓等級提高到 60 MPa，滿足井下測試需求。因此，將 V 錐氣體流量計首次應用于智能氣舉閥中對井下氣體流量進行測試。
1. 3 V 錐流量計測量原理
V 錐流量計通過測試節流前后的壓差，結合 V錐與流道的等效直徑比 β，計算出被測流體的流量。設管道內徑為 D，節流錐體較大節流橫截面直徑為 d，則等效直徑比 β 的計算公式為:
式中: S1 為錐體較大節流橫截面積，mm2; S2 為管道橫截面積，mm2。
根據連續性方程和伯努利方程推導出管道流量qv 的計算公式為:
式中: Δp 為錐體節流前后壓差，Pa; qv 為被測流體流量，m3 /s; ρ 為被測流體密度，kg /m3。
1. 4 井下 V 錐流量計
對于常規 V 錐流量計，當氣體流量超過測試量程后，會造成傳感器的損壞。為避免井下氣體對流量計的損壞，設計了 V 錐緩沖裝置。該裝置設有壓縮彈簧，如圖 2 所示。
當大流量氣體進入通道后，氣體會推動 V 錐壓縮緩沖彈簧，使 V 錐系統整體向后移動，當節流面移動到錐后取壓孔后方時，兩取壓孔壓力平衡，從而實現對差壓傳感器的保護。
2 V 錐流量計關鍵參數優化設計
V 錐流量計的測試精度和 V 錐與流道的等效直徑比 β 密切相關，為確定適合該智能氣舉閥的β，通過有限元模擬計算的方式對 V 錐截面直徑進行優化設計。
2. 1 V 錐流量計節流流場分析
對 V 錐節流流道進行建模分析，并采用網格生成器 MESHTOOL 對其進行智能網格劃分，如圖3 所示。在管壁上設置觀測點，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。流體從入口進入管道內部，壓力會產生較小波動，在 V 錐節流處，流道截面變小，流體流速加快，壓力迅速降低。在流體流過節流處后，流體流速減慢，壓力逐步回升到一個穩定值，并且與節流前相比會產生一個穩定的壓差。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。圖 5 和圖 6分別為流道內部壓力及速度分布圖。
2. 2 等效直徑比 β 優選
將過流管道內徑 D 設計為 25 mm，為保證測試精度及測試量程，需要對錐體較大節流直徑進行
優選。當錐體較大節流直徑 d 較大時，有效地減小了過流面積，造成較大的節流壓差，便于差壓傳感器的測試，但過小的過流面積會導致能量損失較大，使過流量減小; 當錐體較大節流直徑較小時，過流面積較大，便于被測流體通過，但節流壓差較小，影響測試精度。分別對 d = 22. 0、23. 5 和 24. 0mm 時壓差與氣體流量的關系進行試驗分析，結果如圖 7 所示。
從圖 7 可見: 當 d = 22. 0 mm、流量達到 40m3 /h 時，造成的節流壓差較小為 16 kPa 左右，當排量小于 10 m3 /h 時節流壓差不明顯，無法進行測試; 當 d = 24. 0 mm、排量達到 40 m3 /h 時，造成的節流壓差較大為 68 kPa 左右，當排量大于 20m3 /h 時壓差與流量關系曲線趨于一條直線，與實際測試結果誤差較大; 當 d = 23. 5 mm 時，壓差與流量關系曲線為一條二次曲線，符合實際測試結果。因此，將 d 選為 23. 5 mm，進而計算得到 V 錐與流道的等效直徑比 β = 0. 341。
3 室內試驗
為驗證智能氣舉閥 V 錐流量計測試的準確性，在實驗室對該 V 錐流量計進行測試，測試結果如表 1 所示。從表 1 可知: 當氣體排量小于 10 m3 /h時，氣體流速較慢，V 錐前后壓差不明顯，實測值與計算值的誤差較大，較大值為 5. 746%; 當氣體流量在 10 ～ 40 m3 /h 時，該流量計測試值較準確，誤差在 1. 000%以內; 當氣體流量大于 40 m3 /h 時，測試誤差又變大。因此，該流量計測試準確范圍在10～40 m3 /h，誤差小于 1. 000%，滿足井下工況和氣舉閥測試需求。試驗結果為氣舉閥的調節提供了數據參考。
4 結 論
( 1) V 錐流量計在智能氣舉閥中的應用解決了井下氣體流量測試的難題，它能夠對進入氣舉閥的氣體流量進行實時、準確的測量，為氣舉閥氣嘴的調整提供了基礎數據，從而提高了舉升效率。
( 2) 通過建模及試驗得到了適合該氣舉閥的較好的直徑比，即 β = 0. 341。
( 3) 當氣舉閥的流量為 10 ～ 40 m3 /h 時，測試誤差小于 1. 000%，能夠滿足井下測試需求。
( 4) V 錐流量計在智能氣舉閥的成功應用，為油氣同采井提供了技術保障，對于提高該類井的舉升效率和較終采收率具有重要意義。
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