油井出砂監測室內模擬實驗平臺構建

王 鍇， 劉 剛， 李祎宸， 張家林

(中國石油大學(華東) 石油工程學院， 山東 青島 266580)

油井出砂是困擾砂巖油田開采的世界級難題[1-3]，全世界約40%的油井存在出砂問題，致使產量和設備壽命大幅降低，油井出砂監測技術已成為保障油田開采安全順利實施的關鍵[4-5]，因此油井出砂監測理論與技術常作為石油類專業的本科生在參加大學生創新項目或者畢業設計時的選題內容[6]。

1 油井出砂監測方法

油井出砂監測方法可分為非植入式監測法[7]和植入式監測法，如圖1所示[8]。植入式出砂監測方法需要在生產管線內植入監測設備，改變原油流動路線，給現場生產帶來不便。非植入式出砂監測方法不需要改變現場流動管道，將體積較小的監測設備貼在生產管壁上，接收出砂信息，并將其傳遞給信號處理設備，非常適合海上平臺應用[9]。

油田相關企事業單位所需要的石油類專業畢業生應當具備工程實踐能力，在工作場所可以綜合應用所學的理論知識和技能、創造性地完成工作[10-11]。為了培養學生綜合運用所學知識，結合實際獨立完成課題的工作能力，需要給學生提供相應的實踐教學設備[12]。對于油井出砂監測理論與技術相關的內容，出于人身安全考慮，難以在油田現場給學生提供實踐平臺，而目前也缺乏相應的實踐教學設備。

圖1 油井出砂監測方法

因此，基于油井出砂監測流程，研發了適用于油井出砂的實驗室內模擬平臺，學生可以利用該平臺模擬不同條件下的出砂工況，如模擬不同砂礫尺寸、含量、密度在不同黏度油品、含水率、溫度、壓力、排量等條件下的出砂工況，并利用非植入式出砂監測法針對油井出砂現象直觀地學習油井監測流程和方法。這不僅可以使學生運用所學知識，結合實際項目獨立完成課題設計，而且可以提高學生學習的積極性，激發創新想法，鍛煉學生思考和動手能力，提高教學質量，達到大學生創新項目和畢業設計項目訓練目的，為有志于進一步深造的學生提供課題研究的學習方法和實驗基礎。

2 油井出砂監測室內模擬平臺設計

油井出砂監測室內模擬實驗平臺是一種基于含砂多相流體流動，提供多相流中固相砂礫含量監測的室內評價裝置，該平臺可以模擬不同工況下的標準出砂量，提供彎管處原油特性觀察窗，加裝復配油品(單相流、多相流)后循環多次使用，為油井出砂監測系統提供可靠的、穩定的校準與完善平臺。油井出砂監測室內模擬實驗平臺主要包括多相流體流動循環系統和測量系統，如圖2所示。

出砂監測系統采用自主研發的非植入式出砂監測設備，主要包括高頻加速度傳感器、信號采集儀、計算機、電纜等，如圖3所示。高頻加速度傳感器接收砂粒撞擊信號，信號采集儀將傳感器接受的信號進行濾波、放大、模數轉換等處理，轉化為數字信號輸送至計算機；計算機中安裝有自主研發的出砂監測軟件，對出砂信號進行處理。

3 油井出砂監測室內平臺硬件系統

3.1 多相流體混合裝置設計

為保證多相含砂流體在管路中穩定循環，需提供儲存多相流體的裝置。在循環系統中，提供了2個容積均為90 L的儲液罐，見圖4(a)，左邊的儲液罐提供多相流多次循環回路，即多相流體流出左邊的儲液罐，流經不同管路后，最終油回到該儲液罐中；右邊的儲液罐和左邊的儲液罐組成罐-罐之間的單次回路，滿足多相流實現單次循環的實驗條件。為保證砂礫在多相流中充分混合，在儲液罐上蓋設計安裝攪拌器，如圖4(b)所示，其中紅色圈內為攪拌器電機(具體參數見表1)，其中藍色圈內為螺旋槳式攪拌葉輪，采用上下剛性軸同步安裝方式，選取材料為304不銹鋼，滿足攪拌流體與砂礫均勻混合時視黏度與結構黏度比η/ηk≤0.7的強度要求。

表1 攪拌器電動機參數

圖4 多相流混合儲液罐設計圖和攪拌器實物圖

在儲液罐兩側對稱安裝加熱棒，采用不銹鋼材料以保證堅固和耐用性，加熱功率為2 kW，可以滿足90 L多相流體的加熱，如圖5(a)所示。如圖5(b)所示，在混合罐正面安裝有體積計和溫度計，其中通過溫度計可以監測儲液罐內的溫度變化，其中體積計采用與儲液罐聯通的U行管，以實時觀察儲液罐內液面高度。

圖5 安裝在儲液罐壁上的加熱棒及體積計和溫度計

3.2 實驗平臺動力部分關鍵部件優選

為保證多相流體在管路中以精確的流速穩定流動，優選了變頻器、變頻電機和螺桿泵，如圖6所示。

圖6 變頻器及電機和螺桿泵

通過調節變頻器的頻率控制三相異步電機的轉速。轉速與頻率的計算關系為

n=60·f(1-s)/p

(1)

其中，n為電機轉速，f為變頻器頻率，s為電機轉差率，p為電機極對數。三相異步電機的參數見表2。

表2 三相異步電動機基本參數

泵為攜砂多相流體提供動力，需要考慮砂礫對泵的磨損效應以及對流體輸運的穩定性、低噪聲、小振幅等影響，最終優選單螺桿泵為攜砂多相流體的輸運提供動力。與容積泵、葉輪泵相比，螺桿泵具有介質適應能力強、流動平穩連續、不破壞輸送介質固有結構、可調節、噪聲低、適合輸運高黏度含固體顆粒介質等優點[13-14]。選取的螺桿泵具體參數見表3。

表3 G40-2單螺桿泵參數表

通過調節變頻器的頻率值，結合G40-2單螺桿泵的最大流量值，可得到5個常用頻率下，螺桿泵的轉速和螺桿泵的流速值，見表4。

表4 不同頻率螺桿泵參數

3.3 實驗平臺管路設計

當流體流經管道和閥門時，流動會產生一定阻力，其根本原因是流體流動特性[15]。流體在水平管內產生的阻力為沿程阻力，用hf表示沿程水頭損失。流體通過閥門產生的阻力為局部阻力，用hj表示局部水頭損失。全流程的水頭損失hw為所有流程水頭損失與所有局部水頭損失之和:

hw=Σhf+Σhj

(2)

由于攜砂多相流體為非牛頓流體，因此流動阻力產生的原因是流體自身的慣性和黏性。實驗段管路長度L=4.7 m，水力摩阻系數λ=0.077 5，則水頭損失hf為

(3)

式中，υ為流體流速，D為管道內徑，g為重力加速度。

局部阻力系數：彎管處ξ1=0.5，閥門處ξ2=7.0。循環系統共有8個彎管，1個閥門，局部水力損失hj為

(4)

計算得到流程的水頭損失hw=60.34 m，循環系統出口壓強p為

p=hw=0.58 MPa

(5)

式中γ為介質重度。

計算得到循環系統至少需要0.58 MPa壓力，所選螺桿泵壓力為1.2 MPa，外徑34 mm、內徑25 mm的304不銹鋼管抗內壓均大于25 MPa，因此從內部因素角度出發所選泵型、鋼材、管路設計滿足要求。

為了能直觀地觀察攜砂流體在傳感器安裝位置附近的流動狀態，特別設計了一種以透明有機玻璃為原材料的透明彎管，該透明彎管的曲率半徑與304鋼制彎管一致，耐壓值為1 Mpa，設計尺寸與實物見圖7。

圖7 透明彎管總體尺寸和實物圖

3.4 其他輔助測量裝置優選

出砂監測室內模擬評價平臺主要包括超聲檢測流量監測儀和管道壓力監測儀表。超聲流量監測儀主要包括超聲檢測組件、流量計主機和數據分析軟件。超聲檢測組件采用單發/單收傳感器組件，最大限度地減小液流中氣泡的干擾信號，入射角為45°，材料為壓電陶瓷，安裝位置在下游5倍管道直徑或上游10倍管道直徑處，實現多相流流速的準確識別。超聲傳感器安裝前需要用砂紙清除管面上漆層等污垢，再涂上導聲耦合劑，用彈性綁帶固定探頭，保證0.5～1.0 N的作用力。超聲檢測流量儀的傳感器安裝及流量顯示分析儀表如圖8所示。

為了測量管路中壓力值，選用量程為0～1 MPa壓力變送器作為壓力監測儀表，其安裝位置距螺桿泵出口1 m處。具體安裝方式及尺寸見圖9。該壓力變送器采用精密補償和硅壓阻技術，并融合獨特的ASIC(專用集成電路)技術，組成完美的放大輸出的壓力變送器。該產品具有全溫范圍補償及相應的線性補償，以保證產品的長期穩定監測運行。

圖8 超聲檢測流量儀的超聲傳感器的安裝和超聲檢測流量計面板

圖9 壓力變送器的安裝和尺寸結構

4 油井出砂監測室內平臺軟件系統

將信號采集儀獲得的信號送入油井出砂監測軟件——信號分析模塊即可獲得所需的出砂信息。該信號分析模塊主要包括出砂檢測分析模塊、液流噪聲降噪模塊、油井參數設置模塊，見圖10。出砂檢測分析模塊基于多相流數學分析模型，結合監測到的振動信號特征，建立了砂礫固相檢測分析功能，該功能提供降噪前后固相砂礫信號對比、砂流量率、累計出砂量和含砂量等基本參數分析。液流噪聲降噪模塊，結合油-水流沖擊管壁噪聲特征，建立油-水流噪聲信號模型，進一步實現多相流中的強流體噪聲降噪和弱砂礫沖擊信號提取功能。油井參數設置模塊，通過設置實驗溫度、油品黏度、含水率、多相流混合速度等基本參數，以實現不同參數條件下的出砂信號檢測。

圖10 信號分析模塊

5 結語

油井出砂監測室內平臺的建成，為石油類專業的實踐教學提供了新的教學實驗項目和設備，為學生在畢業設計或者參加大學生創新項目時提供了新的工程實踐手段。該平臺的使用可以培養學生運用所學知識，結合實際獨立完成課題的工作能力，同時激發學生學習的積極性，加深對理論知識的理解和掌握。

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