適合于稠油熱采實驗的新型數字式回壓控制系統研制

邢義良，劉 文

(北京永瑞達科技有限公司)

稠油熱采實驗就是在實驗室環境下向模擬油層提供熱能，從而降低油層滲流阻力，增大油藏驅油動力，以驗證開采技術的先進性和開采方案的合理性，達到更好地開采稠油和高凝油的目的[1-2]。保證稠油熱采實驗穩定進行、實驗結果可靠性的最主要因素就是要保證實驗裝置能夠模擬出真實地層環境的溫度、壓力等參數。回壓系統正是整套實驗裝置中模擬地層壓力環境的核心部件。傳統的稠油熱采實驗回壓控制系統只能在200℃、30 MPa的環境下使用，遠遠跟不上當下實驗環境的需要，并且傳統回壓控制系統穩定性差、靈敏度低、自動化程度也低，這些缺點進一步制約了稠油熱采實驗的發展和完善。本文針對傳統稠油熱采實驗設備回壓控制系統的不足，設計了新型稠油熱采實驗回壓控制系統，并進行了穩定性和靈敏度測試。

一、稠油熱采實驗傳統回壓控制系統

回壓閥是稠油熱采實驗中常用的回壓控制元件，由最初的彈簧膜片式結構逐步發展形成了一個適用于各種不同壓力溫度環境下工作的閥件系列。彈簧膜片式回壓閥工作時流體從回壓閥進口進入后被膜片阻擋，此時流體對膜片產生向上的壓力。隨著工藝技術的不斷發展，誕生了一種利用隨動系統提供回壓的回壓閥。此類回壓閥拋棄了彈簧等機械彈性元件，采用氣壓泵作為回壓動力來源，利用進氣壓力推動柱塞堵住流體管道通路，根據進液口液體壓力的大小推動柱塞向上移動，最終打開通路，這也是目前已知的較為先進的回壓系統[3-7]。

二、新型稠油熱采實驗回壓控制系統設計

研究的回壓系統首先要滿足當前稠油熱采的最高420℃、50 MPa的工作環境要求[8-10]；其次回壓系統應為實時控制的數字式回壓裝置，能夠為實驗室環境下稠油熱采實驗提供便利條件；最后數字式回壓系統的誤差不能高于常規回壓系統[11-12]。

1.回壓閥結構設計

在稠油熱采實驗中，當出口壓力高于系統回壓時出口瞬間打開，產出液瞬間流出，系統壓力驟降。出口瞬間關閉造成系統憋壓，導致系統壓力驟增，系統內汽相變為液相。同時產出液間歇地流出，造成實驗過程中的壓差控制及產出液計量不準確，影響相滲曲線的準確性。為了彌補傳統回壓閥的結構缺陷[12]，設計了單膜片高靈敏度回壓閥(圖1)。流體控制部件通過螺釘與回壓控制部件連接；流體控制部件和回壓控制部件通過金屬蓄能環進行密封；流體控制部件和閥體膜片通過金屬C型環進行密封，閥針和閥體膜片通過金屬復合密封環和閥針螺帽進行壓緊密封，閥針通過螺紋與閥針螺帽連接，閥針螺帽并對金屬復合密封環壓緊。

圖1 單膜片高靈敏度回壓閥設計示意圖

在膜片上施加的壓力是通過一個回壓跟蹤泵的泵壓實現的。單層隔膜相對較薄，有一定的彈性，能夠產生連續形變，對壓力的變化反應快。保證了回壓閥內不會憋壓，產出液會連續不斷地流出，系統回壓相對穩定。

回壓介質腔體內的介質給予閥體膜片和閥針螺帽一個壓力，使閥針下移關閉流體入口與流體出口的通道。當流體通過入口進入到流體控制部件時對閥針有一個向上的推力，當推力大于回壓介質腔體內的壓力時閥針在推力的作用下將閥體膜片頂起來，閥針上移，打開流體入口與流體出口的通道，流體由出口流出。閥體膜片被閥針頂起保證了回壓介質腔體內的介質與流體控制部件內的流體不竄流，閥體膜片被回壓控制部件與流體控制部件緊壓在金屬蓄能環與金屬C型環之間實現了密封和穩壓調節。

2.回壓控制系統結構設計

在新型回壓系統中采用回壓跟蹤泵隨動調節的形式來調整回壓參數(圖2)，需要實時記錄系統出口壓力值。但是系統出口液體最高溫度達到450℃左右，而被測壓力值最高可能在50 MPa，目前市場上并不存在滿足測試條件的壓力傳感器。

圖2 回壓控制結構示意圖

為了能夠準確測量出口壓力控制回壓調節系統，采用了一套水冷系統用以冷卻出口液體的溫度，當液體溫度冷卻到適合測量時再進行壓力測量，從而保證了測量儀器的實用性。

系統內流體通過管線注入回壓閥的過程中被截取一部分液體傳輸到水冷設備內降溫測壓，壓力傳感器P2將回壓閥的入口壓力信號傳輸到控制端。回壓閥的出口流體被截取一部分運輸到水冷設備降溫，通過壓力傳感器P1將回壓閥的出口壓力信號傳輸到控制端，控制端根據回壓閥進出口壓力情況控制回壓跟蹤泵對回壓閥進行控制。壓力傳感器P3將跟蹤泵的壓力信號傳遞給控制端作為檢測信號跟蹤回壓。當壓力傳感器P2檢測的系統回壓低于該溫度下熱水(蒸汽)的飽和壓力時，壓力傳感器P2的信號傳輸到計算機，通過計算機自動控制壓力跟蹤泵，壓力跟蹤泵自動加壓，使壓力傳感器P2跟蹤壓力升高，回壓升高至該溫度下熱水(蒸汽)的飽和壓力。當出口壓力高于該溫度下水的飽和壓力時，壓力傳感器P2的信號傳輸到計算機，通過計算機自動控制壓力跟蹤泵，壓力跟蹤泵自動反向加壓，壓力傳感器使P3跟蹤壓力降低，回壓降低至熱水(蒸汽)的飽和壓力。

3.回壓控制系統密封材料選擇

回壓控制系統需要的密封材料應滿足450℃環境下長期工作并且能夠重復使用的實驗指標，常用的耐高溫材料石墨具有較高的耐高溫特性，但是彈性相對較差，不能滿足對密封性的要求；氟膠密封圈在200℃以上就失去了彈性；聚四氟乙烯材料能夠長期承受400℃高溫,但是在這個溫度下會變軟失去彈性。經過系統篩查實驗，最終采用復合金屬材料密封圈作為密封元件進行實驗。復合金屬密封元件的主要材料來自不銹鋼316和青銅，兼顧了高溫高壓下的密封要求和彈性需求。500℃高溫高壓烘箱的加壓耐溫實驗結果表明，該密封材料能夠長時間承受450℃高溫，并能夠在此溫度下保證其與周邊材料相似的彈性，既保證了良好的密封性，同時保證了高溫高壓下良好的彈性。

三、新型回壓系統穩定性和靈敏度測試

1.回壓閥靈敏度測試

為了確保新型回壓閥滿足實驗需要，對回壓閥的靈敏度進行了穩態測試。在相同的溫度下將回壓值設定大約5 min后對系統內壓力進行測試，測試部分結果見表1。從表1可以觀察到穩態情況下回壓閥的靈敏度始終在0.05 MPa范圍內浮動，能夠保證穩定的產出，提高了實驗的安全性和計量結果的準確性。

表1 回壓閥穩態測試結果對照表

2.回壓控制系統穩定性及靈敏性測試

為了驗證新型回壓控制系統的穩定性和靈敏性，實時記錄了實驗過程中系統內部壓力、回壓設定值、回壓閥出口壓力，將部分實驗記錄匯總并繪制成壓力—時間折線圖，如圖3。

圖3 測試系統壓力-時間關系圖

從圖3中可以看出，本文所設計的數字回壓系統能夠保持良好的系統隨壓穩定和響應靈敏度。在任意時刻系統真實出口壓力與設定回壓值之間存在著0.05 MPa范圍內的誤差，且均為正值，即該系統能夠穩定地將系統流體出口壓力調至系統設定的回壓所需要的時間在0.5 s內，即回壓系統的靈敏度為0.5 s，完全滿足實驗需要。

四、結論

(1)設計的數字式高溫高壓回壓系統能夠在450℃、50 MPa的環境下穩定工作，達到了業內領先的高度。

(2)回壓系統的響應靈敏度為0.5 s，穩定誤差在0.05 MPa內，完全滿足實驗需要。

(3)數字式回壓系統實現了穩定產液、全自動控制和智能調節，大大降低了實驗過程的安全風險，為有效地進行實驗提供了卓越的保障。