油井出砂监测室内模拟实验平台构建

王 锴， 刘 刚， 李祎宸， 张家林

(中国石油大学(华东) 石油工程学院， 山东 青岛 266580)

油井出砂是困扰砂岩油田开采的世界级难题[1-3]，全世界约40%的油井存在出砂问题，致使产量和设备寿命大幅降低，油井出砂监测技术已成为保障油田开采安全顺利实施的关键[4-5]，因此油井出砂监测理论与技术常作为石油类专业的本科生在参加大学生创新项目或者毕业设计时的选题内容[6]。

1 油井出砂监测方法

油井出砂监测方法可分为非植入式监测法[7]和植入式监测法，如图1所示[8]。植入式出砂监测方法需要在生产管线内植入监测设备，改变原油流动路线，给现场生产带来不便。非植入式出砂监测方法不需要改变现场流动管道，将体积较小的监测设备贴在生产管壁上，接收出砂信息，并将其传递给信号处理设备，非常适合海上平台应用[9]。

油田相关企事业单位所需要的石油类专业毕业生应当具备工程实践能力，在工作场所可以综合应用所学的理论知识和技能、创造性地完成工作[10-11]。为了培养学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力，需要给学生提供相应的实践教学设备[12]。对于油井出砂监测理论与技术相关的内容，出于人身安全考虑，难以在油田现场给学生提供实践平台，而目前也缺乏相应的实践教学设备。

图1 油井出砂监测方法

因此，基于油井出砂监测流程，研发了适用于油井出砂的实验室内模拟平台，学生可以利用该平台模拟不同条件下的出砂工况，如模拟不同砂砾尺寸、含量、密度在不同黏度油品、含水率、温度、压力、排量等条件下的出砂工况，并利用非植入式出砂监测法针对油井出砂现象直观地学习油井监测流程和方法。这不仅可以使学生运用所学知识，结合实际项目独立完成课题设计，而且可以提高学生学习的积极性，激发创新想法，锻炼学生思考和动手能力，提高教学质量，达到大学生创新项目和毕业设计项目训练目的，为有志于进一步深造的学生提供课题研究的学习方法和实验基础。

2 油井出砂监测室内模拟平台设计

油井出砂监测室内模拟实验平台是一种基于含砂多相流体流动，提供多相流中固相砂砾含量监测的室内评价装置，该平台可以模拟不同工况下的标准出砂量，提供弯管处原油特性观察窗，加装复配油品(单相流、多相流)后循环多次使用，为油井出砂监测系统提供可靠的、稳定的校准与完善平台。油井出砂监测室内模拟实验平台主要包括多相流体流动循环系统和测量系统，如图2所示。

出砂监测系统采用自主研发的非植入式出砂监测设备，主要包括高频加速度传感器、信号采集仪、计算机、电缆等，如图3所示。高频加速度传感器接收砂粒撞击信号，信号采集仪将传感器接受的信号进行滤波、放大、模数转换等处理，转化为数字信号输送至计算机；计算机中安装有自主研发的出砂监测软件，对出砂信号进行处理。

3 油井出砂监测室内平台硬件系统

3.1 多相流体混合装置设计

为保证多相含砂流体在管路中稳定循环，需提供储存多相流体的装置。在循环系统中，提供了2个容积均为90 L的储液罐，见图4(a)，左边的储液罐提供多相流多次循环回路，即多相流体流出左边的储液罐，流经不同管路后，最终油回到该储液罐中；右边的储液罐和左边的储液罐组成罐-罐之间的单次回路，满足多相流实现单次循环的实验条件。为保证砂砾在多相流中充分混合，在储液罐上盖设计安装搅拌器，如图4(b)所示，其中红色圈内为搅拌器电机(具体参数见表1)，其中蓝色圈内为螺旋桨式搅拌叶轮，采用上下刚性轴同步安装方式，选取材料为304不锈钢，满足搅拌流体与砂砾均匀混合时视黏度与结构黏度比η/ηk≤0.7的强度要求。

表1 搅拌器电动机参数

图4 多相流混合储液罐设计图和搅拌器实物图

在储液罐两侧对称安装加热棒，采用不锈钢材料以保证坚固和耐用性，加热功率为2 kW，可以满足90 L多相流体的加热，如图5(a)所示。如图5(b)所示，在混合罐正面安装有体积计和温度计，其中通过温度计可以监测储液罐内的温度变化，其中体积计采用与储液罐联通的U行管，以实时观察储液罐内液面高度。

图5 安装在储液罐壁上的加热棒及体积计和温度计

3.2 实验平台动力部分关键部件优选

为保证多相流体在管路中以精确的流速稳定流动，优选了变频器、变频电机和螺杆泵，如图6所示。

图6 变频器及电机和螺杆泵

通过调节变频器的频率控制三相异步电机的转速。转速与频率的计算关系为

n=60·f(1-s)/p

(1)

其中，n为电机转速，f为变频器频率，s为电机转差率，p为电机极对数。三相异步电机的参数见表2。

表2 三相异步电动机基本参数

泵为携砂多相流体提供动力，需要考虑砂砾对泵的磨损效应以及对流体输运的稳定性、低噪声、小振幅等影响，最终优选单螺杆泵为携砂多相流体的输运提供动力。与容积泵、叶轮泵相比，螺杆泵具有介质适应能力强、流动平稳连续、不破坏输送介质固有结构、可调节、噪声低、适合输运高黏度含固体颗粒介质等优点[13-14]。选取的螺杆泵具体参数见表3。

表3 G40-2单螺杆泵参数表

通过调节变频器的频率值，结合G40-2单螺杆泵的最大流量值，可得到5个常用频率下，螺杆泵的转速和螺杆泵的流速值，见表4。

表4 不同频率螺杆泵参数

3.3 实验平台管路设计

当流体流经管道和阀门时，流动会产生一定阻力，其根本原因是流体流动特性[15]。流体在水平管内产生的阻力为沿程阻力，用hf表示沿程水头损失。流体通过阀门产生的阻力为局部阻力，用hj表示局部水头损失。全流程的水头损失hw为所有流程水头损失与所有局部水头损失之和:

hw=Σhf+Σhj

(2)

由于携砂多相流体为非牛顿流体，因此流动阻力产生的原因是流体自身的惯性和黏性。实验段管路长度L=4.7 m，水力摩阻系数λ=0.077 5，则水头损失hf为

(3)

式中，υ为流体流速，D为管道内径，g为重力加速度。

局部阻力系数：弯管处ξ1=0.5，阀门处ξ2=7.0。循环系统共有8个弯管，1个阀门，局部水力损失hj为

(4)

计算得到流程的水头损失hw=60.34 m，循环系统出口压强p为

p=hw=0.58 MPa

(5)

式中γ为介质重度。

计算得到循环系统至少需要0.58 MPa压力，所选螺杆泵压力为1.2 MPa，外径34 mm、内径25 mm的304不锈钢管抗内压均大于25 MPa，因此从内部因素角度出发所选泵型、钢材、管路设计满足要求。

为了能直观地观察携砂流体在传感器安装位置附近的流动状态，特别设计了一种以透明有机玻璃为原材料的透明弯管，该透明弯管的曲率半径与304钢制弯管一致，耐压值为1 Mpa，设计尺寸与实物见图7。

图7 透明弯管总体尺寸和实物图

3.4 其他辅助测量装置优选

出砂监测室内模拟评价平台主要包括超声检测流量监测仪和管道压力监测仪表。超声流量监测仪主要包括超声检测组件、流量计主机和数据分析软件。超声检测组件采用单发/单收传感器组件，最大限度地减小液流中气泡的干扰信号，入射角为45°，材料为压电陶瓷，安装位置在下游5倍管道直径或上游10倍管道直径处，实现多相流流速的准确识别。超声传感器安装前需要用砂纸清除管面上漆层等污垢，再涂上导声耦合剂，用弹性绑带固定探头，保证0.5～1.0 N的作用力。超声检测流量仪的传感器安装及流量显示分析仪表如图8所示。

为了测量管路中压力值，选用量程为0～1 MPa压力变送器作为压力监测仪表，其安装位置距螺杆泵出口1 m处。具体安装方式及尺寸见图9。该压力变送器采用精密补偿和硅压阻技术，并融合独特的ASIC(专用集成电路)技术，组成完美的放大输出的压力变送器。该产品具有全温范围补偿及相应的线性补偿，以保证产品的长期稳定监测运行。

图8 超声检测流量仪的超声传感器的安装和超声检测流量计面板

图9 压力变送器的安装和尺寸结构

4 油井出砂监测室内平台软件系统

将信号采集仪获得的信号送入油井出砂监测软件——信号分析模块即可获得所需的出砂信息。该信号分析模块主要包括出砂检测分析模块、液流噪声降噪模块、油井参数设置模块，见图10。出砂检测分析模块基于多相流数学分析模型，结合监测到的振动信号特征，建立了砂砾固相检测分析功能，该功能提供降噪前后固相砂砾信号对比、砂流量率、累计出砂量和含砂量等基本参数分析。液流噪声降噪模块，结合油-水流冲击管壁噪声特征，建立油-水流噪声信号模型，进一步实现多相流中的强流体噪声降噪和弱砂砾冲击信号提取功能。油井参数设置模块，通过设置实验温度、油品黏度、含水率、多相流混合速度等基本参数，以实现不同参数条件下的出砂信号检测。

图10 信号分析模块

5 结语

油井出砂监测室内平台的建成，为石油类专业的实践教学提供了新的教学实验项目和设备，为学生在毕业设计或者参加大学生创新项目时提供了新的工程实践手段。该平台的使用可以培养学生运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力，同时激发学生学习的积极性，加深对理论知识的理解和掌握。

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