自力式油气水三相流气液分离装置的设计与实验＊

2012-08-15牟海维孟繁磊于向江刘兴斌

光学仪器 2012年6期

牟海维，孟繁磊，于向江，刘兴斌，刘超

（1.东北石油大学电子科学学院，黑龙江大庆 163318；2.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司，黑龙江大庆 163453）

引言

油井在整个工作过程中所进行的地球物理测井统称为生产测井。生产测井已成为油气藏科学管理和提高采收率不可缺少的手段［1－2］。产出剖面测井，即油井内的多相流测量，是生产测井的一个重要组成部分。产出剖面测井可动态测量油井内各产层产出流体的类型及分相流量，可以为油井注采方案的制定和调整提供可靠依据［3－4］。在实际生产过程中，油井三相流产出剖面测井主要采用溢气型集流伞方式进行三相分离和流量测量，其测量结果与地面测量结果差别很大，根本原因在于溢气型集流伞未能有效分离出气相。由于油井中的介质大多情况下是以油、水、气三相流的状态存在的，因此油井产气是不可避免的现象［5－6］。对于油气水三相流的油井，虽然涡轮流量计［7］和持水率计均有较明显的响应特性，但随着气量的逐渐增多，对流量计和持水率计的影响增大，导致测量结果与实际偏差较大。

鉴于现有油田测井设备能够较准确测量两相流油井产液剖面的流量和持水率，现设计和开发一种自力式油气水三相流气液分离装置，实现气液分离，配合涡轮流量计和电导持水率计，完成油气水产出剖面测井仪的研制，并且利用多相流测试系统对三相流油井产液剖面进行测量，不但可显著降低油井产气对流量和持水率的影响，而且能提高测量的精度，具有重要的现实意义。

1 自力式油气水三相流气液分离装置工作原理

由于中国油田多数油井为机采井，测井仪器仅能通过油管和套管之间的环形空间起下，一般要求仪器外径不超过28mm，所以称为过环空找水测井［8］。文中设计的自力式油气水三相流气液分离装置（以下统称为“装置”）安装在套管内，其剖面结构如图1所示。该装置主要由集流伞、出液口、进液口、出气口、进气口及进气阀门等六部分组成。其中气液分离阀是由厚度为2mm、长度为30mm的环形木质材料制成的。其工作原理为：在油井过环空找水测井中，当集流器采用该装置集流时，井中向上运动的油、气、水三相流到达集流伞部位时由于密度不同而发生分离，气体由于密度小首先占据伞尖位置而形成气顶，原油位于气顶下面形成油堵，油层下面是水。随着集流的进行，气顶体积不断加大并向下扩张，当气顶的底面到达伞布的底沿时，液体通过进液孔进入装置，而此时进气阀门完全处于气体中，由于进气阀门是木质材料，密度大于气体密度，因此阀门打开，气体通过进气孔进入装置，通过排气孔排出伞外。随着集气的继续进行，气体排出伞外，油、水达到伞的顶部，由于进气阀门的密度小于油的密度，故关闭阀门，集气继续进行，重复之前的过程，气体几乎全部排出伞外，达到气液分离的效果。

图1 自力式气液分离装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the self－operated gas separation device

2 实验

依据上述的分离原理，设计并研制了适用于过环空找水测井的气液分离装置，将其与涡轮流量计和电导持水率计配套组装，完成油气水产出剖面测井仪（以下统称为“仪器”）的研制。

由于自力式油气水三相流气液分离装置中关键构件是采用轻质木塞构成的，其受到浸泡后膨胀，其重力、浮力、体积、密度都发生变化，所以实验前需将仪器在纯油多相流测试系统的模拟井中浸泡，消除仪器在初始实验时涡轮频率极不稳定的问题。利用多相流测试系统的标定装置对加气量分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.2m3／h的油气和水气的流量进行测量。该标定装置的井筒高度设计为15m，井筒直径为128mm，底端有放水口，顶端有放气口。井筒内部放置一个直径51mm的油管，油管靠套管一侧，形成月牙形偏心管柱。井筒上共有两个入口，一个进气、一个进水，两个入口流量都可控，并通过流量计计量。在两产层中部配备有温度、压力和密度传感器可实时测量流体变化。井筒两端密闭，耐压0.1～4MPa。气流量范围为0～83m3／h，精度0.1%；油水流量范围为0～4m3／h，精度0.1%。

3 实验结果与讨论

3.1 气液分离过程中涡轮流量计的静水纯气响应特性

加气量分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8m3／h静水中涡轮流量计的输出流量响应曲线如图2所示。从图2中可以清楚地看出，低气量时，涡轮静止不转，表明低气量（气量不大于0.3m3／h）时大部分气体经改进集流伞上端的出气口进入透明井筒，分离效果较好，只有小部分气体流过涡轮流量计，由于剩余的气体流量极小，涡轮流量计输出流量为零。当气量增加到0.4m3／h时，涡轮流量计明显转动，输出流量大幅度增加，这表明分离效果不理想，井筒内大气量时，仪器出气口出气量明显减小，故仪器不适用大气量情况。

图2 涡轮流量计在静水中的响应曲线Fig.2 Response curve of the turbine flowmeter in static water

3.2 气液分离过程中涡轮流量计的气／油、气／水响应特性

3.2.1 涡轮流量计在油、气两相流量测量中的响应特性

图3给出了不同流量下油、气两相流中的涡轮流量计输出流量的响应曲线。实验中油流量按1.6、0.8、0.4、0.2m3／h顺序进行调节，对于每一个油流量，气体流量依次按0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.2m3／h递增顺序调节。从图3中可以看出，在加气量不超过0.3m3／h时，流量的大小对仪器气液分离程度影响不大。但也不难发现，在不同油流量下，低加气量时实验点明显比高加气量时要好，特别是油流量较低时。因为大流量、大加气量时，气体随流体经过流量计所在的测量通道，然后由出液口回到井筒，所以当油流量较大时，实验点较差。

3.2.2 涡轮流量计在气、水两相流量测量中的响应特性

图4为气、水两相流中的涡轮流量计输出流量的响应关系曲线。对比图3、图4可见，在气、水与在油、气两相流测量中，涡轮流量计输出频率随加气量变化趋势具有一定的相似性。从曲线上明显可见，仪器在气／水中实验效果比在纯油中改进效果更为理想。首先表现在加气量不超过0.4m3／h且水流量不超过0.8m3／h时，所采测的试验点近乎重合，这表明低气量时，气液分离效果明显，水流量的大小对改进仪器达到将气液两相流分离成单相流体进而测得流体流量的目的没有较大影响。其次当流量大于0.8m3／h时，气液分离效果不理想，随着气流量的增加而增加，涡轮流量计输出流量示数也相应增加。