V 锥流量计在智能气举阀中的应用
发布时间：2019-06-19 发布作者：
摘要: 为解决井下气体流量测试难题，将 V锥流量计置于智能气举阀中，对气体流量进行测试。为避免井下气体排量波动对流量计的损坏，设计了 V 锥缓冲装置。通过有限元分析及试验方法对 V 锥等效直径比进行模拟分析及优化试验。研究结果表明: V 锥流量计的测试精度和 V 锥与流道的等效直径比 β 密切相关; 当锥体较大节流直径为 23. 5 mm，可以得到适合智能气举阀的较好的等效直径比 β = 0. 341; 当气举阀的流量为 10～40 m3 /h 时，测试误差小于 1. 000%，能够满足井下测试需求。V 锥流量计在智能气举阀的成功应用为油气同采井提供了技术保障，对于提高该类井的举升效率和较终采收率具有重要意义。
引 言
渤海海域存在大量与油共生的天然气藏，为充分利用共生天然气藏，提高举升效率，降低举升能耗，研发了电泵与气举组合举升技术，该技术可利用现有气源与电泵进行气举－电泵耦合举升［1－6］。该举升方式能有效利用气藏能量，实现油气同采，提高油田开发效益［7－10］。由于井下智能气举阀是该工艺的核心工具，所以需要对进入该阀的气量进行实时测试，通过地面耦合系统分析计算所需注气量，并通过调整气嘴大小改变进气量，从而达到较好的耦合效果的目的。
V 锥流量计在 20 世纪 80 年代中期由 FloydMcCall 提出，后期 Singh 和 Sapra 等通过 CFD 对 V锥流量计尾流流场进行研究。国内天津大学有关人员在 V 锥流量计前后直管段、锥角组合及支撑位置选取等方面做了深入研究。受限于差压传感器，目前还没有成熟的井下气体测试技术。笔者在解决了高耐压差压传感器技术难题后，将 V 锥流量计用于井下智能气举阀中对气体流量进行测试，并通过软件模拟及试验得出适合于该气举阀的较好的直径比 β，解决了井下气体流量测试的难题。这对提高该类井的举升效率和较终采收率具有重要意义。
1 技术分析
1. 1 智能气举阀整体结构
智能气举阀是整个井下工具的核心组成部分，主要由上接头、下接头、V 锥流量计、一体化可调气嘴、单流阀、压力温度传感器及电路部分组成，结构如图 1 所示。
该智能气举阀被安装在电泵上部，将地层产出气作为气源对管柱内部液体进行举升。它通过单芯电缆与地面控制器连接，采集的数据被实时传输到耦合举升软件进行数据分析; 可以实现井下管柱内外压力、温度及气体流量等参数的实时监测，并可以接收地面指令实时对井下气嘴进行调节，以气体调整举升力。V 锥流量计作为该气举阀的核心结构首次应用到井下仪器中，用于井下气体流量的测试。
1. 2 V 锥气体流量计
流体流经锥体时，通过 V 锥节流使流体在 V锥前后形成压差，用差压传感器测试节流前后压差，计算得到测试流量。与标准孔板、喷嘴和文丘里管相比，V 锥所需的前后直管段较短，取压孔处的压力信号频率高、振幅低，能减弱机械振动信号对流量测量的干扰，适用于井下环境［11－13］。目前广泛应用的差压传感器较大耐压等级为20 MPa，通过对差压传感器内部芯片进行改进，将传感器耐压等级提高到 60 MPa，满足井下测试需求。因此，将 V 锥气体流量计首次应用于智能气举阀中对井下气体流量进行测试。
1. 3 V 锥流量计测量原理
V 锥流量计通过测试节流前后的压差，结合 V锥与流道的等效直径比 β，计算出被测流体的流量。设管道内径为 D，节流锥体较大节流横截面直径为 d，则等效直径比 β 的计算公式为:
式中: S1 为锥体较大节流横截面积，mm2; S2 为管道横截面积，mm2。
根据连续性方程和伯努利方程推导出管道流量qv 的计算公式为:
式中: Δp 为锥体节流前后压差，Pa; qv 为被测流体流量，m3 /s; ρ 为被测流体密度，kg /m3。
1. 4 井下 V 锥流量计
对于常规 V 锥流量计，当气体流量超过测试量程后，会造成传感器的损坏。为避免井下气体对流量计的损坏，设计了 V 锥缓冲装置。该装置设有压缩弹簧，如图 2 所示。
当大流量气体进入通道后，气体会推动 V 锥压缩缓冲弹簧，使 V 锥系统整体向后移动，当节流面移动到锥后取压孔后方时，两取压孔压力平衡，从而实现对差压传感器的保护。
2 V 锥流量计关键参数优化设计
V 锥流量计的测试精度和 V 锥与流道的等效直径比 β 密切相关，为确定适合该智能气举阀的β，通过有限元模拟计算的方式对 V 锥截面直径进行优化设计。
2. 1 V 锥流量计节流流场分析
对 V 锥节流流道进行建模分析，并采用网格生成器 MESHTOOL 对其进行智能网格划分，如图3 所示。在管壁上设置观测点，以观察流体压力沿管壁的分布情况。
图 4 为流道沿线压力分布情况。流体从入口进入管道内部，压力会产生较小波动，在 V 锥节流处，流道截面变小，流体流速加快，压力迅速降低。在流体流过节流处后，流体流速减慢，压力逐步回升到一个稳定值，并且与节流前相比会产生一个稳定的压差。该压差大小与入口压力、入口速度及 V 锥与流道的等效直径比 β 等相关。图 5 和图 6分别为流道内部压力及速度分布图。
2. 2 等效直径比 β 优选
将过流管道内径 D 设计为 25 mm，为保证测试精度及测试量程，需要对锥体较大节流直径进行
优选。当锥体较大节流直径 d 较大时，有效地减小了过流面积，造成较大的节流压差，便于差压传感器的测试，但过小的过流面积会导致能量损失较大，使过流量减小; 当锥体较大节流直径较小时，过流面积较大，便于被测流体通过，但节流压差较小，影响测试精度。分别对 d = 22. 0、23. 5 和 24. 0mm 时压差与气体流量的关系进行试验分析，结果如图 7 所示。
从图 7 可见: 当 d = 22. 0 mm、流量达到 40m3 /h 时，造成的节流压差较小为 16 kPa 左右，当排量小于 10 m3 /h 时节流压差不明显，无法进行测试; 当 d = 24. 0 mm、排量达到 40 m3 /h 时，造成的节流压差较大为 68 kPa 左右，当排量大于 20m3 /h 时压差与流量关系曲线趋于一条直线，与实际测试结果误差较大; 当 d = 23. 5 mm 时，压差与流量关系曲线为一条二次曲线，符合实际测试结果。因此，将 d 选为 23. 5 mm，进而计算得到 V 锥与流道的等效直径比 β = 0. 341。
3 室内试验
为验证智能气举阀 V 锥流量计测试的准确性，在实验室对该 V 锥流量计进行测试，测试结果如表 1 所示。从表 1 可知: 当气体排量小于 10 m3 /h时，气体流速较慢，V 锥前后压差不明显，实测值与计算值的误差较大，较大值为 5. 746%; 当气体流量在 10 ～ 40 m3 /h 时，该流量计测试值较准确，误差在 1. 000%以内; 当气体流量大于 40 m3 /h 时，测试误差又变大。因此，该流量计测试准确范围在10～40 m3 /h，误差小于 1. 000%，满足井下工况和气举阀测试需求。试验结果为气举阀的调节提供了数据参考。
4 结 论
( 1) V 锥流量计在智能气举阀中的应用解决了井下气体流量测试的难题，它能够对进入气举阀的气体流量进行实时、准确的测量，为气举阀气嘴的调整提供了基础数据，从而提高了举升效率。
( 2) 通过建模及试验得到了适合该气举阀的较好的直径比，即 β = 0. 341。
( 3) 当气举阀的流量为 10 ～ 40 m3 /h 时，测试误差小于 1. 000%，能够满足井下测试需求。
( 4) V 锥流量计在智能气举阀的成功应用，为油气同采井提供了技术保障，对于提高该类井的举升效率和较终采收率具有重要意义。
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