0 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，从而达到最佳耦合效果的目的。
V锥流量计在20世纪80年代中期由Floyd McCall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最佳直径比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最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。
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| 1—上接头；2—电路仓；3—电机；4—气嘴；5—单流阀；6—V锥流量计；7—电气接头；8—下接头。 图 1 智能气举阀结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of intelligent gas lift valve |
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最大耐压等级为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，节流锥体最大节流横截面直径为d，则等效直径比β的计算公式为：
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(1) |
式中：S1为锥体最大节流横截面积，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：
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(2) |
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。
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| 1—V锥缓冲装置；2—缓冲弹簧；3—V锥。 图 2 井下V锥流量计 Fig.2 Downhole V-cone flowmeter |
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。
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| 图 3 V锥流量计流道网格划分 Fig.3 Mesh generation of flow channel in V-cone flowmeter |
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。
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| 图 4 流道压力与位置对应曲线 Fig.4 Corresponding curve of flow channel pressure and position |
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| 图 5 管道压力分布图 Fig.5 Pipeline pressure distribution |
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| 图 6 速度等值线图 Fig.6 Pipeline pressure distribution |
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，需要对锥体最大节流直径进行优选。当锥体最大节流直径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；当锥体最大节流直径较小时，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24.0 mm时压差与气体流量的关系进行试验分析，结果如图 7所示。
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| 图 7 气体流量与压差关系曲线 Fig.7 Relationship of gas flow and pressure difference |
从图 7可见：当d=22.0 mm、流量达到40 m3/h时，造成的节流压差最小为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，造成的节流压差最大为68 kPa左右，当排量大于20 m3/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，最大值为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。
| 实测值/(m3·h-1) | 计算值/(m3·h-1) | 误差/% |
| 4.648 | 4.915 | -5.746 |
| 9.369 | 9.474 | -1.118 |
| 18.647 | 18.702 | -0.296 |
| 25.724 | 25.803 | -0.308 |
| 37.798 | 37.911 | -0.300 |
| 40.132 | 40.989 | -2.135 |
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最佳直径比，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最终采收率具有重要意义。
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