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(huán)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(qū)油動力，以驗證開采技術(shù)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(wěn)定進行、實驗結(jié)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(huán)境的溫度、壓力等參數(shù)?；貕合到y(tǒng)正是整套實驗裝置中模擬地層壓力環(huán)境的核心部件。傳統(tǒng)的稠油熱采實驗回壓控制系統(tǒng)只能在200℃、30 MPa的環(huán)境下使用，遠遠跟不上當下實驗環(huán)境的需要，并且傳統(tǒng)回壓控制系統(tǒng)穩(wěn)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(fā)展和完善。本文針對傳統(tǒng)稠油熱采實驗設備回壓控制系統(tǒng)的不足，設計了新型稠油熱采實驗回壓控制系統(tǒng)，并進行了穩(wěn)定性和靈敏度測試。

一、稠油熱采實驗傳統(tǒng)回壓控制系統(tǒng)

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(jié)構(gòu)逐步發(fā)展形成了一個適用于各種不同壓力溫度環(huán)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(chǎn)生向上的壓力。隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，誕生了一種利用隨動系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)[3-7]。

二、新型稠油熱采實驗回壓控制系統(tǒng)設計

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

1.回壓閥結(jié)構(gòu)設計

在稠油熱采實驗中，當出口壓力高于系統(tǒng)回壓時出口瞬間打開，產(chǎn)出液瞬間流出，系統(tǒng)壓力驟降。出口瞬間關(guān)閉造成系統(tǒng)憋壓，導致系統(tǒng)壓力驟增，系統(tǒng)內(nèi)汽相變?yōu)橐合?。同時產(chǎn)出液間歇地流出，造成實驗過程中的壓差控制及產(chǎn)出液計量不準確，影響相滲曲線的準確性。為了彌補傳統(tǒng)回壓閥的結(jié)構(gòu)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(huán)進行密封；流體控制部件和閥體膜片通過金屬C型環(huán)進行密封，閥針和閥體膜片通過金屬復合密封環(huán)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(huán)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(xiàn)的。單層隔膜相對較薄，有一定的彈性，能夠產(chǎn)生連續(xù)形變，對壓力的變化反應快。保證了回壓閥內(nèi)不會憋壓，產(chǎn)出液會連續(xù)不斷地流出，系統(tǒng)回壓相對穩(wěn)定。

回壓介質(zhì)腔體內(nèi)的介質(zhì)給予閥體膜片和閥針螺帽一個壓力，使閥針下移關(guān)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(zhì)腔體內(nèi)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(zhì)腔體內(nèi)的介質(zhì)與流體控制部件內(nèi)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(huán)與金屬C型環(huán)之間實現(xiàn)了密封和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。

2.回壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

在新型回壓系統(tǒng)中采用回壓跟蹤泵隨動調(diào)節(jié)的形式來調(diào)整回壓參數(shù)(圖2)，需要實時記錄系統(tǒng)出口壓力值。但是系統(tǒng)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(jié)構(gòu)示意圖

為了能夠準確測量出口壓力控制回壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用了一套水冷系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)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?shù)剿湓O備內(nèi)降溫測壓，壓力傳感器P2將回壓閥的入口壓力信號傳輸?shù)娇刂贫恕；貕洪y的出口流體被截取一部分運輸?shù)剿湓O備降溫，通過壓力傳感器P1將回壓閥的出口壓力信號傳輸?shù)娇刂贫?，控制端根?jù)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(tǒng)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?shù)接嬎銠C，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?shù)接嬎銠C，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(tǒng)密封材料選擇

回壓控制系統(tǒng)需要的密封材料應滿足450℃環(huán)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(jīng)過系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)穩(wěn)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(wěn)態(tài)測試。在相同的溫度下將回壓值設定大約5 min后對系統(tǒng)內(nèi)壓力進行測試，測試部分結(jié)果見表1。從表1可以觀察到穩(wěn)態(tài)情況下回壓閥的靈敏度始終在0.05 MPa范圍內(nèi)浮動，能夠保證穩(wěn)定的產(chǎn)出，提高了實驗的安全性和計量結(jié)果的準確性。

表1 回壓閥穩(wěn)態(tài)測試結(jié)果對照表

2.回壓控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及靈敏性測試

為了驗證新型回壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏性，實時記錄了實驗過程中系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)壓力-時間關(guān)系圖

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

四、結(jié)論

(1)設計的數(shù)字式高溫高壓回壓系統(tǒng)能夠在450℃、50 MPa的環(huán)境下穩(wěn)定工作，達到了業(yè)內(nèi)領先的高度。

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

(3)數(shù)字式回壓系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定產(chǎn)液、全自動控制和智能調(diào)節(jié)，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。