一種多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置製造方法
2023-12-03 20:25:51
一種多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，該裝置可以模擬油氣水單相、兩相和三相分別在井筒內管和環形空間中的多種條件下的多相流流動狀況，研究其流場分布和流動特性，還可用於研究單相、多相流體在井筒內管與環空中流動時的傳熱規律；不僅可以實現多種實驗條件下的研究工作，提高實驗裝置的利用率，而且操作方便，適應性強，應用廣泛；該設備的建成將形成一個綜合的井筒多相流動模擬實驗平臺，是一套功能比較完備的大型井筒多相流實驗系統。
【專利說明】一種多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種實驗裝置，特別涉及一種多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，用於模擬油氣水單相、兩相和三相分別在井筒內管和環形空間中的多種條件下的多相流流動狀況，研究其流場分布和流動特性，還可用於研究單相和多相流體在井筒內管與環空中流動時的傳熱規律。
【背景技術】
[0002]在石油天然氣開採和運輸中，會經常遇到兩相或多相流現象在鑽井中，當鑽遇油氣藏生產層時，儲層中產出的天然氣進入井筒與鑽井液混合，使井筒環空內簡單的單相流變為複雜的氣液兩相流。自噴井採油時，當油井的井口壓力大於原油的飽和壓力時，井中為單相原油，當井底流壓低於飽和壓力時，整個油管為油氣兩相。在油藏開採中，普遍存在邊底水，且在開採中後期，常採用注水、注氣的方式來補充地層能量繼續開採油田，因此流體從井底向地面流動過程中，油氣水三相混合物通常存在於井筒中。在氣舉採油時，將高壓氣體連續不斷地注入油管內，使油管內的液體與注入的高壓氣體混合，形成氣液兩相，降低液柱的密度，減少液柱對井底的回壓，從而使油層與井底之間形成足夠的生產壓差，並在井筒環形空間中被舉升到地面，則形成環空氣液兩相流。將高壓氣體注入環空內，則形成管內氣液兩相流。在油田開發中，使用抽油機採油時，抽油機通過抽油杆帶動井下的深井泵，作上下往復運動,將井內液體抽至地面,井內液體通過油管與抽油杆柱之間的環形空間流出地面，則形成環空氣液兩相流。另外還有欠平衡鑽井技術中的氣液兩相流問題，油氣輸送過程中管內的油氣水多相流問題等等，均涉及到油氣水兩相或三相流動規律研究。
[0003]由此可見，多相流理論在油田生產過程中很重要。只有準確預測其流動規律，才能保證設備安全、經濟地運行。因此，多相流理論研究既具有重要的學術價值，又有廣泛的工程應用背景。但是很多學者在研究兩相流或者多相流規律時，設計構建的實驗系統應用範圍比較局限，條件不太完善，不能適用多種情況的多相流研究。因此設計一套多功能的綜合多相流研究實驗系統是很有必要的。
【發明內容】
[0004]為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，不僅可以實現多種實驗條件下的研究工作，提高實驗裝置的利用率，且操作方便，適應性強，應用廣泛。該設備的建成將形成一個綜合的井筒多相流動模擬實驗平臺，是一套功能比較完備的大型井筒多相流實驗系統。
[0005]為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是:
[0006]一種多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，包括:
[0007]用於提供恆定流速的氣體的供氣系統；
[0008]用於提供恆定流速的水的供水系統；
[0009]用於提供恆定流速的油的供油系統；
[0010]用於模擬井筒內管和環空中的多相流體流動狀態的模擬井筒系統；
[0011]與所述供氣系統、供水系統以及供油系統連接的用於將所述氣體、水以及油中的至少兩種進行混合的氣液混合系統，所述氣液混合系統的出口連接模擬井筒系統入口 ；
[0012]設置於模擬井筒系統出口的用於將流出井筒的混合相流體進行分離的多相分離系統；
[0013]以及設置於模擬井筒系統中的參數測量系統。
[0014]所述供氣系統包括空氣壓縮機1、氣體緩衝罐2、乾燥器3、氮氣源儲罐4、隔離器5和過濾器8，空氣壓縮機I的氣體出口端與氣體緩衝罐2的氣體入口端連通，氮氣源儲罐4的氣體出口端與氣體緩衝罐2的氣體入口端連通，氣體緩衝罐2的氣體出口端通過與乾燥器3的氣體入口端連通且連接管道上設置有減壓閥18，乾燥器3的氣體出口端與隔離器5的氣體入口端相通且在連接管路上設置過濾器8，隔離器5的氣體出口端與氣液混合系統的氣體入口端相連通且在連接管道上設置有止回閥；
[0015]所述供水系統包括水箱9、熱水泵7和冷水泵12，水箱9中設置有隔層，將其分為熱水室和冷水室，熱水室通過熱水泵7連接氣液混合系統的水相入口且在連接管道上設置有流量調節控制閥，冷水室通過冷水泵12連接氣液混合系統的水相入口且在連接管道上設置有流量調節控制閥；
[0016]所述供油系統包括油箱10和油泵11，油箱10通過油泵11連接氣液混合系統的油相入口且在連接管道上設置有流量調節控制閥。
[0017]所述模擬井筒系統包括豎直安裝於支架上的多節結構，每節由一個外管29和一個位於外管29中的與其同軸心的內管28組成，相鄰節之間，以連接法蘭和連接短節相連接；
[0018]所述氣液混合系統包括油氣水三相混合器14，油氣水三相混合器14的氣相入口接供氣系統的出口，油氣水三相混合器14的油相入口接供油系統的出口，油氣水三相混合器14的水相入口接供水系統的出口，油氣水三相混合器14的混相出口接四通閥一 15的一個接口，四通閥一 15的第二個接口接內管28的底端，第三個接口接外管29的底端，第四個接口接水箱9的入口和排汙池27 ；
[0019]所述多相分離系統包括多相分離器20、固體收集器22、背壓閥23和四通閥二 21，四通閥二 21的一個接口接內管28的頂端，四通閥二 21的第二個接口接外管29的頂端，四通閥二 21的第三個接口接水箱9的冷水室出水管路，四通閥二 21的第四個接口接多相分離器20的混合相入口並在連接管道上設置有止回閥和固體收集器22，多相分離器20的水相出口分成兩路分別連接水箱9的熱水室和冷水室且在連接管道上設置有流量調節控制閥，多相分離器20的油相出口連接至油箱10且在連接管道上設置有流量調節控制閥，多相分離器20的氣相出口連接至氣體回收系統且連接管道上設置有背壓閥23。
[0020]所述各個連接管道上均設置有截止閥。
[0021]所述參數測量系統包括溫度傳感器16、壓力傳感器17、差壓傳感器26、液體流量計13、氣體流量計6以及空隙率計24，其中:
[0022]所述溫度傳感器16至少設置於:隔離器5與油氣水三相混合器14的連接管道上、冷水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、熱水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、油泵10與油氣水三相混合器14的連接管道上、油氣水三相混合器14與四通閥一 15的連接管道上、模擬井筒系統的每一節上以及四通閥二 21與冷水室的連接管道上；
[0023]所述壓力傳感器17至少設置於:空氣壓縮機I與氣體緩衝罐2的連接管道上、氮氣源儲罐4與氣體緩衝罐2的連接管道上、氣體緩衝罐2上、氣體緩衝罐2與乾燥器3的連接管道上、隔離器5與油氣水三相混合器14的連接管道上、冷水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、熱水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、油泵10與油氣水三相混合器14的連接管道上、油氣水三相混合器14與四通閥一 15的連接管道上、模擬井筒系統的每一節上以及四通閥二 21與冷水室的連接管道上；
[0024]所述差壓傳感器26至少設置於:模擬井筒系統的若干不同高度處；
[0025]所述液體流量計13至少設置於:冷水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、熱水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、油泵10與油氣水三相混合器14的連接管道上、多相分離器20與水箱9的連接管道上以及多相分離器20與油泵10的連接管道上；
[0026]所述氣體流量計6至少設置於:乾燥器3與隔離器5的連接管道上以及多相分離器20與氣體回收系統的連接管道上；
[0027]所述空隙率計24至少設置於:模擬井筒系統的若干不同高度處。
[0028]本發明還可以包括視頻監控系統，由布置於模擬井筒系統不同高度處的多個攝像機25組成。
[0029]本發明還可以包括與所述參數測量系統連接的數據採集系統，所述數據採集系統包括同計算機30連接的數據採集卡，數據採集卡匯集溫度傳感器16、壓力傳感器17、差壓傳感器26、液體流量計13、氣體流量計6以及空隙率計24的數據後上傳至計算機30。
[0030]本發明還包括安全閥19，安全閥19至少設置於:氣體緩衝罐2上、多相分離器20上、冷水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、熱水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、油泵10與油氣水三相混合器14的連接管道上以及油氣水三相混合器14與四通閥一15的連接管道上。
[0031 ] 與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0032]1.功能強大。
[0033]本裝置集多種功能於一體，可完成油氣水單相、兩相和三相在管內或環形空間內的流動實驗，研究流體的管內流動和環空流動規律，還可完成油氣水單相、兩相和三相以多種組合方式在管內和環空內流動的傳熱實驗，研究其相互傳熱規律。
[0034]2.實時測量。
[0035]本裝置帶有自動控制系統，通過控制面板和數據採集軟體實現數據實時測量和採集，並採用國內外的先進設備和儀器儀表，使數據測量準確又可靠。
[0036]3.操作方便。
[0037]本裝置可根據實驗需要控制閥門的切換，改變實驗的流程，完成不同功能的實驗。模擬井筒管柱可拆卸，可更換不同尺寸的內管和外管，也可將透明管柱與不鏽鋼管柱互換，同時方便清洗。
[0038]4.經濟耐用。
[0039]本裝置管線連接力求簡短，並充分考慮場地空間和施工操作等要求，節省空間和耗材，設備功能考慮周全，節能耐用。
[0040]5.系統擴展。
[0041]裝置擴展新功能簡單方便，可實現多種形式流體不同組合的流動和傳熱實驗。系統中管柱(即模擬井筒)為垂直形式安裝，可將其擴展為多種形式。在石油輸送過程中，由於輸送過程中存在地面起伏等因素的影響，需要考慮油氣水兩相或三相混合物在水平、傾斜、垂直各個方向的流動，因此需要研究多相混合物在垂直管、傾斜管、水平管中的流動規律。可將實驗裝置加載井筒管柱的位移系統，其中設計有水平和垂直軌道，可以實現管道由水平到垂直任意角度的變換和定位，從而完成多角度管道流動實驗研究。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0042]圖1是本發明結構示意圖。
【具體實施方式】
[0043]下面結合附圖和實施例詳細說明本發明的實施方式。
[0044]如圖1所示，本實驗裝置主要包括供氣系統、供水系統、供油系統、氣液混合系統、多相分離系統、模擬井筒系統、參數測試系統、數據採集系統等。
[0045]1.供氣系統
[0046]該系統主要是用來提供恆定流速的氣體，並且流速和流量可調。可以供氮氣和空氣兩種氣源，可根據實驗需要進行選擇。主要包括空氣壓縮機1、氣體緩衝罐2、乾燥器3、氮氣源儲罐4、隔離器5和過濾器8等。空氣壓縮機I的氣體出口端與氣體緩衝罐2的氣體入口端連通，氮氣源儲罐4的氣體出口端與氣體緩衝罐2的氣體入口端連通，氣體緩衝罐2的氣體出口端通過與乾燥器3的氣體入口端連通且連接管道上設置有減壓閥18，乾燥器3的氣體出口端與隔離器5的氣體入口端相通且在連接管路上設置過濾器8，隔離器5的氣體出口端與氣液混合系統的氣體入口端相連通且在連接管道上設置有止回閥。氮氣源可以由制氮機和氮氣壓縮機提供。
[0047]空氣壓縮機I用於提供多相流體中的氣體流體。氣體緩衝罐2主要用於氣流量的穩定，附有壓力檢測、安全閥裝置。乾燥器3可將輸送氣體進行乾燥，保證其不含水分。隔離器5主要用於氣流體進入混合器前與液體流體隔離，防止混合器中的流體進入氣流路。
[0048]氣源通入供氣管路中，先進入氣體緩衝罐2，穩定壓力後，再經由乾燥器3進行乾燥，通過過濾器8，利用截止閥來控制其管路的開與關，採用電動流量調節閥進行氣體流量控制，通過隔離器5進入氣液混合系統。
[0049]2.供水系統
[0050]該系統主要是用來提供恆定流速的液體水，並且流速和流量可調。可以供冷水和熱水，依據實驗需要選擇。主要包括水箱9、熱水泵7和冷水泵12等，水箱9中設置有隔層，將其分為熱水室和冷水室，熱水室通過熱水泵7連接氣液混合系統的水相入口且在連接管道上設置有流量調節控制閥，冷水室通過冷水泵12連接氣液混合系統的水相入口且在連接管道上設置有流量調節控制閥。
[0051]水箱9主要用於水泵前的水貯存,熱水室中安裝有加熱和控溫設施,冷水室中安裝有冷卻和控溫設施，可以保證提供的冷水和熱水水溫恆定。水箱9的二室中均裝有液位計，可方便觀察液位情況。熱水泵7和冷水泵12帶有變頻控制器，可通過控制其轉速來控制其流量，並帶有電接點壓力表和安全閥雙重保護，確保系統的安全。
[0052]熱水由熱水室一側流出，通過截止閥，由熱水泵7提高壓力，電動閥控制其流量，經過測量儀表進入混合系統。冷水由冷水室一側流出，通過截止閥，由冷水泵12提高壓力，電動閥控制其流量，經過測量儀表進入氣液混合系統。
[0053]3.供油系統
[0054]該系統主要是用來提供恆定流速的液體油，並且流速和流量可調。主要包括油箱10和油泵11等，油箱10通過油泵11連接氣液混合系統的油相入口且在連接管道上設置有流量調節控制閥。
[0055]油箱10主要用於油泵11前的模擬油貯存，帶有加熱和控溫設施，可以模擬井底油溫，溫度依據實驗需要進行設定。油箱10裝有液位計，可方便觀察油麵位置。油泵11帶有變頻控制器，可通過控制其轉速來控制其流量，並帶有電接點壓力表和安全閥雙重保護，確保系統的安全。
[0056]油相由油箱10出油管流出，通過截止閥，由油泵11提高壓力，電動閥控制其流量，經過測量儀表進入氣液混合系統。
[0057]4.氣液混合系統
[0058]該系統主要是用來將供氣和供液線路提供的油氣水兩相或三相均勻混合，通入模擬井筒中。主要包括油氣水三相混合器14以及一些閥門和儀表，油氣水三相混合器14的氣相入口接供氣系統的出口，油氣水三相混合器14的油相入口接供油系統的出口，油氣水三相混合器14的水相入口接供水系統的出口，油氣水三相混合器14的混相出口接四通閥一15的一個接口，四通閥一 15的第二個接口接內管28的底端，第三個接口接外管29的底端，第四個接口接水箱9的入口和排汙池27。油氣水三相混合器14帶有加熱和控溫設施，使混合後溫度可在一定的範圍內調節。
[0059]打開供水管道上的截止閥和止回閥，則通入水相；打開供油管道上的截止閥和止回閥，則通入油相；打開供氣管道上的截止閥和止回閥，則通入氣相。根據實驗需要可以選擇油水、氣水、油氣兩相混合或油氣水三相混合。打開出口管道上的截止閥，流體通入四通閥一 15，可由內管入口管線31進入內管28，或由環空入口管線32進入外管29。四通閥一15可以實現其四個接口隨意組合連通，以達到方便控制流體進入內管28或外管29，實現單相或多相流體管內或環空流動實驗。
[0060]5.多相分離系統
[0061]該系統主要用於井筒出口端混合相流體的分離，所述多相分離系統包括多相分離器20、固體收集器22、背壓閥23和四通閥二 21等，四通閥二 21的一個接口接內管28的頂端，四通閥二 21的第二個接口接外管29的頂端，四通閥二 21的第三個接口接水箱9的熱水室出水管路，四通閥二 21的第四個接口接多相分離器20的混合相入口並在連接管道上設置有止回閥和固體收集器22，多相分離器20的水相出口分成兩路分別連接水箱9的熱水室和冷水室且在連接管道上設置有流量調節控制閥，多相分離器20的油相出口連接至油箱10且在連接管道上設置有流量調節控制閥，多相分離器20的氣相出口連接至氣體回收系統且連接管道上設置有背壓閥23。
[0062]多相分離器20用來分離油氣水兩相或三相物質，設備採用不鏽鋼材質製作而成，設計有帶清晰刻度的視窗，方便液位的觀察，且帶有液位控制系統，保持液位恆定。上端設計有不鏽鋼插管，連接背壓閥23和流量計，用於氣體的排出。調節背壓閥23，可將分離器的壓力穩定在設定值，從而保證模型管柱出口壓力恆定。下端設計有水相和油相出口以及排汙口，可對系統的液體排出。固體收集器22用於收集實驗中多相混合流體中的固體物質。
[0063]油氣水單相或多相流體由內管出口管線34或環空出口管線33流出，進入四通閥二21，經截止閥和止回閥後，由固體收集器22除去固體成分，進入多相分離器20，氣相分離後經過一個截止閥和一個背壓閥23後排空，水相經一個調節閥回流入水箱9，油相經一個調節閥回流到油箱10。
[0064]6.模擬井筒系統
[0065]該系統主要用於模擬井筒內管和套管中的多相流體的管內和環空流動狀態。主要包括豎直安裝於支架上的多節結構，每節由一個外管29和一個位於外管29中的與其同軸心的內管28組成，相鄰節之間，以連接法蘭和連接短節相連接，並以密封機構密封。
[0066]井筒高度約10m，短節連接。通常內管28的內徑60-70mm，外管29的內徑110-130mm，可根據實際需要選擇。內管28可以拆卸更換，可以調整選擇不同管徑。高壓井筒需用不鏽鋼材料製成，可耐壓1MPa以上，在管壁上用石英玻璃開透明視窗以便攝像和觀察。低壓井筒可用有機玻璃管代替，耐壓l_4MPa，管材透明，方便肉眼觀察。井筒內管與外管同心，垂直安裝，用支架固定，建有平臺，方便人員觀察實驗現象，且利於攝像設備安裝，井筒周圍需設有保護措施。
[0067]7.參數測試系統
[0068]測試系統主要實時測量系統中的壓力、溫度、差壓、空隙率、流量等參數。主要包括溫度傳感器16、壓力傳感器17、差壓傳感器26、液體流量計13、氣體流量計6、空隙率計24等部件。
[0069]所述溫度傳感器16至少設置於:隔離器5與油氣水三相混合器14的連接管道上、冷水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、熱水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、油泵10與油氣水三相混合器14的連接管道上、油氣水三相混合器14與四通閥一 15的連接管道上、模擬井筒系統的每一節上以及四通閥二 21與冷水室的連接管道上；
[0070]所述壓力傳感器17至少設置於:空氣壓縮機I與氣體緩衝罐2的連接管道上、氮氣源儲罐4與氣體緩衝罐2的連接管道上、氣體緩衝罐2上、氣體緩衝罐2與乾燥器3的連接管道上、隔離器5與油氣水三相混合器14的連接管道上、冷水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、熱水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、油泵10與油氣水三相混合器14的連接管道上、油氣水三相混合器14與四通閥一 15的連接管道上、模擬井筒系統的每一節上以及四通閥二 21與冷水室的連接管道上；
[0071]所述差壓傳感器26至少設置於:模擬井筒系統的若干不同高度處；
[0072]所述液體流量計13至少設置於:冷水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、熱水室與油氣水三相混合器14的連接管道上、油泵10與油氣水三相混合器14的連接管道上、多相分離器20與水箱9的連接管道上以及多相分離器20與油泵10的連接管道上；
[0073]所述氣體流量計6至少設置於:乾燥器3與隔離器5的連接管道上以及多相分離器20與氣體回收系統的連接管道上；
[0074]所述空隙率計24至少設置於:模擬井筒系統的若干不同高度處。
[0075]差壓傳感器26主要用於測量模擬井筒兩點間的差壓。壓力傳感器17主要用於測量系統管路中流體壓力及井筒中各處的壓力。溫度傳感器16用於測量系統管路中流體溫度和模擬井筒中的各處溫度。空隙率計24主要用於測量井筒管道中多相流體的真實含氣率。氣體流量計6和液體流量計13分別用於測量氣體和液體流體的流量。氣體的流量控制可以採用智能電動控制系統進行精確控制。實驗系統可採用粒子圖像測速技術(PIV)對流場進行測試，能夠了解氣體、液體、氣液混合物的速度分布。
[0076]該裝置設計有攝像監控系統，攝像監控系統共三套，主要採用攝像機25，分別安裝在井筒上端、中部及下端，用於連續拍攝井筒內流體流動畫面，不僅可觀察流動流型，還可輔助PIV技術測試井筒流場。
[0077]8.數據採集系統
[0078]數據採集系統與參數測量系統連接，包括同計算機30連接的數據採集卡，數據採集卡匯集溫度傳感器16、壓力傳感器17、差壓傳感器26、液體流量計13、氣體流量計6以及空隙率計24的數據後上傳至計算機30。
[0079]可將工作流程顯示在計算機30的界面上，實時顯示各點參數，實現人機對話，計算機自動控制流量。
[0080]本發明實驗裝置的功能實現過程如下:
[0081]本實驗裝置可以開展石油鑽採領域的多種多相流研究實驗。實驗中其它不用的管路一律關閉，保證整個實驗系統密封不洩露。
[0082]本發明中涉及的閥門如下:
[0083]Vl-26、V42-44均為截止閥、V27-32均為電動流量調節控制閥、V33-36均為止回閥、V37-41均為排汙閥。
[0084]1.油氣水單相管內或環空流動實驗
[0085]打開閥門V26、V9，開啟調節閥V30、V31，打開閥門V10、V25、V23，打開止回閥V34、V36，啟動油泵11，油相通過供油線路，流入四通閥一 15，由內管入口管線31進入管柱(即內管28)，由內管出口管線34通過四通閥二 21，經閥門V25、V36進入排出管線回流至油箱，實現油相單相流動實驗。
[0086]打開閥門V17、V44、V8，開啟調節閥V28、V32，打開閥門V10、V25、V23、V43，打開止回閥V33、V36，啟動冷水泵12，水相通過供水線路，流入四通閥一 15，由內管入口管線31進入管柱，由內管出口管線34通過四通閥二 21，經閥門V25、V36進入排出管線回流至水箱冷水室，實現水相單相流動實驗。
[0087]將上述單相實驗中進入內管入口管線31改為環空入口管線32，由環空出口管線33流出，則實現油氣水單相環空流動實驗。
[0088]2.油氣水兩相管內或環空流動實驗
[0089]打開閥門V17、V44、V8，開啟調節閥V28、V32，打開閥門V10、V25、V23、V43，打開止回閥V33、V36，啟動冷水泵12，水相通過供水線路，進入油氣水三相混合器14。打開閥門V26、V9，開啟調節閥V30、V31，打開止回閥V34，啟動油泵11，油相通過供油線路，進入油氣水三相混合器14。油水兩相混合物流入四通閥一 15，由內管入口管線31進入管柱，由內管出口管線34通過四通閥二 21，經閥門V25、V36進入多相分離器20，分離後油相和水相分別回流至油箱10和水箱9，實現油水兩相循環流動實驗。
[0090]以空氣作為氣源進行實驗，打開閥門V2、V4、V5、V7，開啟調節閥V27和止回閥V35，空氣由空氣壓縮機I供給，氣體緩衝罐2穩定壓力，經乾燥器3、過濾器8和隔離器5，輸送到油氣水三相混合器14。打開閥門V17、V44、V8，開啟調節閥V28、V32，打開閥門V10、V25、V23、V43，打開止回閥V33、V36，啟動冷水泵12，水相通過供水線路，進入油氣水三相混合器
14。氣水兩相混合物流入四通閥一 15，由內管入口管線31進入管柱，由內管出口管線34通過四通閥二 21，經閥門V25、V36進入多相分離器20，開通V20和背壓閥23，分離後氣相排空，水相回流至水箱，實現氣水兩相流動實驗。
[0091]打開閥門V26、V9，開啟調節閥V30、V31，打開閥門V10、V25、V23，打開止回閥V34、V36，啟動油泵11，油相通過供油線路，進入油氣水三相混合器14。以空氣作為氣源進行實驗，打開閥門V2、V4、V5、V7，開啟調節閥V27和止回閥V35，空氣由空氣壓縮機I供給，氣體緩衝罐2穩定壓力，經乾燥器3、過濾器8和隔離器5，輸送到油氣水三相混合器14。油氣兩相混合物流入四通閥一 15，由內管入口管線31進入管柱，由內管出口管線34通過四通閥二21，經閥門V25、V36進入多相分離器20，開通V20和背壓閥23，分離後氣相排空，油相回流至油箱，實現油氣兩相流動實驗。
[0092]將上述兩相實驗中進入內管入口管線31改為環空入口管線32，由環空出口管線33流出，則實現油氣水兩相環空流動實驗。
[0093]3.油氣水三相管內或環空流動實驗
[0094]打開閥門V17、V44、V8，開啟調節閥V28、V32，打開閥門V10、V25、V23、V43，打開止回閥V33、V36，啟動冷水泵12，水相通過供水線路，進入油氣水三相混合器14。打開閥門V26、V9，開啟調節閥V30、V31，打開止回閥V34，啟動油泵11，油相通過供油線路，進入油氣水三相混合器14。以空氣作為氣源進行實驗，打開閥門V2、V4、V5、V7，開啟調節閥V27和止回閥V35，空氣由空氣壓縮機I供給，氣體緩衝罐2穩定壓力，經乾燥器3、過濾器8和隔離器5，輸送到油氣水三相混合器14。油氣水三相混合物通過油氣水三相混合器14，流入四通閥一 15，由內管入口管線31進入管柱，由內管出口管線34通過四通閥二 21，經閥門V25、V36進入多相分離系統，開通V20和背壓閥23，分離後氣相排空，油相和水相分別回流至油箱10和水箱9，實現油氣水三相循環流動實驗。
[0095]將上述三相流動實驗中進入內管入口管線31改為環空入口管線32，由環空出口管線33流出，則實現油氣水兩相環空流動實驗。
[0096]4.井筒流動低溫冷卻傳熱實驗
[0097]在深水石油開發中，海水的低溫特性會造成井筒中部分井段溫度偏低，井筒與海水之間發生傳熱現象。實驗裝置可以研究深水情況下受海流影響的井筒內流體的低溫傳熱特性，內管代表與海水接觸的隔水管或者鑽杆等管路，內管與外管之間的環空內流體模擬深水環境。實驗管路最外層包裹保溫層，整個實驗測量系統可視為絕熱過程，符合能量守恆定律。實驗時熱流體(20_65°C)由帶有加熱器的水箱或油箱提供，從內管底端注入，可以是氣液兩相流(進入傳熱實驗段前已充分混合)，由內管頂端排出。冷流體(2_6°C)由帶有冷卻器的水箱提供，從環空頂端注入且流量可調，環空底端排出回流到水箱。這樣就形成一個模擬深水環境的井筒流動低溫冷卻傳熱過程。
[0098]水箱9中熱水室安裝有加熱器，將水加熱到一定溫度，打開閥門V16、V8、V10、V23、V25，開啟調節閥V29和止回閥V33、V36，啟動熱水泵7，熱水通過供水線路，流入四通閥一15，由內管入口管線31進入管柱，由內管出口管線34通過四通閥二 21，經閥門V25、V36進入排出管線，打開調節閥V32和閥門V42，熱水回流至水箱熱水室，完成熱水循環。水箱9冷水室安裝有冷卻器，將水冷卻到一定溫度，打開閥門V17、V19、VII，開啟調節閥V28，啟動冷水泵12，經閥門V19流入四通閥二 21，由環空入口管線33流入管柱，環空出口管線32流出管柱，通過四通閥一 15，經閥門Vll回流至水箱冷水室，完成冷水循環。由此實現熱水與冷水單相傳熱實驗。
[0099]打開閥門V16、V8、V10、V23、V25，開啟調節閥V29和止回閥V33、V36，啟動熱水泵7，熱水通過供水線路，進入油氣水三相混合器14。以空氣作為氣源進行實驗，打開閥門V2、V4、V5、V7，開啟調節閥V27和止回閥V35，空氣由空氣壓縮機I供給，氣體緩衝罐2穩定壓力，經乾燥器3、過濾器8和隔離器5，輸送至油氣水三相混合器14。氣水混合物在油氣水三相混合器14中加熱到一定溫度，流入四通閥一 15，由內管入口管線31進入管柱，由內管出口管線34通過四通閥二 21，經閥門V25、V36、V23進入多相分離器20，開通V20和背壓閥23，氣相分離後排空，打開調節閥V32和閥門V42，熱水回流至水箱熱水室，完成氣水混合物循環。打開閥門V17、V19、VII，開啟調節閥V28，啟動冷水泵12，經閥門V19流入四通閥二21，由環空入口管線33流入管柱，環空出口管線32流出管柱，通過四通閥一 15，經閥門Vll回流至水箱冷水室，完成冷水循環。由此實現氣水混合物與冷水傳熱實驗。
[0100]打開閥門V26、V25、V23，開啟調節閥V30、V31，打開閥門V9、V10和止回閥V34、V36，啟動油泵11，油相通過供油線路，進入油氣水三相混合器14。以空氣作為氣源進行實驗，打開閥門V2、V4、V5、V7，開啟調節閥V27和止回閥V35，空氣由空氣壓縮機I供給，氣體緩衝罐2穩定壓力，經乾燥器3、過濾器8和隔離器5，輸送至油氣水三相混合器14。油氣混合物在油氣水三相混合器14中加熱到一定溫度，流入四通閥一 15，由內管入口管線31進入管柱，由內管出口管線34通過四通閥二 21，經閥門V25、V36進入多相分離器20，開通V20和背壓閥23，分離後氣相排空，油相回流至油箱，完成油氣混合物循環。打開閥門V17、V19、V11，開啟調節閥V28，啟動冷水泵12，經閥門V19流入四通閥二 21，由環空入口管線33流入管柱，環空出口管線32流出管柱，通過四通閥一 15，經閥門Vll回流至水箱冷水室，完成冷水循環。由此實現油氣混合物與冷水傳熱實驗。
【權利要求】
1.一種多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，其特徵在於，包括: 用於提供恆定流速的氣體的供氣系統； 用於提供恆定流速的水的供水系統； 用於提供恆定流速的油的供油系統； 用於模擬井筒內管和環空中的多相流體流動狀態的模擬井筒系統； 與所述供氣系統、供水系統以及供油系統連接的用於將所述氣體、水以及油中的至少兩種進行混合的氣液混合系統，所述氣液混合系統的出口連接模擬井筒系統入口 ； 設置於模擬井筒系統出口的用於將流出井筒的混合相流體進行分離的多相分離系統； 以及設置於模擬井筒系統中的參數測量系統。
2.根據權利要求1所述多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，其特徵在於，所述供氣系統包括空氣壓縮機(I)、氣體緩衝罐(2)、乾燥器(3)、氮氣源儲罐(4)、隔離器(5)和過濾器(8)，空氣壓縮機⑴的氣體出口端與氣體緩衝罐⑵的氣體入口端連通，氮氣源儲罐(4)的氣體出口端與氣體緩衝罐(2)的氣體入口端連通，氣體緩衝罐(2)的氣體出口端通過與乾燥器(3)的氣體入口端連通且連接管道上設置有減壓閥(18)，乾燥器(3)的氣體出口端與隔離器(5)的氣體入口端相通且在連接管路上設置過濾器(8)，隔離器(5)的氣體出口端與氣液混合系統的氣體入口端相連通且在連接管道上設置有止回閥； 所述供水系統包括水箱(9)、熱水泵(7)和冷水泵(12)，水箱(9)中設置有隔層，將其分為熱水室和冷水室，熱水室通過熱水泵(7)連接氣液混合系統的水相入口且在連接管道上設置有流量調節控制閥，冷水室通過冷水泵(12)連接氣液混合系統的水相入口且在連接管道上設置有流量調節控制閥； 所述供油系統包括油箱(10)和油泵(11)，油箱(10)通過油泵(11)連接氣液混合系統的油相入口且在連接管道上設置有流量調節控制閥。
3.根據權利要求2所述多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，其特徵在於，所述模擬井筒系統包括豎直安裝於支架上的多節結構，每節由一個外管(29)和一個位於外管(29)中的與其同軸心的內管(28)組成，相鄰節之間，以連接法蘭和連接短節相連接； 所述氣液混合系統包括油氣水三相混合器(14)，油氣水三相混合器(14)的氣相入口接供氣系統的出口，油氣水三相混合器(14)的油相入口接供油系統的出口，油氣水三相混合器(14)的水相入口接供水系統的出口，油氣水三相混合器(14)的混相出口接四通閥一 (15)的一個接口，四通閥一(15)的第二個接口接內管(28)的底端，第三個接口接外管(29)的底端，第四個接口接水箱(9)的入口和排汙池(27)； 所述多相分離系統包括多相分離器(20)、固體收集器(22)、背壓閥(23)和四通閥二(21)，四通閥二(21)的一個接口接內管(28)的頂端，四通閥二(21)第二個接口接外管(29)的頂端，四通閥二(21)的第三個接口接水箱(9)的冷水室出水管路，四通閥二(21)的第四個接口接多相分離器(20)的混合相入口並在連接管道上設置有止回閥和固體收集器(22)，多相分離器(20)的水相出口分成兩路分別連接水箱(9)的熱水室和冷水室且在連接管道上設置有流量調節控制閥，多相分離器(20)的油相出口連接至油箱(10)且在連接管道上設置有流量調節控制閥，多相分離器(20)的氣相出口連接至氣體回收系統且連接管道上設置有背壓閥(23)。
4.根據權利要求2或3所述多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，其特徵在於，所述各個連接管道上均設置有截止閥。
5.根據權利要求4所述多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，其特徵在於，所述參數測量系統包括溫度傳感器(16)、壓力傳感器(17)、差壓傳感器(26)、液體流量計(13)、氣體流量計(6)以及空隙率計(24)，其中: 所述溫度傳感器(16)至少設置於:隔離器(5)與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、冷水室與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、熱水室與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、油泵(10)與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、油氣水三相混合器(14)與四通閥一(15)的連接管道上、模擬井筒系統的每一節上以及四通閥二(21)與冷水室的連接管道上； 所述壓力傳感器(17)至少設置於:空氣壓縮機(I)與氣體緩衝罐(2)的連接管道上、氮氣源儲罐(4)與氣體緩衝罐(2)的連接管道上、氣體緩衝罐(2)上、氣體緩衝罐(2)與乾燥器(3)的連接管道上、隔離器(5)與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、冷水室與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、熱水室與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、油泵(10)與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、油氣水三相混合器(14)與四通閥一(15)的連接管道上、模擬井筒系統的每一節上以及四通閥二(21)與冷水室的連接管道上； 所述差壓傳感器(26)至少設置於:模擬井筒系統的若干不同高度處； 所述液體流量計(13)至少設置於:冷水室與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、熱水室與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、油泵(10)與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、多相分離器(20)與水箱(9)的連接管道上以及多相分離器(20)與油泵(10)的連接管道上； 所述氣體流量計(6)至少設置於:乾燥器(3)與隔離器(5)的連接管道上以及多相分離器(20)與氣體回收系統的連接管道上； 所述空隙率計(24)至少設置於:模擬井筒系統的若干不同高度處。
6.根據權利要求5所述多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，其特徵在於，還包括視頻監控系統，由布置於模擬井筒系統不同高度處的多個攝像機(25)組成。
7.根據權利要求5所述多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，其特徵在於，還包括與所述參數測量系統連接的數據採集系統，所述數據採集系統包括同計算機(30)連接的數據採集卡，數據採集卡匯集溫度傳感器(16)、壓力傳感器(17)、差壓傳感器(26)、液體流量計(13)、氣體流量計￠)以及空隙率計(24)的數據後上傳至計算機(30)。
8.根據權利要求5所述多功能井筒油氣水多相流模擬實驗裝置，其特徵在於，還包括安全閥(19)，安全閥(19)至少設置於: 氣體緩衝罐(2)上、多相分離器(20)上、冷水室與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、熱水室與油氣水三相混合器(14)的連接管道上、油泵(10)與油氣水三相混合器(14)的連接管道上以及油氣水三相混合器(14)與四通閥一(15)的連接管道上。
【文檔編號】E21B49/00GK104234708SQ201410461202
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月11日 優先權日:2014年9月11日
【發明者】梁慧榮, 徐建寧, 朱端銀, 張帥 申請人:西安石油大學