一种多功能井筒油气水多相流模拟实验装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，该装置可以模拟油气水单相、两相和三相分别在井筒内管和环形空间中的多种条件下的多相流流动状况，研究其流场分布和流动特性，还可用于研究单相、多相流体在井筒内管与环空中流动时的传热规律；不仅可以实现多种实验条件下的研究工作，提高实验装置的利用率，而且操作方便，适应性强，应用广泛；该设备的建成将形成一个综合的井筒多相流动模拟实验平台，是一套功能比较完备的大型井筒多相流实验系统。
【专利说明】一种多功能井筒油气水多相流模拟实验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实验装置，特别涉及一种多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，用于模拟油气水单相、两相和三相分别在井筒内管和环形空间中的多种条件下的多相流流动状况，研究其流场分布和流动特性，还可用于研究单相和多相流体在井筒内管与环空中流动时的传热规律。
【背景技术】
[0002]在石油天然气开采和运输中，会经常遇到两相或多相流现象在钻井中，当钻遇油气藏生产层时，储层中产出的天然气进入井筒与钻井液混合，使井筒环空内简单的单相流变为复杂的气液两相流。自喷井采油时，当油井的井口压力大于原油的饱和压力时，井中为单相原油，当井底流压低于饱和压力时，整个油管为油气两相。在油藏开采中，普遍存在边底水，且在开采中后期，常采用注水、注气的方式来补充地层能量继续开采油田，因此流体从井底向地面流动过程中，油气水三相混合物通常存在于井筒中。在气举采油时，将高压气体连续不断地注入油管内，使油管内的液体与注入的高压气体混合，形成气液两相，降低液柱的密度，减少液柱对井底的回压，从而使油层与井底之间形成足够的生产压差，并在井筒环形空间中被举升到地面，则形成环空气液两相流。将高压气体注入环空内，则形成管内气液两相流。在油田开发中，使用抽油机采油时，抽油机通过抽油杆带动井下的深井泵，作上下往复运动,将井内液体抽至地面,井内液体通过油管与抽油杆柱之间的环形空间流出地面，则形成环空气液两相流。另外还有欠平衡钻井技术中的气液两相流问题，油气输送过程中管内的油气水多相流问题等等，均涉及到油气水两相或三相流动规律研究。
[0003]由此可见，多相流理论在油田生产过程中很重要。只有准确预测其流动规律，才能保证设备安全、经济地运行。因此，多相流理论研究既具有重要的学术价值，又有广泛的工程应用背景。但是很多学者在研究两相流或者多相流规律时，设计构建的实验系统应用范围比较局限，条件不太完善，不能适用多种情况的多相流研究。因此设计一套多功能的综合多相流研究实验系统是很有必要的。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，不仅可以实现多种实验条件下的研究工作，提高实验装置的利用率，且操作方便，适应性强，应用广泛。该设备的建成将形成一个综合的井筒多相流动模拟实验平台，是一套功能比较完备的大型井筒多相流实验系统。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0006]一种多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，包括:
[0007]用于提供恒定流速的气体的供气系统；
[0008]用于提供恒定流速的水的供水系统；
[0009]用于提供恒定流速的油的供油系统；
[0010]用于模拟井筒内管和环空中的多相流体流动状态的模拟井筒系统；
[0011]与所述供气系统、供水系统以及供油系统连接的用于将所述气体、水以及油中的至少两种进行混合的气液混合系统，所述气液混合系统的出口连接模拟井筒系统入口 ；
[0012]设置于模拟井筒系统出口的用于将流出井筒的混合相流体进行分离的多相分离系统；
[0013]以及设置于模拟井筒系统中的参数测量系统。
[0014]所述供气系统包括空气压缩机1、气体缓冲罐2、干燥器3、氮气源储罐4、隔离器5和过滤器8，空气压缩机I的气体出口端与气体缓冲罐2的气体入口端连通，氮气源储罐4的气体出口端与气体缓冲罐2的气体入口端连通，气体缓冲罐2的气体出口端通过与干燥器3的气体入口端连通且连接管道上设置有减压阀18，干燥器3的气体出口端与隔离器5的气体入口端相通且在连接管路上设置过滤器8，隔离器5的气体出口端与气液混合系统的气体入口端相连通且在连接管道上设置有止回阀；
[0015]所述供水系统包括水箱9、热水泵7和冷水泵12，水箱9中设置有隔层，将其分为热水室和冷水室，热水室通过热水泵7连接气液混合系统的水相入口且在连接管道上设置有流量调节控制阀，冷水室通过冷水泵12连接气液混合系统的水相入口且在连接管道上设置有流量调节控制阀；
[0016]所述供油系统包括油箱10和油泵11，油箱10通过油泵11连接气液混合系统的油相入口且在连接管道上设置有流量调节控制阀。
[0017]所述模拟井筒系统包括竖直安装于支架上的多节结构，每节由一个外管29和一个位于外管29中的与其同轴心的内管28组成，相邻节之间，以连接法兰和连接短节相连接；
[0018]所述气液混合系统包括油气水三相混合器14，油气水三相混合器14的气相入口接供气系统的出口，油气水三相混合器14的油相入口接供油系统的出口，油气水三相混合器14的水相入口接供水系统的出口，油气水三相混合器14的混相出口接四通阀一 15的一个接口，四通阀一 15的第二个接口接内管28的底端，第三个接口接外管29的底端，第四个接口接水箱9的入口和排污池27 ；
[0019]所述多相分离系统包括多相分离器20、固体收集器22、背压阀23和四通阀二 21，四通阀二 21的一个接口接内管28的顶端，四通阀二 21的第二个接口接外管29的顶端，四通阀二 21的第三个接口接水箱9的冷水室出水管路，四通阀二 21的第四个接口接多相分离器20的混合相入口并在连接管道上设置有止回阀和固体收集器22，多相分离器20的水相出口分成两路分别连接水箱9的热水室和冷水室且在连接管道上设置有流量调节控制阀，多相分离器20的油相出口连接至油箱10且在连接管道上设置有流量调节控制阀，多相分离器20的气相出口连接至气体回收系统且连接管道上设置有背压阀23。
[0020]所述各个连接管道上均设置有截止阀。
[0021]所述参数测量系统包括温度传感器16、压力传感器17、差压传感器26、液体流量计13、气体流量计6以及空隙率计24，其中:
[0022]所述温度传感器16至少设置于:隔离器5与油气水三相混合器14的连接管道上、冷水室与油气水三相混合器14的连接管道上、热水室与油气水三相混合器14的连接管道上、油泵10与油气水三相混合器14的连接管道上、油气水三相混合器14与四通阀一 15的连接管道上、模拟井筒系统的每一节上以及四通阀二 21与冷水室的连接管道上；
[0023]所述压力传感器17至少设置于:空气压缩机I与气体缓冲罐2的连接管道上、氮气源储罐4与气体缓冲罐2的连接管道上、气体缓冲罐2上、气体缓冲罐2与干燥器3的连接管道上、隔离器5与油气水三相混合器14的连接管道上、冷水室与油气水三相混合器14的连接管道上、热水室与油气水三相混合器14的连接管道上、油泵10与油气水三相混合器14的连接管道上、油气水三相混合器14与四通阀一 15的连接管道上、模拟井筒系统的每一节上以及四通阀二 21与冷水室的连接管道上；
[0024]所述差压传感器26至少设置于:模拟井筒系统的若干不同高度处；
[0025]所述液体流量计13至少设置于:冷水室与油气水三相混合器14的连接管道上、热水室与油气水三相混合器14的连接管道上、油泵10与油气水三相混合器14的连接管道上、多相分离器20与水箱9的连接管道上以及多相分离器20与油泵10的连接管道上；
[0026]所述气体流量计6至少设置于:干燥器3与隔离器5的连接管道上以及多相分离器20与气体回收系统的连接管道上；
[0027]所述空隙率计24至少设置于:模拟井筒系统的若干不同高度处。
[0028]本发明还可以包括视频监控系统，由布置于模拟井筒系统不同高度处的多个摄像机25组成。
[0029]本发明还可以包括与所述参数测量系统连接的数据采集系统，所述数据采集系统包括同计算机30连接的数据采集卡，数据采集卡汇集温度传感器16、压力传感器17、差压传感器26、液体流量计13、气体流量计6以及空隙率计24的数据后上传至计算机30。
[0030]本发明还包括安全阀19，安全阀19至少设置于:气体缓冲罐2上、多相分离器20上、冷水室与油气水三相混合器14的连接管道上、热水室与油气水三相混合器14的连接管道上、油泵10与油气水三相混合器14的连接管道上以及油气水三相混合器14与四通阀一15的连接管道上。
[0031 ] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0032]1.功能强大。
[0033]本装置集多种功能于一体，可完成油气水单相、两相和三相在管内或环形空间内的流动实验，研究流体的管内流动和环空流动规律，还可完成油气水单相、两相和三相以多种组合方式在管内和环空内流动的传热实验，研究其相互传热规律。
[0034]2.实时测量。
[0035]本装置带有自动控制系统，通过控制面板和数据采集软件实现数据实时测量和采集，并采用国内外的先进设备和仪器仪表，使数据测量准确又可靠。
[0036]3.操作方便。
[0037]本装置可根据实验需要控制阀门的切换，改变实验的流程，完成不同功能的实验。模拟井筒管柱可拆卸，可更换不同尺寸的内管和外管，也可将透明管柱与不锈钢管柱互换，同时方便清洗。
[0038]4.经济耐用。
[0039]本装置管线连接力求简短，并充分考虑场地空间和施工操作等要求，节省空间和耗材，设备功能考虑周全，节能耐用。
[0040]5.系统扩展。
[0041]装置扩展新功能简单方便，可实现多种形式流体不同组合的流动和传热实验。系统中管柱(即模拟井筒)为垂直形式安装，可将其扩展为多种形式。在石油输送过程中，由于输送过程中存在地面起伏等因素的影响，需要考虑油气水两相或三相混合物在水平、倾斜、垂直各个方向的流动，因此需要研究多相混合物在垂直管、倾斜管、水平管中的流动规律。可将实验装置加载井筒管柱的位移系统，其中设计有水平和垂直轨道，可以实现管道由水平到垂直任意角度的变换和定位，从而完成多角度管道流动实验研究。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1是本发明结构示意图。
【具体实施方式】
[0043]下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0044]如图1所示，本实验装置主要包括供气系统、供水系统、供油系统、气液混合系统、多相分离系统、模拟井筒系统、参数测试系统、数据采集系统等。
[0045]1.供气系统
[0046]该系统主要是用来提供恒定流速的气体，并且流速和流量可调。可以供氮气和空气两种气源，可根据实验需要进行选择。主要包括空气压缩机1、气体缓冲罐2、干燥器3、氮气源储罐4、隔离器5和过滤器8等。空气压缩机I的气体出口端与气体缓冲罐2的气体入口端连通，氮气源储罐4的气体出口端与气体缓冲罐2的气体入口端连通，气体缓冲罐2的气体出口端通过与干燥器3的气体入口端连通且连接管道上设置有减压阀18，干燥器3的气体出口端与隔离器5的气体入口端相通且在连接管路上设置过滤器8，隔离器5的气体出口端与气液混合系统的气体入口端相连通且在连接管道上设置有止回阀。氮气源可以由制氮机和氮气压缩机提供。
[0047]空气压缩机I用于提供多相流体中的气体流体。气体缓冲罐2主要用于气流量的稳定，附有压力检测、安全阀装置。干燥器3可将输送气体进行干燥，保证其不含水分。隔离器5主要用于气流体进入混合器前与液体流体隔离，防止混合器中的流体进入气流路。
[0048]气源通入供气管路中，先进入气体缓冲罐2，稳定压力后，再经由干燥器3进行干燥，通过过滤器8，利用截止阀来控制其管路的开与关，采用电动流量调节阀进行气体流量控制，通过隔离器5进入气液混合系统。
[0049]2.供水系统
[0050]该系统主要是用来提供恒定流速的液体水，并且流速和流量可调。可以供冷水和热水，依据实验需要选择。主要包括水箱9、热水泵7和冷水泵12等，水箱9中设置有隔层，将其分为热水室和冷水室，热水室通过热水泵7连接气液混合系统的水相入口且在连接管道上设置有流量调节控制阀，冷水室通过冷水泵12连接气液混合系统的水相入口且在连接管道上设置有流量调节控制阀。
[0051]水箱9主要用于水泵前的水贮存,热水室中安装有加热和控温设施,冷水室中安装有冷却和控温设施，可以保证提供的冷水和热水水温恒定。水箱9的二室中均装有液位计，可方便观察液位情况。热水泵7和冷水泵12带有变频控制器，可通过控制其转速来控制其流量，并带有电接点压力表和安全阀双重保护，确保系统的安全。
[0052]热水由热水室一侧流出，通过截止阀，由热水泵7提高压力，电动阀控制其流量，经过测量仪表进入混合系统。冷水由冷水室一侧流出，通过截止阀，由冷水泵12提高压力，电动阀控制其流量，经过测量仪表进入气液混合系统。
[0053]3.供油系统
[0054]该系统主要是用来提供恒定流速的液体油，并且流速和流量可调。主要包括油箱10和油泵11等，油箱10通过油泵11连接气液混合系统的油相入口且在连接管道上设置有流量调节控制阀。
[0055]油箱10主要用于油泵11前的模拟油贮存，带有加热和控温设施，可以模拟井底油温，温度依据实验需要进行设定。油箱10装有液位计，可方便观察油面位置。油泵11带有变频控制器，可通过控制其转速来控制其流量，并带有电接点压力表和安全阀双重保护，确保系统的安全。
[0056]油相由油箱10出油管流出，通过截止阀，由油泵11提高压力，电动阀控制其流量，经过测量仪表进入气液混合系统。
[0057]4.气液混合系统
[0058]该系统主要是用来将供气和供液线路提供的油气水两相或三相均匀混合，通入模拟井筒中。主要包括油气水三相混合器14以及一些阀门和仪表，油气水三相混合器14的气相入口接供气系统的出口，油气水三相混合器14的油相入口接供油系统的出口，油气水三相混合器14的水相入口接供水系统的出口，油气水三相混合器14的混相出口接四通阀一15的一个接口，四通阀一 15的第二个接口接内管28的底端，第三个接口接外管29的底端，第四个接口接水箱9的入口和排污池27。油气水三相混合器14带有加热和控温设施，使混合后温度可在一定的范围内调节。
[0059]打开供水管道上的截止阀和止回阀，则通入水相；打开供油管道上的截止阀和止回阀，则通入油相；打开供气管道上的截止阀和止回阀，则通入气相。根据实验需要可以选择油水、气水、油气两相混合或油气水三相混合。打开出口管道上的截止阀，流体通入四通阀一 15，可由内管入口管线31进入内管28，或由环空入口管线32进入外管29。四通阀一15可以实现其四个接口随意组合连通，以达到方便控制流体进入内管28或外管29，实现单相或多相流体管内或环空流动实验。
[0060]5.多相分离系统
[0061]该系统主要用于井筒出口端混合相流体的分离，所述多相分离系统包括多相分离器20、固体收集器22、背压阀23和四通阀二 21等，四通阀二 21的一个接口接内管28的顶端，四通阀二 21的第二个接口接外管29的顶端，四通阀二 21的第三个接口接水箱9的热水室出水管路，四通阀二 21的第四个接口接多相分离器20的混合相入口并在连接管道上设置有止回阀和固体收集器22，多相分离器20的水相出口分成两路分别连接水箱9的热水室和冷水室且在连接管道上设置有流量调节控制阀，多相分离器20的油相出口连接至油箱10且在连接管道上设置有流量调节控制阀，多相分离器20的气相出口连接至气体回收系统且连接管道上设置有背压阀23。
[0062]多相分离器20用来分离油气水两相或三相物质，设备采用不锈钢材质制作而成，设计有带清晰刻度的视窗，方便液位的观察，且带有液位控制系统，保持液位恒定。上端设计有不锈钢插管，连接背压阀23和流量计，用于气体的排出。调节背压阀23，可将分离器的压力稳定在设定值，从而保证模型管柱出口压力恒定。下端设计有水相和油相出口以及排污口，可对系统的液体排出。固体收集器22用于收集实验中多相混合流体中的固体物质。
[0063]油气水单相或多相流体由内管出口管线34或环空出口管线33流出，进入四通阀二21，经截止阀和止回阀后，由固体收集器22除去固体成分，进入多相分离器20，气相分离后经过一个截止阀和一个背压阀23后排空，水相经一个调节阀回流入水箱9，油相经一个调节阀回流到油箱10。
[0064]6.模拟井筒系统
[0065]该系统主要用于模拟井筒内管和套管中的多相流体的管内和环空流动状态。主要包括竖直安装于支架上的多节结构，每节由一个外管29和一个位于外管29中的与其同轴心的内管28组成，相邻节之间，以连接法兰和连接短节相连接，并以密封机构密封。
[0066]井筒高度约10m，短节连接。通常内管28的内径60-70mm，外管29的内径110-130mm，可根据实际需要选择。内管28可以拆卸更换，可以调整选择不同管径。高压井筒需用不锈钢材料制成，可耐压1MPa以上，在管壁上用石英玻璃开透明视窗以便摄像和观察。低压井筒可用有机玻璃管代替，耐压l_4MPa，管材透明，方便肉眼观察。井筒内管与外管同心，垂直安装，用支架固定，建有平台，方便人员观察实验现象，且利于摄像设备安装，井筒周围需设有保护措施。
[0067]7.参数测试系统
[0068]测试系统主要实时测量系统中的压力、温度、差压、空隙率、流量等参数。主要包括温度传感器16、压力传感器17、差压传感器26、液体流量计13、气体流量计6、空隙率计24等部件。
[0069]所述温度传感器16至少设置于:隔离器5与油气水三相混合器14的连接管道上、冷水室与油气水三相混合器14的连接管道上、热水室与油气水三相混合器14的连接管道上、油泵10与油气水三相混合器14的连接管道上、油气水三相混合器14与四通阀一 15的连接管道上、模拟井筒系统的每一节上以及四通阀二 21与冷水室的连接管道上；
[0070]所述压力传感器17至少设置于:空气压缩机I与气体缓冲罐2的连接管道上、氮气源储罐4与气体缓冲罐2的连接管道上、气体缓冲罐2上、气体缓冲罐2与干燥器3的连接管道上、隔离器5与油气水三相混合器14的连接管道上、冷水室与油气水三相混合器14的连接管道上、热水室与油气水三相混合器14的连接管道上、油泵10与油气水三相混合器14的连接管道上、油气水三相混合器14与四通阀一 15的连接管道上、模拟井筒系统的每一节上以及四通阀二 21与冷水室的连接管道上；
[0071]所述差压传感器26至少设置于:模拟井筒系统的若干不同高度处；
[0072]所述液体流量计13至少设置于:冷水室与油气水三相混合器14的连接管道上、热水室与油气水三相混合器14的连接管道上、油泵10与油气水三相混合器14的连接管道上、多相分离器20与水箱9的连接管道上以及多相分离器20与油泵10的连接管道上；
[0073]所述气体流量计6至少设置于:干燥器3与隔离器5的连接管道上以及多相分离器20与气体回收系统的连接管道上；
[0074]所述空隙率计24至少设置于:模拟井筒系统的若干不同高度处。
[0075]差压传感器26主要用于测量模拟井筒两点间的差压。压力传感器17主要用于测量系统管路中流体压力及井筒中各处的压力。温度传感器16用于测量系统管路中流体温度和模拟井筒中的各处温度。空隙率计24主要用于测量井筒管道中多相流体的真实含气率。气体流量计6和液体流量计13分别用于测量气体和液体流体的流量。气体的流量控制可以采用智能电动控制系统进行精确控制。实验系统可采用粒子图像测速技术(PIV)对流场进行测试，能够了解气体、液体、气液混合物的速度分布。
[0076]该装置设计有摄像监控系统，摄像监控系统共三套，主要采用摄像机25，分别安装在井筒上端、中部及下端，用于连续拍摄井筒内流体流动画面，不仅可观察流动流型，还可辅助PIV技术测试井筒流场。
[0077]8.数据采集系统
[0078]数据采集系统与参数测量系统连接，包括同计算机30连接的数据采集卡，数据采集卡汇集温度传感器16、压力传感器17、差压传感器26、液体流量计13、气体流量计6以及空隙率计24的数据后上传至计算机30。
[0079]可将工作流程显示在计算机30的界面上，实时显示各点参数，实现人机对话，计算机自动控制流量。
[0080]本发明实验装置的功能实现过程如下:
[0081]本实验装置可以开展石油钻采领域的多种多相流研究实验。实验中其它不用的管路一律关闭，保证整个实验系统密封不泄露。
[0082]本发明中涉及的阀门如下:
[0083]Vl-26、V42-44均为截止阀、V27-32均为电动流量调节控制阀、V33-36均为止回阀、V37-41均为排污阀。
[0084]1.油气水单相管内或环空流动实验
[0085]打开阀门V26、V9，开启调节阀V30、V31，打开阀门V10、V25、V23，打开止回阀V34、V36，启动油泵11，油相通过供油线路，流入四通阀一 15，由内管入口管线31进入管柱(即内管28)，由内管出口管线34通过四通阀二 21，经阀门V25、V36进入排出管线回流至油箱，实现油相单相流动实验。
[0086]打开阀门V17、V44、V8，开启调节阀V28、V32，打开阀门V10、V25、V23、V43，打开止回阀V33、V36，启动冷水泵12，水相通过供水线路，流入四通阀一 15，由内管入口管线31进入管柱，由内管出口管线34通过四通阀二 21，经阀门V25、V36进入排出管线回流至水箱冷水室，实现水相单相流动实验。
[0087]将上述单相实验中进入内管入口管线31改为环空入口管线32，由环空出口管线33流出，则实现油气水单相环空流动实验。
[0088]2.油气水两相管内或环空流动实验
[0089]打开阀门V17、V44、V8，开启调节阀V28、V32，打开阀门V10、V25、V23、V43，打开止回阀V33、V36，启动冷水泵12，水相通过供水线路，进入油气水三相混合器14。打开阀门V26、V9，开启调节阀V30、V31，打开止回阀V34，启动油泵11，油相通过供油线路，进入油气水三相混合器14。油水两相混合物流入四通阀一 15，由内管入口管线31进入管柱，由内管出口管线34通过四通阀二 21，经阀门V25、V36进入多相分离器20，分离后油相和水相分别回流至油箱10和水箱9，实现油水两相循环流动实验。
[0090]以空气作为气源进行实验，打开阀门V2、V4、V5、V7，开启调节阀V27和止回阀V35，空气由空气压缩机I供给，气体缓冲罐2稳定压力，经干燥器3、过滤器8和隔离器5，输送到油气水三相混合器14。打开阀门V17、V44、V8，开启调节阀V28、V32，打开阀门V10、V25、V23、V43，打开止回阀V33、V36，启动冷水泵12，水相通过供水线路，进入油气水三相混合器
14。气水两相混合物流入四通阀一 15，由内管入口管线31进入管柱，由内管出口管线34通过四通阀二 21，经阀门V25、V36进入多相分离器20，开通V20和背压阀23，分离后气相排空，水相回流至水箱，实现气水两相流动实验。
[0091]打开阀门V26、V9，开启调节阀V30、V31，打开阀门V10、V25、V23，打开止回阀V34、V36，启动油泵11，油相通过供油线路，进入油气水三相混合器14。以空气作为气源进行实验，打开阀门V2、V4、V5、V7，开启调节阀V27和止回阀V35，空气由空气压缩机I供给，气体缓冲罐2稳定压力，经干燥器3、过滤器8和隔离器5，输送到油气水三相混合器14。油气两相混合物流入四通阀一 15，由内管入口管线31进入管柱，由内管出口管线34通过四通阀二21，经阀门V25、V36进入多相分离器20，开通V20和背压阀23，分离后气相排空，油相回流至油箱，实现油气两相流动实验。
[0092]将上述两相实验中进入内管入口管线31改为环空入口管线32，由环空出口管线33流出，则实现油气水两相环空流动实验。
[0093]3.油气水三相管内或环空流动实验
[0094]打开阀门V17、V44、V8，开启调节阀V28、V32，打开阀门V10、V25、V23、V43，打开止回阀V33、V36，启动冷水泵12，水相通过供水线路，进入油气水三相混合器14。打开阀门V26、V9，开启调节阀V30、V31，打开止回阀V34，启动油泵11，油相通过供油线路，进入油气水三相混合器14。以空气作为气源进行实验，打开阀门V2、V4、V5、V7，开启调节阀V27和止回阀V35，空气由空气压缩机I供给，气体缓冲罐2稳定压力，经干燥器3、过滤器8和隔离器5，输送到油气水三相混合器14。油气水三相混合物通过油气水三相混合器14，流入四通阀一 15，由内管入口管线31进入管柱，由内管出口管线34通过四通阀二 21，经阀门V25、V36进入多相分离系统，开通V20和背压阀23，分离后气相排空，油相和水相分别回流至油箱10和水箱9，实现油气水三相循环流动实验。
[0095]将上述三相流动实验中进入内管入口管线31改为环空入口管线32，由环空出口管线33流出，则实现油气水两相环空流动实验。
[0096]4.井筒流动低温冷却传热实验
[0097]在深水石油开发中，海水的低温特性会造成井筒中部分井段温度偏低，井筒与海水之间发生传热现象。实验装置可以研究深水情况下受海流影响的井筒内流体的低温传热特性，内管代表与海水接触的隔水管或者钻杆等管路，内管与外管之间的环空内流体模拟深水环境。实验管路最外层包裹保温层，整个实验测量系统可视为绝热过程，符合能量守恒定律。实验时热流体(20_65°C)由带有加热器的水箱或油箱提供，从内管底端注入，可以是气液两相流(进入传热实验段前已充分混合)，由内管顶端排出。冷流体(2_6°C)由带有冷却器的水箱提供，从环空顶端注入且流量可调，环空底端排出回流到水箱。这样就形成一个模拟深水环境的井筒流动低温冷却传热过程。
[0098]水箱9中热水室安装有加热器，将水加热到一定温度，打开阀门V16、V8、V10、V23、V25，开启调节阀V29和止回阀V33、V36，启动热水泵7，热水通过供水线路，流入四通阀一15，由内管入口管线31进入管柱，由内管出口管线34通过四通阀二 21，经阀门V25、V36进入排出管线，打开调节阀V32和阀门V42，热水回流至水箱热水室，完成热水循环。水箱9冷水室安装有冷却器，将水冷却到一定温度，打开阀门V17、V19、VII，开启调节阀V28，启动冷水泵12，经阀门V19流入四通阀二 21，由环空入口管线33流入管柱，环空出口管线32流出管柱，通过四通阀一 15，经阀门Vll回流至水箱冷水室，完成冷水循环。由此实现热水与冷水单相传热实验。
[0099]打开阀门V16、V8、V10、V23、V25，开启调节阀V29和止回阀V33、V36，启动热水泵7，热水通过供水线路，进入油气水三相混合器14。以空气作为气源进行实验，打开阀门V2、V4、V5、V7，开启调节阀V27和止回阀V35，空气由空气压缩机I供给，气体缓冲罐2稳定压力，经干燥器3、过滤器8和隔离器5，输送至油气水三相混合器14。气水混合物在油气水三相混合器14中加热到一定温度，流入四通阀一 15，由内管入口管线31进入管柱，由内管出口管线34通过四通阀二 21，经阀门V25、V36、V23进入多相分离器20，开通V20和背压阀23，气相分离后排空，打开调节阀V32和阀门V42，热水回流至水箱热水室，完成气水混合物循环。打开阀门V17、V19、VII，开启调节阀V28，启动冷水泵12，经阀门V19流入四通阀二21，由环空入口管线33流入管柱，环空出口管线32流出管柱，通过四通阀一 15，经阀门Vll回流至水箱冷水室，完成冷水循环。由此实现气水混合物与冷水传热实验。
[0100]打开阀门V26、V25、V23，开启调节阀V30、V31，打开阀门V9、V10和止回阀V34、V36，启动油泵11，油相通过供油线路，进入油气水三相混合器14。以空气作为气源进行实验，打开阀门V2、V4、V5、V7，开启调节阀V27和止回阀V35，空气由空气压缩机I供给，气体缓冲罐2稳定压力，经干燥器3、过滤器8和隔离器5，输送至油气水三相混合器14。油气混合物在油气水三相混合器14中加热到一定温度，流入四通阀一 15，由内管入口管线31进入管柱，由内管出口管线34通过四通阀二 21，经阀门V25、V36进入多相分离器20，开通V20和背压阀23，分离后气相排空，油相回流至油箱，完成油气混合物循环。打开阀门V17、V19、V11，开启调节阀V28，启动冷水泵12，经阀门V19流入四通阀二 21，由环空入口管线33流入管柱，环空出口管线32流出管柱，通过四通阀一 15，经阀门Vll回流至水箱冷水室，完成冷水循环。由此实现油气混合物与冷水传热实验。
【权利要求】
1.一种多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，其特征在于，包括: 用于提供恒定流速的气体的供气系统； 用于提供恒定流速的水的供水系统； 用于提供恒定流速的油的供油系统； 用于模拟井筒内管和环空中的多相流体流动状态的模拟井筒系统； 与所述供气系统、供水系统以及供油系统连接的用于将所述气体、水以及油中的至少两种进行混合的气液混合系统，所述气液混合系统的出口连接模拟井筒系统入口 ； 设置于模拟井筒系统出口的用于将流出井筒的混合相流体进行分离的多相分离系统； 以及设置于模拟井筒系统中的参数测量系统。
2.根据权利要求1所述多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，其特征在于，所述供气系统包括空气压缩机(I)、气体缓冲罐(2)、干燥器(3)、氮气源储罐(4)、隔离器(5)和过滤器(8)，空气压缩机⑴的气体出口端与气体缓冲罐⑵的气体入口端连通，氮气源储罐(4)的气体出口端与气体缓冲罐(2)的气体入口端连通，气体缓冲罐(2)的气体出口端通过与干燥器(3)的气体入口端连通且连接管道上设置有减压阀(18)，干燥器(3)的气体出口端与隔离器(5)的气体入口端相通且在连接管路上设置过滤器(8)，隔离器(5)的气体出口端与气液混合系统的气体入口端相连通且在连接管道上设置有止回阀； 所述供水系统包括水箱(9)、热水泵(7)和冷水泵(12)，水箱(9)中设置有隔层，将其分为热水室和冷水室，热水室通过热水泵(7)连接气液混合系统的水相入口且在连接管道上设置有流量调节控制阀，冷水室通过冷水泵(12)连接气液混合系统的水相入口且在连接管道上设置有流量调节控制阀； 所述供油系统包括油箱(10)和油泵(11)，油箱(10)通过油泵(11)连接气液混合系统的油相入口且在连接管道上设置有流量调节控制阀。
3.根据权利要求2所述多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，其特征在于，所述模拟井筒系统包括竖直安装于支架上的多节结构，每节由一个外管(29)和一个位于外管(29)中的与其同轴心的内管(28)组成，相邻节之间，以连接法兰和连接短节相连接； 所述气液混合系统包括油气水三相混合器(14)，油气水三相混合器(14)的气相入口接供气系统的出口，油气水三相混合器(14)的油相入口接供油系统的出口，油气水三相混合器(14)的水相入口接供水系统的出口，油气水三相混合器(14)的混相出口接四通阀一 (15)的一个接口，四通阀一(15)的第二个接口接内管(28)的底端，第三个接口接外管(29)的底端，第四个接口接水箱(9)的入口和排污池(27)； 所述多相分离系统包括多相分离器(20)、固体收集器(22)、背压阀(23)和四通阀二(21)，四通阀二(21)的一个接口接内管(28)的顶端，四通阀二(21)第二个接口接外管(29)的顶端，四通阀二(21)的第三个接口接水箱(9)的冷水室出水管路，四通阀二(21)的第四个接口接多相分离器(20)的混合相入口并在连接管道上设置有止回阀和固体收集器(22)，多相分离器(20)的水相出口分成两路分别连接水箱(9)的热水室和冷水室且在连接管道上设置有流量调节控制阀，多相分离器(20)的油相出口连接至油箱(10)且在连接管道上设置有流量调节控制阀，多相分离器(20)的气相出口连接至气体回收系统且连接管道上设置有背压阀(23)。
4.根据权利要求2或3所述多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，其特征在于，所述各个连接管道上均设置有截止阀。
5.根据权利要求4所述多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，其特征在于，所述参数测量系统包括温度传感器(16)、压力传感器(17)、差压传感器(26)、液体流量计(13)、气体流量计(6)以及空隙率计(24)，其中: 所述温度传感器(16)至少设置于:隔离器(5)与油气水三相混合器(14)的连接管道上、冷水室与油气水三相混合器(14)的连接管道上、热水室与油气水三相混合器(14)的连接管道上、油泵(10)与油气水三相混合器(14)的连接管道上、油气水三相混合器(14)与四通阀一(15)的连接管道上、模拟井筒系统的每一节上以及四通阀二(21)与冷水室的连接管道上； 所述压力传感器(17)至少设置于:空气压缩机(I)与气体缓冲罐(2)的连接管道上、氮气源储罐(4)与气体缓冲罐(2)的连接管道上、气体缓冲罐(2)上、气体缓冲罐(2)与干燥器(3)的连接管道上、隔离器(5)与油气水三相混合器(14)的连接管道上、冷水室与油气水三相混合器(14)的连接管道上、热水室与油气水三相混合器(14)的连接管道上、油泵(10)与油气水三相混合器(14)的连接管道上、油气水三相混合器(14)与四通阀一(15)的连接管道上、模拟井筒系统的每一节上以及四通阀二(21)与冷水室的连接管道上； 所述差压传感器(26)至少设置于:模拟井筒系统的若干不同高度处； 所述液体流量计(13)至少设置于:冷水室与油气水三相混合器(14)的连接管道上、热水室与油气水三相混合器(14)的连接管道上、油泵(10)与油气水三相混合器(14)的连接管道上、多相分离器(20)与水箱(9)的连接管道上以及多相分离器(20)与油泵(10)的连接管道上； 所述气体流量计(6)至少设置于:干燥器(3)与隔离器(5)的连接管道上以及多相分离器(20)与气体回收系统的连接管道上； 所述空隙率计(24)至少设置于:模拟井筒系统的若干不同高度处。
6.根据权利要求5所述多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，其特征在于，还包括视频监控系统，由布置于模拟井筒系统不同高度处的多个摄像机(25)组成。
7.根据权利要求5所述多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，其特征在于，还包括与所述参数测量系统连接的数据采集系统，所述数据采集系统包括同计算机(30)连接的数据采集卡，数据采集卡汇集温度传感器(16)、压力传感器(17)、差压传感器(26)、液体流量计(13)、气体流量计￠)以及空隙率计(24)的数据后上传至计算机(30)。
8.根据权利要求5所述多功能井筒油气水多相流模拟实验装置，其特征在于，还包括安全阀(19)，安全阀(19)至少设置于: 气体缓冲罐(2)上、多相分离器(20)上、冷水室与油气水三相混合器(14)的连接管道上、热水室与油气水三相混合器(14)的连接管道上、油泵(10)与油气水三相混合器(14)的连接管道上以及油气水三相混合器(14)与四通阀一(15)的连接管道上。
【文档编号】E21B49/00GK104234708SQ201410461202
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】梁慧荣, 徐建宁, 朱端银, 张帅 申请人:西安石油大学