本实用新型涉及海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及一种水合物开采人工举升离心泵特性曲线测试系统。
背景技术：
天然气水合物资源是一种潜在的能源，具有分布范围广，资源量巨大，能量密度高的特点。目前水合物的开采仍然处于实验和探索阶段，离商业化的开采还有很长的距离。
目前国际的水合物试采表明，降压法是开采效果最佳的方法。降压法是通过人工举升的方式，抽取地层流体使储层压力降低，进而达到分解水合物的目的。因此，人工举升是降压法开采水合物中十分重要的环节，最常用的人工举升方式是电潜离心泵。在应用电潜离心泵进行人工举升的过程中，泵的排量、扬程、效率等特性参数的设计是确保人工举升效率和泵寿命的关键因素。因此，要实现水合物资源的高效开采，必须确定合理的电潜离心泵参数。
为达到人工举升的目的，进行离心泵特性曲线的测试实验是解决离心泵参数设计和泵型选择的必要手段之一。泵特性曲线是离心泵扬程、功率和效率与流量之间的关系曲线。特性曲线的传统测量方法是在实验室内进行测试，采集泵流量、泵进口压力、泵出口压力、电机功率、泵转速，通过调节阀门或泵的频率改变流量并采集相关数据，绘制扬程、泵功率、泵效率与流量特性曲线。测试介质为纯水，测试得到的特性曲线再根据实际工况进行校正。然而，开采过程中水合物的分解会产生气和水，同时由于水合物储层胶结差，产水产气过程中伴随着出砂。离心泵举升的是含有气和砂的液体，其特性曲线与纯水情况下存在较大差别。因此，传统方法测试得到的泵特性曲线无法适用于水合物开采过程中气、水、砂三相流体举升时泵的选型与参数设计。
因此，为满足天然气水合物资源开采的需求，为水合物开采人工举升离心泵的参数设计和泵型选择提供依据，本实用新型将公开一种模拟水合物开采真实井筒和流体环境下离心泵特性曲线的测试系统及相应的测试方法。
技术实现要素：
本实用新型针对目前离心泵特性曲线测试装置无法模拟水合物开采过程中井筒的气、水、砂三相流体环境的不足，提出一套既可以模拟真实井筒条件又可模拟真实流体环境的测试系统，该系统可以开展水合物开采井筒条件下，电潜离心泵的性能测试实验，获取不同含砂量和不同含气量条件下电潜离心泵的扬程、效率和功率随流量的关系曲线，进而分析含砂和含气对电潜离心泵性能的影响，为水合物开采人工举升离心泵的选择提供测试手段。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：水合物开采人工举升离心泵特性曲线测试系统，包括地下模拟井筒、水箱、水砂混合箱、砂配注器、气水砂分离器、空压机、离心泵和数据采集系统；所述水箱通过管道连接到水砂混合箱，所述水箱和水砂混合箱之间的管道上设置有管道泵和第一流量计；所述砂配注器通过管道连接到水砂混合箱，所述砂配注器和水砂混合箱之间的管道上设置有第一球阀；所述水砂混合箱通过水砂注入油管通向地下模拟井筒中，所述水砂注入油管上设置有渣浆泵、第二流量计和第二球阀；所述空压机，通过气注入管线通向地下模拟井筒中，所述气注入管线上设置有第三流量计和第三球阀；所述地下模拟井筒的底部设置有离心泵，离心泵的出口通过油管连接到设置在地面上的气水砂分离器，所述油管上设置有第四流量计；
所述数据采集系统包括PC机、控制器、第一压力计、第二压力计、功率计和转速表，所述第一压力计设置在离心泵的入口处，所述第二压力计设置在离心泵的出口处，功率计和转速表分别安装在离心泵的电机上；所述第一压力计、第二压力计、功率计和转速表分别与控制器电连接，所述控制器与PC机电连接。
进一步地，所述气注入管线上靠近空压机的位置设置有储气罐。
进一步地，所述油管上设置有减压阀。
进一步地，所述离心泵设置在地下模拟井筒中的位置高于水砂注入油管出口和气注入管线出口。
进一步地，所述气注入管线出口的位置低于水砂注入油管出口的位置。
进一步地，所述气水砂分离器分别通过回流管道与水箱和砂配注器相连。
本实用新型的另一个目的在于提供一种水合物开采人工举升离心泵特性曲线测试方法，包括以下步骤：
S1.在水箱中注满纯水，砂配置器中加入石英砂或沉积物，开启管道泵和砂配注器，向水砂混合箱向内注入水和砂；
S2.开启渣浆泵，将水砂混合箱内的水砂混合液注入到地下模拟井筒中；
S3.开启空压机，将空气通过气注入管线注入到地下模拟井筒中；
S4.开启离心泵和地面的气水砂分离器，将地下模拟井筒中的水砂混合液通过离心泵举升到地面后，经过气水砂分离器进行分离，分离后的水和砂分别返回到水箱和砂配置器中，重新进入实验过程；
S5.在保持气、水和砂的注入流量不变的情况下，调节离心泵的流量，重新进行测试；
S6.调整水和砂的注入比例，重复上述实验步骤，测试不同含砂量下，离心泵的特性曲线。
进一步地，所述步骤S5中，调节的离心泵的流量范围为离心泵额定流量的50％至额定流量的150％。
进一步地，所述步骤S5中，进行测试时，测试点数不少于10个。
本实用新型的水合物开采人工举升离心泵特性曲线测试系统，通过设计地下模拟井筒，将离心泵用油管下入到井中，模拟离心泵在真实井筒中的环境；通过向地下模拟井筒中注入水、砂和空气模拟水合物开采井筒中真实的流体状态，实现真实工况下离心泵工作特性的检测；离心泵举升到地面的水砂混合物质经过分离后重新进入到实验过程中，实现自循环地供水、供砂。
此系统建立地下模拟井筒，向井筒注入一定量的砂和气，可以模拟水合物开采过程中井筒中气、水、砂三相混合流体状态，进而在水合物开采井筒条件下进行电潜离心泵的性能测试实验，获取不同含砂量和不同含气量条件下电潜离心泵的扬程、效率和功率随流量的关系曲线，进而分析含砂和含气对电潜离心泵性能的影响，为水合物开采人工举升离心泵的选择提供测试手段。
附图说明
图1为本实用新型的系统的结构组成示意图；
图2为本实用新型的数据采集系统的模块连接示意图；
上述图中：1-地下模拟井筒；2-水箱；3-管道泵；4-第一流量计；5-砂配注器；6-第一球阀；7-水砂混合箱；8-渣浆泵；9-第二流量计；10-第二球阀；11-水砂注入油管；12-空压机； 13-储气罐；14-第三流量计；15-第三球阀；16-气注入管线；17-离心泵；18-油管；19-减压阀； 20-第四流量计；21-水砂分离器；22-数据采集系统；23-PC机；24-控制器；25-第一压力计； 26-第二压力计；27-功率计；28-转速表。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1
实施例1提供一种水合物开采人工举升离心泵特性曲线测试系统，如图1所示，包括地下模拟井筒1、水箱2、水砂混合箱7、砂配注器5、气水砂分离器21、储气罐13、空压机 12、离心泵17和数据采集系统22。
所述水箱2通过管道连接到水砂混合箱7，所述水箱2和水砂混合箱7之间的管道上设置有管道泵3和第一流量计4，其中，管道泵3用于将水注入到水砂混合箱7内，第一流量计4用于计量水的注入量。
所述砂配注器5通过管道连接到水砂混合箱7，所述砂配注器5和水砂混合箱7之间的管道上设置有第一球阀6，其中第一球阀6用于调节砂的注入量。
所述水砂混合箱7通过水砂注入油管11通向地下模拟井筒1中，所述水砂注入油管11 上设置有渣浆泵8、第二流量计9和第二球阀10，其中，渣浆泵8用于将水砂混合物注入地下模拟井筒1中，第二流量计9用于计量水砂混合物的注入量，第二球阀10用于调节水砂混合物的注入量。
所述储气罐13的一端连接有空压机12，另一端通过气注入管线16通向地下模拟井筒1 中，所述气注入管线16上设置有第三流量计14和第三球阀15，其中，储气罐13的设置是为了起到缓冲的作用，第三流量计14用于计量气的注入量，第三球阀15用于调节气的注入量。
所述地下模拟井筒1的底部设置有离心泵17，在地下模拟井筒1中，气注入管线16的出口低于水砂注入油管11的出口，这样能够保证气液的混合效果。离心泵17设置的位置高于水砂注入油管11的出口和气注入管线16的出口，这样才能保证送入到气水砂分离器21中的是混合好后的气水砂混合物。
离心泵17的出口通过油管18连接到设置在地面上的气水砂分离器21，所述油管18上设置有第四流量计20和减压阀19，其中，第四流量计20用于计量气水砂混合物的注入量，减压阀19的设置是为了将系统压力减小到2.5MPa以下，确保水砂分离器18和第四流量计 20的正常工作。
所述气水砂分离器21分别通过回流管道与水箱2和砂配注器5相连。气水砂分离器21 分离的空气直接排向大气中，分离的水和砂重新进入到水箱2和砂配注器5中。
如图2所示，所述数据采集系统22包括PC机23、控制器24、第一压力计25、第二压力计26、功率计27和转速表28，所述第一压力计25设置在离心泵17的入口处，用于采集离心泵17入口处的压力；所述第二压力计26设置在离心泵17的出口处，用于采集离心泵17 出口处的压力；功率计27和转速表28分别安装在离心泵17的电机上，功率计27用于采集离心泵电机的功率，转速表28用于采集离心泵电机的转速；所述第一压力计25、第二压力计26、功率计27和转速表28分别与控制器24电连接，所述控制器24与PC机23电连接。
本实施例的测试系统可实现水合物开采人工举升离心泵特性曲线的测量，此系统建立地下模拟井筒，向井筒注入一定量的砂和气，可以模拟水合物开采过程中井筒中气、水、砂三相混合流体状态，进而在水合物开采井筒条件下进行电潜离心泵的性能测试实验，获取不同含砂量和不同含气量条件下电潜离心泵的扬程、效率和功率随流量的关系曲线，进而分析含砂和含气对电潜离心泵性能的影响，为水合物开采人工举升离心泵的选择提供测试手段。
实施例2
对应实施例1的装置，实施例2提供一种水合物开采人工举升离心泵特性曲线测试方法，包括以下步骤：
S1.在水箱中注满纯水，砂配置器中加入石英砂或沉积物，开启管道泵和砂配注器，向水砂混合箱向内注入水和砂；
S2.开启渣浆泵，将水砂混合箱内的水砂混合液注入到地下模拟井筒中；
S3.开启空压机，将空气通过气注入管线注入到地下模拟井筒中；
S4.开启离心泵和地面的水砂分离器，将地下模拟井筒中的水砂混合液通过离心泵举升到地面后，经过水砂分离器进行分离，分离后的水和砂分别返回到水箱和砂配置器中，重新进入实验过程；
S5.在保持气、水和砂的注入流量不变的情况下，调节离心泵的流量，重新进行测试；为了保证测试的精确度，调节的离心泵的流量范围为离心泵额定流量的50％至额定流量的150％，测试点数不少于10个；
S6.调整水和砂的注入比例，重复上述实验步骤，测试不同含砂量下，离心泵的特性曲线。
本实施例的测试方法可实现水合物开采人工举升离心泵特性曲线的测量，通过向地下模拟井筒注入一定量的砂和气，可以模拟水合物开采过程中井筒中气、水、砂三相混合流体状态，进而在水合物开采井筒条件下进行电潜离心泵的性能测试实验，获取不同含砂量和不同含气量条件下电潜离心泵的扬程、效率和功率随流量的关系曲线，进而分析含砂和含气对电潜离心泵性能的影响，为水合物开采人工举升离心泵的选择提供测试手段。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。