本发明涉及一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置及方法，属于油气开发过程中的井筒气液流态研究技术领域。
背景技术：
“十一五”以来，我国气田(低渗-致密气、页岩气、煤层气等)进入了大规模勘探开发阶段，且已经形成了以四川、鄂尔多斯、准格尔和塔里木等四大盆地为代表性的天然气生产基地。一方面，随着气藏开采的进行，地层能量逐渐衰竭，产量逐渐降低，地层开始产水；另一方面，目前气水同注开发也成为油气田重要的开发方式之一。因而，气、水在井筒中的多相流动形态普遍存在。多相管流物理模拟实验是研究井筒中气水流态的主要方式之一。
目前常用的多相管流井筒模型主要是透明有机玻璃管，具有代表性的西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室的多相流动模拟装置亦是如此(马小龙.南堡产水气井起泡剂优化及井下搅拌器研制[D].成都:西南石油大学,2015)，优点是可以实现气液混合后杂井筒中流动过程的全程可视化，但其可承受实验压力低于0.5MPa，因此不能模拟高压条件下的多相管流；此外，透明有机玻璃管一般在常温下工作，难以模拟中高温条件下的多相管流。为满足高压模拟条件，中国石油大学(华东)的王志远(含天然气水合物相变的环空多相流流型转化机制研究[D].青岛,2009)使用不锈钢管设计加工了多相管流模拟井筒，但是该模型不能使用可视化方式来进行流型的识别，而是基于空隙率波的特性参数曲线，如波动曲线、PDF曲线等进行间接识别；此外该不锈钢模型也没有安装加热保温装置，因而不具备开展中高温模拟实验的条件。
针对目前多相管流物理模拟装置“耐压不可视、可视不耐压”的问题，结合上述以透明有机玻璃和不锈钢多相流动模拟装置的优缺点，有必要设计并建立一套“耐温、耐压、可视”的井筒气液流态模拟实验装置，并提供其使用方法，可为研究注气井筒中、采气井筒中或排水采气过程中的气水流态特征及压力分布规律提供更为直观、且适用条件广泛的物理模拟手段及方法。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置。能够实现高温、高压条件下井筒中的气液流态分布可视化研究。
本发明还提供上述装置的实验方法。
本发明的技术方案如下：
一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置，包括井筒系统、气水增压注入系统；
井筒系统包括井筒模型、模型支架，模型支架用于固定支撑井筒模型，井筒模型上设有高压可视窗口，井筒模型外侧设有加温保温层，加温保温层用于给井筒模型加热保温；
气水增压注入系统包括液体增压注入装置、气体增压注入装置，液体增压注入装置和气体增压注入装置均通过高压管线与井筒模型连接，液体增压注入装置用以将液体注入到井筒模型中，气体增压注入装置用以将气体注入到井筒模型中。
根据本发明优选的，模型支架包括两个立架，两个立架顶端均设有轴承座，两个轴承座上设有支撑轴，支撑轴通过支撑圈与井筒模型外壁连接；立架底部设有升降脚和脚轮，脚轮用于带动整个井筒系统的移动，升降脚用于定点固定。井筒模型可随支撑轴空间转动，通过本支架可以模拟垂直至水平及中间任意角度井筒条件。
根据本发明优选的，井筒模型为圆柱形模型，井筒模型内径为76mm，高度为300cm，井筒模型为不锈钢材质。
进一步优选的，高压可视窗口为圆形窗口，高压可视窗口的内径为20mm。
进一步优选的，高压可视窗口对称分布于井筒模型的轴向两侧，每一侧的高压可视窗口之间的间距均为20cm，窗口均匀分布于井筒模型上，且沿井筒对称分布。
进一步优选的，高压可视窗口包括视窗体、高压玻璃、压环，视窗体与井筒模型通过贯穿口贯穿，高压玻璃与贯穿口之间设有密封垫，高压玻璃外侧设有压环，压环用以固定高压玻璃；高压玻璃为高硼硅强化玻璃，高压玻璃的耐压为30MPa。
根据本发明优选的，加温保温层包括电加热圈、保温套层，电加热圈设于井筒模型外侧，保温套层设于电加热圈外侧。加温保温层的可调温范围30-150℃。
根据本发明优选的，液体增压注入装置包括常压储液罐，常压储液罐通过高压管线与高压液体泵相连，高压液体泵通过高压管线与调压阀相连。
进一步优选的，高压液体泵与调压阀之间设有单向止回阀、液体流量计、压力传感器。
进一步优选的，常压储液罐的容积为2m3，用以储存水；高压液体泵排量0-2.0m3/h、工作压力0-15MPa，用以将常压储液罐内的水增压到实验压力；液体流量计测试范围0-2.0m3/h、工作压力0-15MPa，用以计量高压下水相流量；压力传感器测压范围0-30MPa，用以计量增压后流向井筒模型的水相压力；调压阀用以精确调节增压后流向井筒模型的水相压力；单向止回阀用以保持水相沿高压管线单向流动；高压管线内径13mm、耐压40MPa。
进一步优选的，气体增压注入装置包括气源瓶，气源瓶通过高压管线与气体增压系统相连，气体增压系统包括空气压缩机和气体增压泵，空气压缩机通过高压管线与气体增压泵连接；气体增压泵通过高压管线与高压储气罐相连，高压储气罐通过高压管线与调压阀相连。
进一步优选的，高压储气罐与调压阀之间设有高压气体流量计、单向止回阀，高压储气罐上设有压力传感器。
进一步优选的，空气压缩机排量400L/min、工作压力0.7MPa，用以驱动气体增压泵工作；所述的气体增压泵工作压力0-40MPa，用以将气体增压到高压储气罐中；高压储气罐容积1m3，耐压40MPa，用以存储高压气体；高压气体流量计测试范围0-2.0m3/h、工作压力0-15MPa，用以计量高压下气相流量；压力传感器测压范围0-30MPa，用以计量高压储气罐流向井筒模型的气相压力；调压阀用以精确调节高压储气罐流向井筒模型的气相压力；单向止回阀用以保持气相沿高压管线单向流动；高压管线内径13mm、耐压40MPa。
根据本发明优选的，高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置还包括可视化监测系统，可视化监测系统包括高速摄像机、摄像机支架、计算机，摄像机支架用以支撑摄像机，高速摄像机用以录制图像，高速摄像机的数量不超过高压可视窗口的数量，计算机用以安装图像处理软件对捕捉图像进行处理。
根据本发明优选的，所述的高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置还包括系统启停控制系统，系统启停控制系统包括控制柜，系统启停控制系统用以控制高压液体泵、气体增压泵、空气压缩机等设备的启停，并实现气体流量、液体流量、温度、气体压力、液体压力的数据采集。本发明中的控制系统将液体流量计、高压气体流量计、井筒模型中的温度计、压力传感器等高精度传感器集中连接于控制柜中，控制柜上配备对应显示仪表；高压液体泵、气体增压泵、空气压缩机、电加热圈等设备的起停控制开关均集中连接在控制柜中；此外，系统启停控制系统可与计算机相连，由计算机实时显示采集数据并控制设备开关。
一种利用上述高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：
1)设定井筒系统的实验温度；使用高压管线将液体增压注入装置、气体增压注入装置分别与井筒系统的接入口连接，将高速摄像机部署在井筒模型的中2/3部位，开启可视化监测系统；
2)设定高压液体泵的排量和工作压力，将常压储液罐中的水相增压至符合实验的要求范围；通过液体流量计和调压阀将增压后水相的压力和流量精确调控至实验目标数值；将根据实验设定的液相流量，将高压水相通过高压管线汇入到井筒系统中；
3)使用空气压缩机驱动气体增压泵工作，设定气体增压泵的工作压力，将气体(如氮气)增压至实验要求压力范围后注入到高压储气罐中备用；
4)根据实验设定的气液比，开启高压储气罐，使其存储的高压气体通过高压管线与步骤2)中的高压水相一同汇入到井筒系统中；
5)使用高速摄像机，通过井筒模型上的高压可视窗口录制气液两相在井筒中的流动状态；
6)使用计算机中的图像处理软件对高速摄像图像进行均一化处理，通过数据统计分析，以气泡平均尺度及气泡聚集密度为评价参数，分析不同条件下气水两相在井筒中的流型及其分布规律。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明由于井筒模型外侧安装了加温及保温套层，可以实现最高可达150℃高温条件下测试井筒中气液流态分布的目的。
(2)本发明使用了不锈钢作为井筒模型材质，可以实现高压条件下测试井筒中气液流态分布的目的；并且，由于使用了高硼硅强化玻璃作为可视窗，可以实现最高可达30MPa条件下可视化监测井筒中气液流态分布的目的。
(3)本发明中井筒模型底部安装脚轮、中部安装移动支架，可开展垂直、水平、倾斜等多角度下的井筒中气液两相流动模拟实验。
(4)本发明采用可视化监测和数据统计分析方法，以气泡平均尺度及气泡聚集密度为评价参数，分析气液流态图像，进而判别不同条件下气水两相在井筒中的流型及其分布规律，可以实现井筒中气液流态的定量描述。因此本发明可以同时实现“高温、高压、可视化、定量”研究不同角度井筒中的气液流态分布规律。与现有技术相比，本发明中的井筒模型兼具“耐高温(150℃)、耐高压(30MPa)、可视化”特点，可以更加实际模拟高温高压井筒中的气液流动形态；
附图说明
图1为本发明的一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置结构示意图；
图2为本发明的井筒系统结构侧视示意图；
图3为本发明的井筒模型高压可视窗口垂直剖面示意图；
图4为本发明的井筒模型高压可视窗口水平剖面示意图，为图3中的AA向视图；
其中：1、井筒模型、2、高压可视窗口，3、立架，4、轴承座，5、支撑轴，6、支撑圈，7、升降脚，8、脚轮，9、电加热圈，10、保温层，11、保温套，12、常压储液罐，13、高压液体泵，14、调压阀，15、单向止回阀，16、液体流量计，17、压力传感器，18、气源瓶，19、气体增压系统，19-1、空气压缩机，19-2、气体增压泵，20、高压储气罐，21、高压气体流量计，22、单向止回阀，23、压力传感器，24、视窗体，25、高压玻璃、26、压环，27、密封垫，28、DN10截止阀，29、压帽，30、堵头，31、控制柜。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置，包括井筒系统、气水增压注入系统。
井筒系统包括井筒模型、模型支架，模型支架用于固定支撑井筒模型，井筒模型上设有高压可视窗口，井筒模型外侧设有加温保温层，加温保温层用于给井筒模型加热保温。
气水增压注入系统包括液体增压注入装置、气体增压注入装置，液体增压注入装置和气体增压注入装置均通过高压管线与井筒模型连接，液体增压注入装置用以将液体注入到井筒模型中，气体增压注入装置用以将气体注入到井筒模型中。
实施例2：
一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置，其结构入实施例1所述，所不同的是，模型支架包括两个立架，两个立架顶端均设有轴承座，两个轴承座上设有支撑轴，支撑轴通过支撑圈与井筒模型外壁连接；立架底部设有升降脚和脚轮，脚轮用于带动整个井筒系统的移动，升降脚用于定点固定。井筒模型可随支撑轴空间转动，通过本支架可以模拟垂直至水平及中间任意角度井筒条件。井筒模型为圆柱形模型，井筒模型内径为76mm，高度为300cm，井筒模型为不锈钢材质。井筒模型顶部利用DN10截止阀、压帽、堵头进行封堵。高压可视窗口为圆形窗口，高压可视窗口的内径为20mm。高压可视窗口对称分布于井筒模型的轴向两侧，每一侧的高压可视窗口之间的间距均为20cm，窗口均匀分布于井筒模型上，且沿井筒对称分布。
实施例3：
一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置，其结构入实施例2所述，所不同的是，高压可视窗口包括视窗体、高压玻璃、压环，如图3、图4所示，视窗体与井筒模型通过贯穿口贯穿，高压玻璃与贯穿口之间设有密封垫，高压玻璃外侧设有压环，压环用以固定高压玻璃；高压玻璃为高硼硅强化玻璃，高压玻璃的耐压为30MPa。
实施例4：
一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置，其结构入实施例3所述，所不同的是，加温保温层包括电加热圈、保温套层，电加热圈设于井筒模型外侧，保温套层设于电加热圈外侧。加温保温层的可调温范围30-150℃。
实施例5：
一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置，其结构入实施例4所述，所不同的是，液体增压注入装置包括常压储液罐，常压储液罐通过高压管线与高压液体泵相连，高压液体泵通过高压管线与调压阀相连。高压液体泵与调压阀之间设有单向止回阀、液体流量计、压力传感器。
常压储液罐的容积为2m3，用以储存水；高压液体泵排量0-2.0m3/h、工作压力0-15MPa，用以将常压储液罐内的水增压到实验压力；液体流量计测试范围0-2.0m3/h、工作压力0-15MPa，用以计量高压下水相流量；压力传感器测压范围0-30MPa，用以计量增压后流向井筒模型的水相压力；调压阀用以精确调节增压后流向井筒模型的水相压力；单向止回阀用以保持水相沿高压管线单向流动；高压管线内径13mm、耐压40MPa。
实施例6：
一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置，其结构入实施例5所述，所不同的是，气体增压注入装置包括气源瓶，气源瓶通过高压管线与气体增压系统相连，气体增压系统包括空气压缩机和气体增压泵，空气压缩机通过高压管线与气体增压泵连接；气源瓶通过高压管线与气体增压泵连接，气体增压泵通过高压管线与高压储气罐相连，高压储气罐通过高压管线与调压阀相连。高压储气罐与调压阀之间设有高压气体流量计、单向止回阀，高压储气罐上设有压力传感器。
空气压缩机排量400L/min、工作压力0.7MPa，用以驱动气体增压泵工作；所述的气体增压泵工作压力0-40MPa，用以将气体增压到高压储气罐中；高压储气罐容积1m3，耐压40MPa，用以存储高压气体；高压气体流量计测试范围0-2.0m3/h、工作压力0-15MPa，用以计量高压下气相流量；压力传感器测压范围0-30MPa，用以计量高压储气罐流向井筒模型的气相压力；调压阀用以精确调节高压储气罐流向井筒模型的气相压力；单向止回阀用以保持气相沿高压管线单向流动；高压管线内径13mm、耐压40MPa。
实施例7：
一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置，其结构入实施例6所述，所不同的是，高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置还包括可视化监测系统，可视化监测系统包括高速摄像机、摄像机支架、计算机，高速摄像机的数量不超过高压可视窗口的数量，摄像机的数量可根据高压可视窗口的数量以及需要实际观测的井筒长度来确定，本发实施例中高压井筒可视化窗口共有14对，均为对开方式，一侧用以补充光源，一侧用以观测，因此摄像机最多可以安置14台。计算机用以安装图像处理软件(如常用商业软件Photoshop)对捕捉图像进行处理。
实施例8：
一种高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置，其结构入实施例7所述，所不同的是，所述的高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置还包括系统启停控制系统，系统启停控制系统包括控制柜，系统启停控制系统用以控制高压液体泵、气体增压泵、空气压缩机等设备的启停，并实现气体流量、液体流量、温度、气体压力、液体压力的数据采集。本实施例中的控制系统将液体流量计、高压气体流量计、井筒模型中的温度计、压力传感器等高精度传感器集中连接于控制柜中，控制柜上配备对应显示仪表；高压液体泵、气体增压泵、空气压缩机、电加热圈等设备的起停控制开关均集中连接在控制柜中；此外，系统启停控制系统可与计算机相连，由计算机实时显示采集数据并控制设备开关。
实施例9：
一种利用实施例8所述高温高压可视化井筒气液流态模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：
1)设定井筒系统的实验温度为140℃，该温度高于实验设定温度(120℃)，目的是保证水在井筒中流动时能够快速加温。使用高压管线将液体增压注入装置、气体增压注入装置分别与井筒系统的接入口连接，同时在井筒系统出口安装止回阀，设定止回压力为3MPa。将高速摄像机部署在井筒模型沿程的中2/3部位，开启可视化监测系统。
2)设定高压液体泵的排量为0.5m3/h、工作压力为3MPa，使用高压液体泵将将常压储液罐中的水相增压至3MPa后，通过液体流量计和调压阀将增压后水相的压力和流量精确调控至实验目标数值；将根据实验设定的液相流量，将高压水相通过高压管线汇入到井筒系统中，持续一定时间，使之在井筒中形成稳定流动。
3)开启空气压缩机驱动气体增压泵工作，设定气体增压泵的工作压力为20MPa，将气体(如存储于低压氮气瓶中的氮气)增压至实验要求压力范围后注入到高压储气罐中备用；
4)设定实验气液比为1:1，根据实验设定的气液比，缓慢打开高压储气罐阀门，开启高压储气罐，调节调压阀和单向止回阀，使排出气体的压力维持在3MPa，而后使其存储的高压气体通过高压管线与步骤2)中的高压水相混合后一同汇入到井筒系统中；
5)使用高速摄像机，通过井筒模型上的高压可视窗口录制气液两相在井筒中的流动状态；
6)使用计算机中的图像处理软件对高速摄像图像进行均一化处理，通过数据统计分析，以气泡平均尺度及气泡聚集密度为评价参数，分析不同条件下气水两相在井筒中的流型及其分布规律。