一种海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置的制作方法

本发明属于海洋油气开采技术领域，尤其涉及一种海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置。

背景技术：

海底石油天然气在开采过程中，经过井口设备过滤之后，井流介质中仍携带有微小的砂粒和微量气体，随着输送过程流动速度以及运动方向的改变，尤其是当液体流速较小时，砂粒极易在后续管道输送过程中曲率较大的弯管段及立管段中沉积，严重时会导致堵塞，影响正常生产。

另外，颗粒的沉积特性受介质的流动特性影响显著，确定介质携带砂粒的运动状况，对于管输介质安全运行具有重要意义。因此需要针对海底管道输送过程的流体携砂能力及砂沉积特性进行详细的实验研究，确定输送管道携砂量、砂堵重启所需要的条件等为不同输送工况下管道特定位置处发生砂堵的风险评估提供依据。

技术实现要素：

针对海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的问题，本发明提供一种海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，根据不同的输送工况测得不同粒径的砂粒的运动情况，同时得到等尺寸弯管段条件下砂粒堵塞后重新启动时所需的条件，为不同输送工况下管道发生砂堵的风险评估提供依据，实现海洋油气的安全、高效生产运行。

为了实现上述功能，本发明专利采用了如下的技术方案：

一种海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，包括立管段、弯管段、加砂罐、供气系统、供水系统和数据采集系统以及砂粒运动监测系统；所述立管段和弯管段成一体式“L”型管段，所述供气系统和供水系统均与气液混合器相连，所述气液混合器之后依次连接加沙罐、弯管段和立管段，所述数据采集系统用于分别对供气管路、气液混合管路、弯管段和立管段上的压力信号进行采集，所述砂粒运动监测系统用于对弯管段和立管段中的砂粒状态进行监测。

优选地，所述供气系统包括压缩机和供气管路，所述压缩机通过供气管路依次连接有缓冲罐和气体流量计以及第一压力变送器；

所述供水系统包括储水罐和供水管路，所述储水罐通过供水管路依次连接有离心泵和液体流量计；

所述供气管路和供水管路提供的气液通过气液混合器混合，所述气液混合管路上设置有第二压力变送器，之后气液混合管路与加沙罐连接，所述加沙罐依次又连接弯管段和立管段；

所述加沙罐上方设置有通过第一球阀控制的第一加沙漏斗，加沙罐内部设置有搅拌器；

所述立管段顶部设置有通过第二球阀控制的第二加沙漏斗，所述弯管段和立管段上依次设置有第三压力变送器，第四压力变送器，第五压力变送器，第六压力变送器和第七压力变送器，对应所述立管段上的第五压力变送器，第六压力变送器和第七压力变送器依次在立管段上设置有下取样阀门，中取样阀门和上取样阀门，在所述立管段上还设置刻度标尺；所述立管段顶部的介质流出口设置有与储水罐连通的回管路，所述回管路上设置有筛分设备；

所述数据采集系统包括数据采集卡，所述数据采集卡分别与第一压力变送器、第二压力变送器、第三压力变送器、第四压力变送器、第五压力变送器、第六压力变送器和第七压力变送器通过线路连接；

所述砂粒运动监测系统包括高速摄像机，所述高速摄像机用于在实验过程中对弯管段和立管段中的砂粒运动情况进行摄制监测。

优选地，在所述供气系统的供气管路上，所述压缩机与所述缓冲罐之间管路上设置有第一阀门，所述缓冲罐和所述气体流量计之间管路上设置有第二阀门，所述第一压力变送器和所述气液混合器之间管路上设置有第三阀门；在所述供水系统的供水管路上，所述储水罐与所述离心泵之间管路上设置有第四阀门，所述离心泵和所述液体流量计之间管路上设置有第五阀门，所述液体流量计和所述气液混合器之间管路上设置有第六阀门。

优选地，所述弯管段、立管段和加砂罐均采用透明有机玻璃管。

一种海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，其研究立管携砂实验的方法步骤为：

步骤一：初始时，整个实验装置的阀都处于关闭状态，且整个实验装置中充满气体；首先，依次开启第四阀门、第五阀门和第六阀门，储水罐中的水通过离心泵泵送先后进入到加砂罐、弯管段和立管段中；其次，缓慢调节离心泵的扬程使立管段中的液位维持在立管段的刻度标尺以上且没有水进入到筛分设备中；再者，缓慢调节第一球阀使加砂罐中的气体全部放出，根据是否有气体的进入，选择依次打开第一阀门、第二阀门、第三阀门并快速打开压缩机调节气量，一段时间之后有稳定的气量经过弯管段进入到立管段中；最后，打开数据采集卡和高速摄像机，开始记录第二压力变送器、第三压力变送器、第四压力变送器、第五压力变送器、第六压力变送器和第七压力变送器的数据；

步骤二：首先，打开第二球阀，将配置好的一定粒径一定溶度的砂粒悬浊液通过第二加砂漏斗加入到立管段中，随后关闭第二球阀，通过高速摄像机观察立管段中砂粒的运动情况，当砂粒下沉降到立管段底部时，调节离心泵缓慢改变液体流量，同时通过数据采集卡采集到的立管段上第五压力变送器、第六压力变送器、第七压力变送器的压力信息和高速摄像机对立管段中的沙粒情况的摄制监测信息以及参照立管段上的刻度标尺观测立管段中砂粒的运动情况，通过计量砂粒通过不同刻度线的时间得到砂粒的运动速度，进而判断砂粒在立管段中是否平衡；其次，分别打开立管段上的下取样阀门、中取样阀门和上取样阀门对立管段中不同位置处的砂粒进形取样，随后测得立管段中不同位置砂粒在不同时间溶度的变化，则其对应的液相流速为该尺寸颗粒在该浓度下对应的临界流速；最后，对数据数据采集卡采集的压力信号、高速摄像机摄制的视频、测得的砂粒运动规律和临界流速以及采集的溶度变化做好记录。

步骤三：在步骤二结束后，重新调节离心泵加大液量，将立管段中剩余的砂粒携带出去，然后重复步骤一，打开第二球阀通过第二加砂漏斗向立管段中加入不同粒径和溶度的砂粒进行下一组实验，接着重复步骤二。

优选地，上述步骤三中从立管段中携带出去的剩余砂粒通过立管段顶部的介质流出口到达回管路上的筛分设备进行筛分，砂粒被分离，水流回到储水罐中循环利用。

一种海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，其研究弯管砂堵实验的方法步骤为：

步骤一：初始时，整个实验装置的阀都处于关闭状态，且整个实验装置中充满气体；首先，依次开启第四阀门、第五阀门和第六阀门，储水罐中的水通过离心泵送先后进入到加砂罐、弯管段和立管段中；其次，缓慢调节离心泵的扬程使立管段中的液位维持在立管段的刻度标尺以上且没有水进入到筛分设备中；再者，缓慢调节第一球阀使加砂罐中的气体全部放出；最后，打开数据采集卡和高速摄像机，开始记录第四压力变送器、第五压力变送器、第六压力变送器和第七压力变送器的数据；

步骤二：首先，打开第二球阀，通过第二加砂漏斗向立管段中加入一定量的一定尺寸的砂粒悬浊液，直至立管段底部弯管段34被完全堵住；其次，调节离心泵增大频率，当弯管段上游的压力达到一定值时，弯管段的管道就会打开；再次，调节离心泵继续增大液体流量，观察不同流速下稳定后管道口径变化，并记录数据；最后，对在整个实验过程中数据采集卡采集到的第二压力变送器、第三压力变送器、第四压力变送器、第五压力变送器、第六压力变送器和第七压力变送器的压力信息进行分析，得到该工况下管道打开的临界压差；

步骤三：改变砂粒的粒径和砂粒的量，重复步骤一，得到不同工况下，弯管砂堵重启需要的压差数据及管道口径的变化数据；

步骤四：实验结束后，加大气液流量，将剩余的砂粒携带出弯管段。

一种海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，其研究加砂罐砂堵实验的方法步骤为：

步骤一：初始时，整个实验装置的阀都处于关闭状态；首先，打开第一球阀，通过第一加砂漏斗向加砂罐中加入一定量一定尺寸的砂粒悬浮液直至堵塞加砂罐的入口管道；其次，依次开启第四阀门、第五阀门、第六阀门和第一阀门、第二阀门、第三阀门，并调节气液流量为一定值，直到管道打开并稳定；再者，调节气液流量记录不同工况下稳定后管道口径大小；最后，对在整个实验过程中数据采集卡采集到的第二压力变送器、第三压力变送器、第四压力变送器、第五压力变送器、第六压力变送器和第七压力变送器的压力信息进行分析，得到管道打开时的最大压差；

步骤二：改变砂粒的粒径和砂粒的量，重复步骤一，得到不同工况下，加砂罐砂堵重启需要的压差数据；

步骤三：实验结束后，打开搅拌器，开大气液流量，将剩余的砂粒清除出加砂罐。

一种海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，其研究加砂罐和弯管砂堵实验的方法步骤为：

同时加砂堵塞弯管段和加砂罐，调节气液流量，得到管道打开时的压力数据及不同流速时管道口径大小变化。

优选地，上述整个实验过程中采用的介质为水、空气和石英砂。

本发明的有益效果是：根据不同的输送工况测得不同粒径的砂粒的运动情况，同时得到等尺寸条件下砂粒堵塞弯管段后重新启动时所需的条件，为不同输送工况下管道发生砂堵的风险评估提供依据，实现海洋油气的安全、高效生产运行。具体地，通过提供一种海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，并通过试验得到油气输送过程中，微小砂粒的运动情况，测得不同粒径砂粒平衡时的运动状态，与油气输送立管等尺寸的弯管和加砂罐分别砂堵及耦合影响，得到对应流速下砂堵重启所需时间、砂堵装置前后压差变化、管道口径大小等的变化，对输送过程管道内流体的携砂能力及砂沉积特性进行详细的实验研究，确定立管携砂量、沙堵重启所需要的条件等为不同输送工况下管道发生砂堵的风险评估提供依据。

附图说明

图1是本发明海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置的原理示意图；

图2是图1加砂罐砂的具体结构示意图；

图3是图1中弯管段和立管段的具体结构示意图。

其中：1-压缩机，2-第一阀门，3-缓冲罐，4-第二阀门，5-气体流量计，6-第三阀门，7-第一压力变送器，8-第四阀门，9-离心泵，10-第五阀门，11-液体流量计，12-第六阀门，13-气液混合器，14-第二压力变送器，15-加砂罐，16-第三压力变送器，17-第四压力变送器，18-第一球阀，19-第一加砂漏斗，20-第五压力变送器，21-下取样阀门，22-第六压力变送器，23-中取样阀门，24-刻度标尺，25-第七压力变送器，26-上取样阀门，27-第二球阀，28-第二加砂漏斗，29-高速摄像机，30-筛分设备，31-储水罐，32-数据采集卡，33-搅拌器，34-弯管段，35-立管段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置的原理示意图；图2是图1加砂罐砂的具体结构示意图；图3是图1中弯管段和立管段的具体结构示意图。

如图1-3所示，一种海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，包括立管段35、弯管段34、加砂罐15、供气系统、供水系统和数据采集系统以及砂粒运动监测系统；其中立管段35和弯管段34成一体式“L”型管段，而供气系统和供水系统均与气液混合器13相连，气液混合器13之后依次连接加沙罐15、弯管段34和立管段35，即弯管段34的上游与加沙罐15相连，弯管段34的下游与立管段35连通；其中数据采集系统用于分别对供气管路、气液混合管路、弯管段34和立管段35上的压力信号进行采集，而砂粒运动监测系统用于对弯管段34和立管段35中的砂粒状态进行监测。

优选地，供气系统包括压缩机1和供气管路，其中压缩机1通过供气管路依次连接有缓冲罐3和气体流量计5以及第一压力变送器7；

供水系统包括储水罐31和供水管路，其中储水罐31通过供水管路依次连接有离心泵9和液体流量计11；

供气管路和供水管路提供的气液通过气液混合器13混合，气液混合管路上设置有第二压力变送器14，之后气液混合管路与加沙罐15连接，而加沙罐15依次又连接弯管段34和立管段35；

加沙罐15上方设置有通过第一球阀18控制的第一加沙漏斗19，加沙罐15内部设置有搅拌器33；

立管段35顶部设置有通过第二球阀27控制的第二加沙漏斗28，且弯管段34和立管段35上依次设置有第三压力变送器16，第四压力变送器17，第五压力变送器20，第六压力变送器22和第七压力变送器25，其中对应立管段35上的第五压力变送器20，第六压力变送器22和第七压力变送器25依次在立管段35上设置有下取样阀门21，中取样阀门23和上取样阀门26，另外在立管段35上还设置刻度标尺24；

数据采集系统包括数据采集卡32，其中数据采集卡32分别与第一压力变送器7、第二压力变送器14、第三压力变送器16、第四压力变送器17、第五压力变送器20、第六压力变送器22和第七压力变送器25通过线路连接，进而对相应管路上的压力信号进行采集；

砂粒运动监测系统包括高速摄像机19，其中高速摄像机19用于在实验过程中对弯管段34和立管段35中的砂粒运动情况进行摄制监测。

优选地，立管段35顶部的介质流出口设置有与储水罐31连通的回管路，其中回管路上设置有筛分设备30，该筛分设备30用于将从立管段35中携带出的水砂气混合物进行筛分，进而将沙粒分离，并使水流回到储水罐31中循环利用。

优选地，在供气系统的供气管路上，压缩机1与缓冲罐3之间管路上设置有第一阀门2，缓冲罐3和气体流量计5之间管路上设置有第二阀门4，第一压力变送器7和气液混合器13之间管路上设置有第三阀门6；而在供水系统的供水管路上，储水罐31与离心泵9之间管路上设置有第四阀门8，离心泵9和液体流量计11之间管路上设置有第五阀门10，液体流量计11和气液混合器13之间管路上设置有第六阀门12。

优选地，弯管段34、立管段35和加砂罐15均采用透明有机玻璃管。

本发明提供的海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，其研究立管携砂实验的具体操作如下：

步骤一：初始时，整个实验装置的阀都处于关闭状态，且整个实验装置中充满气体；首先，依次开启第四阀门8、第五阀门10和第六阀门12，储水罐30中的水通过离心泵9泵送先后进入到加砂罐15、弯管段34和立管段35中；其次，缓慢调节离心泵9的扬程使立管段35中的液位维持在立管段35的刻度标尺24以上且没有水进入到筛分设备30中；再者，缓慢调节第一球阀18使加砂罐15中的气体全部放出，根据是否有气体的进入，选择依次打开第一阀门2、第二阀门4、第三阀门6并快速打开压缩机1调节气量，一段时间之后有稳定的气量经过弯管段34进入到立管段35中；最后，打开数据采集卡32和高速摄像机29，开始记录第二压力变送器14、第三压力变送器16、第四压力变送器17、第五压力变送器20、第六压力变送器22和第七压力变送器25的数据；

步骤二：首先，打开第二球阀27，将配置好的一定粒径一定溶度的砂粒悬浊液通过第二加砂漏斗28加入到立管段35中，随后关闭第二球阀27，通过高速摄像机29观察立管段35中砂粒的运动情况，当砂粒下沉降到立管段35底部时，调节离心泵9缓慢改变液体流量，同时通过数据采集卡32采集到的关于立管段35上第五压力变送器20、第六压力变送器22、第七压力变送器25的压力信息和高速摄像机29对立管段35中的沙粒情况的摄制监测信息以及参照立管段35上的刻度标尺24观测立管段中砂粒的运动情况，通过计量砂粒通过不同刻度线的时间可以得到砂粒的运动速度，进而判断砂粒在立管段35中是否平衡；其次，分别打开立管段35上的下取样阀门21、中取样阀门23和上取样阀门26对立管段35中不同位置处的沙粒进形取样，随后测得立管段35中不同位置砂粒在不同时间溶度的变化，则其对应的液相流速为该尺寸颗粒在该浓度下对应的临界流速；最后，对数据数据采集卡32采集的压力信号、高速摄像机29摄制的视频、测得的砂粒运动规律和临界流速以及采集的溶度变化做好记录；

步骤三：在步骤二结束后，重新调节离心泵9加大液量，将立管段35中剩余的砂粒携带出去，然后重复步骤一，打开第二球阀27通过第二加砂漏斗28向立管段35中加入不同粒径和溶度的砂粒进行下一组实验，接着重复步骤二。

优选地，步骤三中从立管段35中携带出去的剩余砂粒通过立管段35顶部的介质流出口到达回管路上的筛分设备30进行筛分，砂粒被分离，水流回到储水罐31中循环利用。

本发明提供的海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，其研究弯管砂堵实验的具体操作如下：

步骤一：初始时，整个实验装置的阀都处于关闭状态，且整个实验装置中充满气体；首先，依次开启第四阀门8、第五阀门10和第六阀门12，储水罐30中的水通过离心泵9送先后进入到加砂罐15、弯管段34和立管段35中；其次，缓慢调节离心泵9的扬程使立管段35中的液位维持在立管段35的刻度标尺24以上且没有水进入到筛分设备30中；再者，缓慢调节第一球阀18使加砂罐15中的气体全部放出；最后，打开数据采集卡32和高速摄像机29，开始记录第四压力变送器17、第五压力变送器20、第六压力变送器22和第七压力变送器25的数据；

步骤二：首先，打开第二球阀27，通过第二加砂漏斗28向立管段35中加入一定量的一定尺寸的砂粒悬浊液，直至立管段35底部弯管段34被完全堵住；其次，调节离心泵9增大频率，当弯管段34上游的压力达到一定值时，弯管段34的管道就会打开；再次，调节离心泵9继续增大液体流量，观察不同流速下稳定后管道口径变化，并记录数据；最后，对在整个实验过程中数据采集卡32采集到的第二压力变送器14、第三压力变送器16、第四压力变送器17、第五压力变送器20、第六压力变送器22和第七压力变送器25的压力信息进行分析，得到该工况下管道打开的临界压差；

步骤三：改变砂粒的粒径和砂粒的量，重复步骤一，得到不同工况下，弯管砂堵重启需要的压差数据及管道口径的变化数据；

步骤四：实验结束后，加大气液流量，将剩余的砂粒携带出弯管段。

本发明提供的海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，其研究加砂罐砂堵实验的具体操作如下：

步骤一：初始时，整个实验装置的阀都处于关闭状态；首先，打开第一球阀18，通过第一加砂漏斗19向加砂罐15中加入一定量一定尺寸的砂粒悬浮液直至堵塞加砂罐15的入口管道，在此，加砂罐15的出口管位置要高于加砂罐15的入口管位置；其次，依次开启第四阀门8、第五阀门10、第六阀门12和第一阀门2、第二阀门4、第三阀门6，并调节气液流量为一定值，直到管道打开并稳定；再者，调节气液流量记录不同工况下稳定后管道口径大小；最后，对在整个实验过程中数据采集卡32采集的第二压力变送器14、第三压力变送器16、第四压力变送器17、第五压力变送器20、第六压力变送器22和第七压力变送器25的压力信息进行分析，得到管道打开时的最大压差；

步骤二：改变砂粒的粒径和砂粒的量，重复步骤一，得到不同工况下，加砂罐砂堵重启需要的压差数据；

步骤三：实验结束后，打开搅拌器33，开大气液流量，将剩余的砂粒清除出加砂罐。

本发明提供的海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，其研究加砂罐和弯管砂堵耦合实验的具体操作如下：

同时加砂堵塞弯管段34和加砂罐15，调节气液流量，得到管道打开时的压力数据及不同流速时管道口径大小变化。

优选地，整个实验过程中采用的介质为水、空气和石英砂。

本发明提供的海洋油气输送过程中弯管砂堵和立管携砂的实验装置，为研究海洋油气输送过程的立管携砂和弯管砂堵重启条件及规律，弯管段34、立管段35和加砂罐15均采用透明有机玻璃管。经过井筒过滤后，输送管道的流体主要是油、水和微量的气体，其中包含少量的小粒径砂粒，实验采用的介质分别为水、空气和石英砂。整个实验系统中由离心泵提供水介质，由压缩机提供空气，通过第一加砂漏斗和第二加砂漏斗分别往实验装置中加入砂粒。在立管段进行携砂实验，立管段上刻有刻度标尺，立管段上中下分别设置3个取样阀门和3个压力变送器，同时通过高速摄像机记录砂粒的运动状况，通过立管段顶部的第二加砂漏斗向立管段中加入不同粒径、不同溶度的砂粒悬浊液，调节气液流量，得到不同工况下砂粒的运动情况；通过第一加砂漏斗向加砂罐和弯管段中加入足够的砂粒分别堵塞弯管段和加砂罐，调节气液流量记录管道打开时的压力变化及管道口径大小变化。

具体地，为测得不同粒径砂粒的运动情况，先将测试立管段充满液体，打开立管段顶部第二球阀，通过第二加沙漏斗向立管段中加入砂粒溶液，等到砂粒快到达立管段底部时，打开离心泵缓慢增加液体流量，在这个过程中，通过高速摄像机，参照立管段上的刻度标尺观测立管段中砂粒的运动情况，通过计量砂粒通过不同刻度线的时间可以得到砂粒的运动速度，同时通过立管段中不同位置采样口取样测量砂粒的溶度变化和通过立管段中不同位置的压力变送器测得立管段不同位置的压力信号变化，判断立管段中的砂粒是否处于平衡状态，当砂粒在立管段中平衡时，记录对应的液体流速，此速度即为该尺寸砂粒的临界流速。

具体地，为测得弯管和加砂罐的砂堵重启条件，在立管段底部弯管段处进行砂堵实验和在弯管段上游加砂罐处进行砂堵实验，先将实验装置充满液体，打开立管段顶部第二球阀，通过第二加沙漏斗向立管中加入一定量一定尺寸的砂粒堵塞弯管段，调节气液流量直至某一固定值，通过压力变送器记录整个过程中弯管段前后压力变化情况，得到弯管段前后压差最大值，改变流速重复上述实验，可以得到不同粒径砂粒不同液体流速下打通管道所需的时间，管道口径大小及压力变化；通过第一加砂漏斗向加砂罐中加入一定量的砂粒堵塞加砂罐入口管道进行加砂罐砂堵实验，打开离心泵，调节液体流量至某一固定值，记录从离心泵打开到管道打开所用的时间及稳定后管道口径大小，并通过压力变送器记录砂堵加砂罐前后压力变化情况，得到压差最大值，增加流速观察管道变化，改变砂粒尺寸及数量重复上述实验；往实验装置中加入砂粒，同时堵塞弯管段和加砂罐，重复上述步骤，得到实验装置的压差最大值，及弯管段和加砂罐堵塞耦合情况。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“中”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。