一种循环多相流起伏管路试验装置、应用及方法与流程

本发明属于水力学多相流动试验领域，尤其涉及一种循环多相流起伏管路试验装置、应用及方法。

背景技术：

随着传统油气能源的逐渐减少，人类对非传统型油气能源的需求越来越大，天然气水合物将逐渐成为一种重要而清洁的潜在能源。据估计世界可燃冰总资源量大约相当于全球已知煤、石油和天然气总资源量的两倍。储量巨大、高效清洁、燃烧值高等特点使得可燃冰被誉为21世纪最具商业开发前景的绿色清洁战略能源，也成为各国竞相研究开发的热点。我国南海蕴藏有丰富的天然气水合物资源，如能进行商业化开采将为我国能源安全提供重要保障。这不仅具有重大的经济意义，而且具有重大的政治意义。

根据官方资料，我国南海神狐海域的天然气为水合物泥质粉砂型储层类型，该类型资源量在世界上占比超过90％，也是我国主要的储集类型。深海天然气水合物开采过程中会不可避免的遇到井筒出砂问题。当井筒内开采流速过低时，会造成泥沙堆积威胁正常生产，严重情况会导致油气通道堵塞，造成油气井停产的现象。目前，多相流试验装置存在以下不足：

(1)多集中于油气水三相流领域，且试验装置多采用地面支撑结构，管道角度调节较为复杂且无法实现大角度调节。

(2)开采井筒内多相流的产生和运动过程具有复杂的水动力学特性，仅仅依靠数值模拟研究其运动规律难以得到与实际相符的准确结果，必须结合多相流试验进行相关验证。目前均未针对油气水固四相流复杂组合管路进行试验管路的灵活调节。

综上述所述，开展油气水固四相流起伏管路试验装置的设计研究，对深海水合物安全开采具有重要意义。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种循环多相流起伏管路试验装置，其通过实验参数和过程控制可实现模拟多种流型、多种管道倾角，模拟不同温度、压力、气固比、气液比、液固比下的起伏管道气液固流动状况，并为油气管道多相流动研究提供实验平台。

本发明的第一目的所提供的一种循环多相流起伏管路试验装置的技术方案为：

本发明的一种循环多相流起伏管路试验装置，包括依次相连且构成循环路径的油水固混合器、泵、气液固混合器、测试管段和气液固分离器，所述测试管段包括相互连通的下倾测试管段和上倾测试管段，所述下倾测试管段和上倾测试管段分别与气液固混合器和气液固分离器对应相连；所述下倾测试管段和上倾测试管段的倾斜角均在0～180°范围内可调。

进一步的，所述气液固混合器通过压缩机与气体接入口相连通。

进一步的，所述压缩机为永磁变频压缩机。

本发明使用永磁变频压缩机，可以实现排气量的任意调节，同时输出空气压力稳定，避免气压波动的出现。

进一步的，所述泵采用多相混输泵。

进一步的，所述下倾测试管道与上倾测试管道均固定在各自的管架上。

进一步的，所述下倾测试管道与上倾测试管道的倾斜角通过悬吊装置来悬挂相应管架端点的方式进行调节。

其中，悬吊装置包括滑轮，滑轮可以通过导轨移动并固定。

本发明的测试管道采用悬吊方式调节倾斜角度，相比于钢架支撑的调节方式具有结构简单、调节方便、倾斜角度变化范围大、占地空间小的优点。

进一步的，固定所述下倾测试管道与上倾测试管道的管架底部均固定在地面。

本发明的下倾测试管道与上倾测试管道都只有一端固定在地面，倾斜管道可以围绕固定端旋转，可自由设置任意起伏倾角，模拟油气集输过程中真实起伏管路系统，实验数据更加接近实际油气混输工况。

进一步的，所述下倾测试管道与上倾测试管道的底部通过软管连接。

这样使得本发明的测试管道可由多组不同管径、管材或管道内涂层的测试管路组成，这样可在一次实验中实现多种不同管道条件下的数据采集，拓展了试验测试参数范围。

本发明的第二目的是提供一种循环多相流起伏管路试验装置的应用。

本发明的循环多相流起伏管路试验装置的应用，适用于模拟不同比例油气水固四相在起伏管路内的流动状态，或模拟油气水固中任意组合相在起伏管路内的流动状态。

本发明的第三目的是提供一种循环多相流起伏管路试验装置的试验方法。

本发明的循环多相流起伏管路试验装置的试验方法，包括：在0～180°范围内分别调节下倾测试管段和上倾测试管段的倾斜角，模拟油气集输过程中真实起伏管路系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明既可以模拟不同比例油气水固四相在起伏管路内的流动状态，也可以模拟油气水固中任意组合相在起伏管路内的流动状态。

(2)本发明多相流起伏管路试验装置的下倾测试管道与上倾测试管道都只有一端固定在地面，倾斜管道可以通过悬吊装置围绕固定端旋转，可自由设置任意起伏倾角，模拟油气集输过程中真实起伏管路系统，实验数据更加接近实际油气混输工况。

(3)本发明多相流起伏管路采用悬吊方式调节倾斜角度，相比于钢架支撑的调节方式具有结构简单、调节方便、倾斜角度变化范围大、占地空间小的优点。

(4)本发明多相流起伏管路可由多组不同管径、管材或管道内涂层的测试管路组成，这样可在一次实验中实现多种不同管道条件下的数据采集，拓展了试验测试参数范围。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的一种循环多相流起伏管路试验装置结构示意图；

图2是本发明的测试管段结构图；

图3为本发明全部采用悬链结构示意图。

其中：1、固体颗粒入口，2、水接入口，3、油接入口，4、第一液体流量计，5、第二液体流量计，6、油水固混合器，7、泵，8、第三液体流量计，9、含水率测试仪，10、气体接入口，11、压缩机，12、气体流量计，13、气液固混合器，14、下倾测试管段，15、上倾测试管段，16、固体排出口，17、气液固分离器，18、气体出口，19、滑轮，20、滑道，21、悬链，22-1、第一软管，22-2、第二软管，23-1、第一固定支架，23-2、第二固定支架，23-3、第三固定支架，24-1、第一电导探针，24-2、第二电导探针，24-3、第三电导探针，24-4、第四电导探针，25-1、第一地面固定支架，25-2、第二地面固定支架，26-1、第一地面滑道，26-2、第二地面滑道，p1、第一压力传感器，p2、第二压力传感器，p3、第三压力传感器，p4、第四压力传感器，p5、第五压力传感器，v1、第一竖直位移传感器，v2、第二竖直位移传感器，v3、第三竖直位移传感器，v4、第四竖直位移传感器，h1、第一水平位移传感器，h2、第二水平位移传感器，h3、第三水平位移传感器，h4、第四水平位移传感器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1是本发明的一种循环多相流起伏管路试验装置结构示意图。

本发明的一种循环多相流起伏管路试验装置，包括依次相连且构成循环路径的油水固混合器6、泵7、气液固混合器13、测试管段和气液固分离器17，所述测试管段包括相互连通的下倾测试管段14和上倾测试管段15，所述下倾测试管段14和上倾测试管段15分别与气液固混合器13和气液固分离器17对应相连；所述下倾测试管段14和上倾测试管段15的倾斜角均在0～180°范围内可调，如图1所示。

具体地，在本发明的一种循环多相流起伏管路试验装置中：

如图1所示，固体颗粒入口1与油水固混合器6顶部相连，水接入口2和油接入口3分别经液体第一液体流量计3和第二液体流量计4计量后通过阀门连接油水固混合器6，油水固混合器6与气液分固离器17连接，油水固混合器6通过阀门连接泵7，泵7的另一端连接第三液体流量计8，第三液体流量计8的另一端连接含水率测试仪9，含水率测试仪9的另一端连接气液固混合器13，气体从气体接入口10经压缩机11加压后进入气体流量计12，气体流量计12与气液固混合器13相连，气液固混合器13的另一端连接下倾测试管段14，下倾测试管段14的另一端连接上倾测试管段15，上倾测试管段15连接气液固分离器17，气液固分离器17分离出固体与气体分别从固体排出口16和气体出口18排出，之后连接油水固混合器6。

其中，本发明的下倾测试管道14与上倾测试管道15上可装压力表、电导探针、电感线圈、密度计等多相流测试装置。

所述压缩机11为永磁变频压缩机。

本发明使用永磁变频压缩机，可以实现排气量的任意调节，同时输出空气压力稳定，避免气压波动的出现。

在本实施例中，所述泵7采用多相混输泵。

具体地，所述下倾测试管道14与上倾测试管道15均固定在各自的管架上。

所述下倾测试管道14与上倾测试管道15的倾斜角通过悬吊装置来悬挂相应管架端点的方式进行调节。

悬吊装置包括滑轮19，滑轮19在滑道20上运行，且滑道20与悬链21分别与第一固定支架23-1、第二固定支架23-2和第三固定支架23-3分别相连；第二固定支架23-2和第三固定支架23-3还分别与第一地面固定支架25-1和第二地面固定支架25-2相连；其中，第一地面固定支架25-1和第二地面固定支架25-2均可沿地面滑道运动，其中，地面滑道由第一地面滑道26-1和第二地面滑道26-2构成。其中，第二固定支架23-2和第三固定支架23-3分别用于支撑和固定下倾测试管道14与上倾测试管道15。

下倾测试管道14与上倾测试管道15的底部通过第二软管22-2连接，下倾测试管道14通过第一软管22-1与气液固混合器13相连，如图2所示。

本发明的测试管道采用悬吊方式调节倾斜角度，相比于钢架支撑的调节方式具有结构简单、调节方便、倾斜角度变化范围大、占地空间小的优点。

本发明的下倾测试管道与上倾测试管道都只有一端固定在地面，倾斜管道可以围绕固定端旋转，可自由设置任意起伏倾角，模拟油气集输过程中真实起伏管路系统，实验数据更加接近实际油气混输工况。

其中，这样使得本发明的测试管道可由多组不同管径、管材或管道内涂层的测试管路组成，这样可在一次实验中实现多种不同管道条件下的数据采集，拓展了试验测试参数范围。

本发明的该试验装置，油水在实验系统中测试管段通过悬吊装置改变倾斜角度，共用一条管线和一套增压泵及压力、温度、持液率等测试系统，而且在试验过程中油水循环利用。

本发明的一种循环多相流起伏管路试验装置主要用于研究管道内部油、气、水、固体颗粒多相流体在不同条件下的流动状态、温度、压力、摩阻损失、粘度、持液率、滑脱速度，以及油气水固多相流动过程中对管道产生的振动特性。

如图2所示，下倾测试管道14安装有第一电导探针24-1和第二电导探针24-2；

上倾测试管道15安装有第三电导探针24-3和第四电导探针24-4；

第一软管22-1上安装有第一压力传感器p1，下倾测试管道14上安装有第二压力传感器p2和第三压力传感器p3，上倾测试管道15安装有第四压力传感器p4和第五压力传感器p5；

第一软管22-1上安装有第一竖直位移传感器v1和第一水平位移传感器h1；

下倾测试管道14上安装有第二竖直位移传感器v2和第二水平位移传感器h2；

第二软管22-2上安装有第三竖直位移传感器v3和第三竖直位移传感器h3；

上倾测试管道15安装有第四竖直位移传感器v4和第四竖直位移传感器h4。

其中，第一电导探针24-1、第二电导探针24-2、第三电导探针24-3、第四电导探针24-4、第一压力传感器p1、第二压力传感器p2、第三压力传感器p3、第四压力传感器p4、第五压力传感器p5、第一竖直位移传感器v1、第二竖直位移传感器v2、第三竖直位移传感器v3、第四竖直位移传感器v4、第一水平位移传感器h1、第二水平位移传感器h2、第三竖直位移传感器h3和第四竖直位移传感器h4均与数据采集卡相连。

本发明涉及的该装置，主要用于研究管道内部油、气、水、固体颗粒多相流体在不同条件下的流动状态、温度、压力、摩阻损失、粘度、持液率、滑脱速度等多种因素。

研究结果可用于油、气、水、固体颗粒多相流动机理研究，为工程设计提供参考。其特征在于油气水固多相流试验装置中，油水固先在混合器中混合，经混输泵增压、稳压、计量，再与压缩气体一同进入测试管段测试相关参数，测试管段采用悬吊装置改变管道倾斜角度，最后经气液分离器分离气体后回到油水混合罐，实现油水循环利用。本发明具有制造和运行成本低、装置结构紧凑简单、管道倾角任意调节等优点。

本发明还提供了一种循环多相流起伏管路试验装置的应用。

本发明的如图1-2所示的循环多相流起伏管路试验装置的应用，适用于模拟不同比例油气水固四相在起伏管路内的流动状态，或模拟油气水固中任意组合相在起伏管路内的流动状态。

一定比例的油水混合物在实验系统中循环，通过调节阀调节液体的流量、固体颗粒加入量，并不断改变气体流量，就可以实现对油、水、固、气四相任意比例条件下的流型、压降等参数的测量。

本发明既可以模拟不同比例油气水固四相在起伏管路内的流动状态，也可以模拟油气水固中任意组合相在起伏管路内的流动状态。

本发明还提供一种循环多相流起伏管路试验装置的试验方法。

本发明的如图1-2所示的循环多相流起伏管路试验装置的试验方法，包括：

在0～180°范围内分别调节下倾测试管段和上倾测试管段的倾斜角，模拟油气集输过程中真实起伏管路系统。

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。