测量深水气井环空测试液保温性能的装置及方法与流程

本发明属于海洋油气勘探开发领域，具体地，涉及一种测量深水气井环空测试液保温性能的装置及方法。

背景技术：

深水天然气钻采时，深水的低温条件会影响钻井液密度与流变性，井筒内的天然气在高压低温条件下会形成水合物，造成节流管线阻塞，低温下井筒中还存在蜡质的沉积。这些问题都与井筒中的温度密切相关，其核心科学问题是深水低温环境下的井筒温度压力预测问题。

深水气井测试时井筒温度场具有多温度梯度(纵向)、多温度边界(横向)的特点，泥线以上隔水管段内传热机理复杂，环空测试液的物性参数对热传递的影响规律不清楚，国内外常用预测方法的误差超过55％，极大增加了测试风险，有必要对环空内测试液的保温机理进行研究。因此，对深水气井测试中的井筒流动进行模拟，并对其传热过程进行监测，获取具体的气液两相流动和传热参数，测量环空测试液的保温性能，对于深水气井环空测试液体系的开发以及井筒温度场的预测有重要指导意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种测量深水气井环空测试液保温性能的装置及方法。通过模拟深水气井测试时井筒中的环雾流流动，改变环空测试液的物性参数，测量井筒出入口的温度、压力以及井筒环雾流中液滴的尺寸、速度和液膜的流量，进而通过传热模型计算不同密度、粘度、切力的环空测试液在环空中的对流换热系数，研究环空测试液的保温性能。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

测量深水气井环空测试液保温性能的装置，包括：井筒、气体供给系统、热水供给系统、环空测试液供给系统、液膜测量系统、液滴测量系统、温度测量系统、压力测量系统、气液混合器、气液分离器；其中，气体供给系统、热水供给系统分别用于向井筒注入气体和热水；环空测试液供给系统用于向环空中注入测试液；液膜测量系统用于测量井筒内管气液两相环雾流动中液膜的流量；液滴测量系统用于测量井筒内管气液两相环雾流动中液滴的速度和尺寸；气液混合器用于混合气体供给系统和热水供给系统提供的气体和热水，再注入井筒内管；温度、压力测量系统实时监测内管和环空管上下两端的温度和压力数据，并将监测到的温度、压力数据传输到计算机。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：可以实现深水气井测试过程中井筒气液两相环雾流的实验模拟，能够准确测量环雾流条件下井筒内液滴的速度和尺寸、液膜的流量以及井筒出入口的温度压力，获得具体的传热参数，进而测量环空测试液的对流换热系数，同时通过配置不同粘度、密度、切力的环空测试液，可以比较不同物性参数的环空测试液的保温性能。

附图说明

图1为测量深水气井环空测试液保温性能的装置结构示意图。

图中：100-井筒、101-内管、102-环空管、202-注气管线、201-空气压缩机、203-高压气罐、204-干燥机、205-第一球形阀、206-气体玻璃转子流量计、301-循环水罐、302-含加热器水罐、303-电加热温控系统、304-第二球形阀、305-第一液体齿轮泵、306-注水管线、307-第一液体玻璃转子流量计、401-储液罐、402-第三球形阀、403-第二液体齿轮泵、404-第二液体玻璃转子流量计、405-注液管线、501-液膜收集器、502-除液膜口、503-第四球形阀、504-第三液体玻璃转子流量计、601-液滴测量窗口、602-抗反射玻璃、603-三维粒子动态分析仪、603a-三维速度测量探头、603b-二维fiberflow探头、603c-pda接收探头、9-气液混合器、10-第五球形阀、11-气液分离器、12-排气管线、13-排液管线、1a-第一温度传感器、1b-第二温度传感器、1c-第三温度传感器、1d-第四温度传感器、2a-第一压力计、2b-第二压力计、2c-第三压力计、2d-第四压力计、2e-第五压力计、2f-第六压力计、2g-第七压力计。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示，测量深水气井环空测试液保温性能的装置，包括：井筒、气体供给系统、热水供给系统、环空测试液供给系统、液膜测量系统、液滴测量系统、温度测量系统、压力测量系统、气液混合器、气液分离器；其中，气体供给系统、热水供给系统分别用于向井筒注入气体和热水；环空测试液供给系统用于向环空中注入测试液；液膜测量系统用于测量井筒内管气液两相环雾流动中液膜的流量；液滴测量系统用于测量井筒内管气液两相环雾流动中液滴的速度和尺寸；气液混合器用于混合气体供给系统和热水供给系统提供的气体和热水，再注入井筒内管；温度、压力测量系统实时监测内管和环空管上下两端的温度和压力数据，并将监测到的温度、压力数据传输到计算机。

井筒，包括：内管101和环空管102，内管101与环空管102同心设置，内管101位于井筒内腔正中心，环空管102与内管101之间形成环空，内管101外径60mm，内径55mm，环空管102外径120mm，内径110mm；内管101上部依次连接液膜测量系统、液滴测量系统和气液分离器11，由内管101底部注入热流体，热流为气体与热水经气液混合器混合过后的混合流体，热流体依次匀速流过井筒100、液膜测量系统、液滴测量系统和气液分离器11，气液混合流体经气液分离器11分离后，气体由排气管线12排入大气，液体通过排液管线排出。

内管101底部通过管线连接气液混合器9，气体供给系统提供的气体和液体供给系统提供的热水经气液混合器9混合后形成热流体，热流体通过管线由气液混合器9进入内管101底部。

环空管102与内管101之间的环空为环空测试液管路，环空测试液供给系统提供的测试液由环空管102顶部入口进入，从环空管102底部流出，环空测试液由上往下匀速流动，与热流体流动方向相反。

液膜测量系统，包括：液膜收集器501、除液膜口502、第四球形阀503、第三液体玻璃转子流量计504；液膜收集器501安装在内管101外部，为圆柱形容器，通过除液膜口502与内管相通，除液膜口502为内管101在液膜收集器501内开的小口，高度为10mm，用于除去内管101中管壁上的液膜，避免液膜影响液滴的测量；液膜以远低于气体和液滴的速度向上流动，混合流体流经除液膜口502时，液膜由于内管101与液膜收集器501之间中的压力差被推出内管101，从内管101中分离出去，液滴以接近气体的速度流动，它们较大的惯性使其继续向上流动，避免了从内管101中移除。液膜收集器501中收集的液膜通过液膜回注管线经第四球形阀504、第三液体玻璃转子流量计504流入循环水罐301，通过第三液体玻璃转子流量计504测量液膜的流量。除液膜口502上部有一段管流段，使气流场恢复至除液膜之前的状态，避免气流场形态变化影响液滴的测量结果。

液滴测量系统，包括：液滴测量窗口601、抗反射玻璃602、三维粒子动态分析仪603。液滴测量窗口601形状为长方体形容器，顶部和底部都与内管101相连，左右两侧壁面为抗反射玻璃602。三维粒子动态分析仪603发出的激光束通过抗反射玻璃602聚焦于内管101中向上运动的液滴，可以避免弯曲的内管壁面对测量的影响。三维粒子动态分析仪603安装有pda接受探头603c、3维速度测量探头603a以及二维fiberflow探头603b三个探头。二维fiberflow探头603b发出的激光光束用来测量液滴的直径，3维速度测量探头603a发出的激光光束能够测量液滴的三维速度，pda接受探头603c用来接收测量的激光信号。通过调节三维粒子动态分析仪603自带的位移系统能够对测量点进行上下左右四个方向上的移动，即能对液滴测量窗口601内不同位置处液滴的速度和尺寸进行测量。三维粒子动态分析仪603与电脑连接，通过电脑上的bsaflow软件对三维粒子动态分析仪603测量得到的数据进行处理，可以导出环雾流条件下垂直内管101测量部位不同位置处液滴的三维速度分布以及液滴的平均尺寸。

温度测量系统，包括：第一温度传感器1a、第二温度传感器1b、第三温度传感器1c、第四温度传感器1d。第一温度传感器1a安装于内管101的下端入口处；第二温度传感器1b安装于内管101的上端；第三温度传感器1c安装于环空管102的上端入口处；第四温度传感器1d安装于环空管102的下端。第一温度传感器1a和第二温度传感器1b用于监测井筒内管101进口与出口处流体的温度数据，第三温度传感器1c和第四温度传感器1d用于监测环空管102进口与出口处的测试液温度数据。

压力测量系统，包括：第一压力计2a、第二压力计2b、第三压力计2c、第四压力计2d、第五压力计2e、第六压力计2f、第七压力计2g。第一压力计2a安装于内管101的下端入口处，第二压力计2b安装于内管101的上端，第三压力计2c安装于环空管102的上端入口处，第四压力计2d安装于环空管102的下端，分别用来实时监测内管101和环空管102上下两端的压力，并将压力数据传输至电脑；第五压力计2e安装于气体玻璃转子流量计7a的上游，用于测量气体进入气液混合器9前的压力；第六压力计2f安装于第一液体玻璃转子流量计307的上游，用于测量热水进入气液混合器9前的压力；第七压力计2g安装于第二液体玻璃转子流量计307的上游，用于测量环空测试液进入环空管102前的压力。

液滴测量窗口601上部流出的气体与液滴混合流体经气液分离器11处理，气体由排气管线12注入空气中，液体经排水管线13进入循环水罐，维持液相的循环流动，避免液相流体的浪费。

气体供给系统，包括：空气压缩机201、注气管线202、高压气罐203、干燥机204、第一球形阀205、气体玻璃转子流量计206。注入空气由空气压缩机201产生，通过注气管线202依次经过高压气罐203、干燥机204、第一球形阀205、气体玻璃转子流量计206进入气液混合器9。干燥机204用来除去空气中的水分，避免空气中的水蒸气对实验结果造成影响。通过调节第一球形阀205的开度可以自动调节气相的流量，以保持流量恒定，气体玻璃转子流量计206用于测量气体的流量。

热水供给系统，包括循环水罐301、含加热器水罐302、电加热温控系统303、第二球形阀304、第一液体齿轮泵305、注水管线306第一液体玻璃转子流量计307。循环水罐301中的水通过注水管线306依次经过含加热器水罐302、第二球形阀304、第一液体齿轮泵305、第一液体玻璃转子流量计307进入气液混合器9的液体入口。含加热器水罐302中设有电加热温控系统303，电加热温控系统303能够对含加热器水罐302中的水进行加热，并进行恒温控制。通过调节第一液体齿轮泵305的转速可以自动调节热水的流量，采用第一液体玻璃转子流量计307测量热水的流量。

环空测试液供给系统，包括：储液罐401、第三球形阀402、第二液体齿轮泵403、第二液体玻璃转子流量计404、注液管线405。储液罐401中配置好的环空测试液通过注液管线405经第三球形阀402、第二液体齿轮泵403、第二液体玻璃转子流量计404进入环空管102上端的液体入口，通过调节第二液体齿轮泵403的转速可以调节保温测试液的流量，环空管102下端流出的环空测试液返注入储液罐401，保持环空测试液的循环流动。

测量深水气井环空测试液保温性能的方法，采用上述测量深水气井环空测试液保温性能的装置，步骤如下：

(1)实验前，关闭所有阀门，将已经配置好设定参数的环空保温测试液注入储液罐401，向循环水罐301、含加热器水罐302中注水，打开电加热器温控系统303，将含加热器水罐302中的水加热到预期的温度，控制温度保持恒定；

(2)缓缓打开第一球形阀205，第五球形阀10，启动空气压缩机201，启动干燥机204，向井筒内管101中注气，调节第一球形阀205的开度直至气体玻璃转子流量计206刻度流量为设定的气体流量值；

(3)打开第二球形阀304和第一液体齿轮泵305，向井筒内管101注入热水，调节第一液体齿轮泵305的转速直至第一液体玻璃转子流量计307显示的刻度流量为设定的热水流量值，打开第四球形阀503；

(4)打开第三球形阀402和第二液体齿轮泵403，往环空管102内注入环空测试液，调节第二液体齿轮泵403的转速，直至第二液体玻璃转子流量计404的刻度流量为设定的环空测试液流量值；

(5)当流动达到稳定后，通过三维粒子动态分析仪603测量内管102中液滴的速度和尺寸，通过电脑上的bsaflow软件得到液滴的平均直径dm和速度ud；

(6)通过气体玻璃转子流量计206读取气体的流量qg，第一液体玻璃转子流量计307读取水的的流量qw；第二液体玻璃转子流量计404读取保温测试液的的流量ql，第三液体玻璃转子流量计504读取液膜的流量qlf；

(7)通过第一温度传感2a器、第二温度传感器2b、第三温度传感器2c、第四温度传感器2d分别采集内管101、环空管102上下两端的温度tt1、tt2、ta1、ta2，通过第一压力计1a、第二压力计2b、第三压力计2c、第四压力计2d分别采集内管101和环空管102上下两端的压力pt1、pt2、pa1、pa2；

(8)保持热水的流量不变，调节第一球形阀205的开度，改变气体的流量，重复步骤(2)～(6)采集每个气体流量下的实验数据；

(9)配置不同粘度、密度、切力的环空保温测试液，重复上述步骤，测量不同物性参数的环空测试液条件下的实验数据；

(10)综合上述实验得到的数据计算环空保温测试液对流换热系数ha，方法如下：

①根据步骤(6)测量得到的液膜流量，以及内管101中液体的粘度、密度、比热容等参数，通过公式(1)计算液膜的对流换热系数hf。

式中，nuf为液膜的努塞尔数，λl为液体的导热系数w/(m·k)，df为内管的内径，m。

②气核中的分散液滴有着比液膜更大的气液接触面积，很大程度上影响着气核与液膜间的热量传递，根据步骤(5)测量得到的液滴直径，液滴速度以及气体的粘度，导热系数等数据，通过公式(2)计算气核与液膜间的对流换热系数hc。

式中numc为气液混合流体的努塞尔数；λc为气体的导热系数，w/(m·k)；dc为气核的直径，m；remc，prmc为气核中混合流体的雷诺数和普朗特数。

③通过公式(3)计算内管中混合流体的密度ρm，通过公式(4)计算内管中混合流体的流速um，根据测步骤(7)测得的温度tt1、tt2、ta1、ta2，通过公式(5)反算环空测试液的对流换热系数ha。

ρm＝ρgfg+ρl(1-fg)(3)

式中，ρg为气体的密度，kg/m³，ρl为液体的密度，kg/m³，fg为空隙率，aa、at分别为环空管和内管的面积，m²；rto、rti分别为环空管和内管的半径，m；kt为内管壁的导热系数，w/(m·℃)；cpa为环空测试液的比热，j/(kg·℃)，ua为环空管18中测试液的流速。；

(11)环空管102中的热流密度为对流换热系数ha与温度差的乘积，如公式(6)所示，因此，对流换热系数ha越小，内管101中流体通过环空对流向外散发的热量越少，环空测试液的保温性能就越好，通过对比步骤(10)得到的不同粘度、密度、切力的环空测试液的对流换热系数ha，能够比较不同环空测试液的保温性能，分析环空保温测试液的保温机理。

qa＝haδt(6)

qa为单位时间内管17与环空管18间的热流密度，w/m²，δt为内管与环空管间的温差，℃。