油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明涉及油气领域，具体为油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置及测量方法。测试装置主体部分底部通过液体泵、精密液体流量计与辅助部分底部连接；气瓶、储气罐分别与辅助部分连接；测试装置主体部分安装有测温测压系统、显示和采集系统和温度控制系统。本发明提供的油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置及测量方法，具有耐高温、耐高压、耐腐蚀、结构简单、易于拆卸、密封效果好的特点。采用温度恒定、流体均匀加热，适合于耐高温流体。该装置适用于测量油气井井筒环空流体热膨胀系数，可简单有效的测量出在温度变化较大时的油气井井筒环空流体热膨胀系数，且测试的准确度较高。
【专利说明】
油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置及测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及油气领域，具体为油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置及测量 方法。
【背景技术】
[0002] 在高温高产油气井开采过程中，井筒温度升高较大，导致油气井井筒环空内流体 热膨胀系数变化较大，从而影响环空压力，一方面会造成套管和油管的变形，甚至会造成管 材损坏；另一方面会给套管和油管的密封性以及安全生产带来非常严重的影响。在测试和 生产过程中，由于温度大幅度升高，使环空中液体的热膨胀系数升高，从而引起的环空压力 上升，会导致内外层套管抗内压/外挤强度问题及油管的抗外挤强度的问题；同时，随着油 气井井筒环空内压力升高，也会引起套管弯曲以及上顶井口的现象，甚至造成油气井泄露 和损坏，从而造成严重的环境污染。因此，对油气井井筒环空流体热膨胀系数的研究尤为重 要突出。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置 及测量方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
[0005] 油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置，包括测试装置主体部分、辅助部分、 气瓶、储气罐;测试装置主体部分底部通过液体栗、精密液体流量计与辅助部分底部连接； 气瓶、储气罐分别与辅助部分连接;测试装置主体部分安装有测温测压系统、显示和采集系 统和温度控制系统。
[0006] 测试装置主体部分包括耐腐蚀套管，耐腐蚀套管的底部有进液口，顶部密封并安 装有出液口；进液口通过精密液体流量计和液体栗与辅助部分连接；出液口上安装有测量 毛细管和精密气体流量计;耐腐蚀套管内安装有压力传感器;耐腐蚀套管中心轴线上安装 有加热棒，耐腐蚀套管内还安置多个热电偶组，每个热电偶组包含两只热电偶，每个热电偶 组的两只热电偶分别紧贴在耐腐蚀套管内壁和加热棒上;压力传感器、热电偶分别与控制 装置连接。
[0007] 辅助部分包括除气溶气罐，除气溶气罐顶部连接有进气管和出气管，底部有排液 口；进气管末端延伸到除气溶气罐内底部，进气管末端安装有多个进气孔;进气管顶部为进 气口，进气口与气瓶连接；出气管顶部为出气口，出气口与储气罐连接;排液口与测试装置 主体部分的进液口连接。
[0008] 在耐腐蚀套管内安置多组热电偶，热电偶分别安置在加热棒和耐腐蚀套管内壁 上，采用直径为0.2mm的K型热电偶。热电偶与测温测压系统、显示和采集系统和温度控制系 统连接，温度控制系统对里层套管进行实时测量采集数据，并通过通讯接口与电脑连接。
[0009] 在耐腐蚀里层套管内部放置压力传感器，用来检测温度效应产生的热膨胀压力； 并安装测量毛细管，测量出由温度效应产生的热膨胀体积。
[0010]耐腐蚀套管的进液口处安置精密液体流量计，测量出液体的进液量。
[0011]耐腐蚀套管的测量毛细管上安置精密气体流量计，测量出气体的出气量。
[0012] 该油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量方法，过程为：
[0013] 首先在辅助部分的除气溶气罐里装入待测液体，通过通入不同的气体达到除氧或 者溶解气体的目的，2h后将液体栗入耐腐蚀套管内，让测量毛细管的液面达到刻度线处，打 开精密气体流量计和加热开关，然后当耐腐蚀套管内压力、温度和测量毛细管处液面高度 稳定时，读出此时气体的出口和耐腐蚀套管内温度差，计算出在该温度下液体的热膨胀系 数。
[0014]具体的过程为：
[0015] 第一步，实验准备：
[0016] 测量测量毛细管的内径，在耐腐蚀套管内壁和加热棒上放置15组(每组2只）热电 偶，检查热电偶分布情况及工作状况，以确保其均匀分布和正常工作;将配好的液体倒入除 气溶气罐，利用硅胶密封罐口，再通入所需的气体，通入2h以上。
[0017]第二步，测量耐腐蚀套管内温度与压力、流体膨胀体积及出口气体量：
[0018] 首先将除气溶气罐中流体栗入耐腐蚀套管内，液面达到测量毛细管的刻度线处， 读出精密液体流量计读数及测量毛细管的液面高度，将精密气体流量计清零，打开加热开 关，控制加热温度，待测量毛细管中液面及耐腐蚀套管内压力温度值稳定时，读取此时的温 度值、测量毛细管中液面高度以及精密气体流量计所显示的出气量，从而可以计算得出该 气体在某温度条件下的热膨胀系数：
[0019] 由于液面上升而增加的出气量：
[0020] 由于蒸发和挥发而增加的液体量：
[0021 ] 整个实验过程中的液体变化量:V = V4+V3
[0022] 液体热膨胀系数：
[0023] 计算出溶解度α，其中L是液面上升的高度，pL为液体的密度，d为测量毛细管的内 径，V是整个实验过程中的液体变化量，W是进入耐腐蚀套管的液体量，V 2是从测量毛细管出 来的气体量，V3是由于液面上升而增加的出气量，V4是由于蒸发和挥发而增加的液体量，ΔΤ 是稳定后的温度变化值，Ml是液体分子量。
[0024] 第三步，重复第二步骤，改变初始温度条件，或加热到不同的温度，测量多个温度 下的流体的热膨胀系数。
[0025] 第四步，使用不同流体做实验，计算出不同流体在除气后的热膨胀系数。
[0026] 第五步，使用不同流体、气体做实验，计算出流体在饱和了不同气体时的热膨胀系 数。
[0027] 第六步，实验结束，记录实验结果。将耐腐蚀套管内的流体栗回除气溶气罐，清洗 装置。
[0028] 本发明提供的油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置及测量方法，具有耐高 温、耐高压、耐腐蚀、结构简单、易于拆卸、密封效果好的特点。采用温度恒定、流体均匀加 热，适合于耐高温流体。采用热电偶、压力传感器、精密流量计采集数据，准确度较高。该装 置适用于测量油气井井筒环空流体热膨胀系数，可简单有效的测量出在温度变化较大时的 油气井井筒环空流体热膨胀系数，且测试的准确度较高。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的结构示意图；
[0030] 图2为本发明的测试装置主体部分的结构示意图；
[0031] 图3为本发明的辅助部分结构示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0033] 油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置，包括测试装置主体部分1、辅助部分 2、气瓶3、储气罐7;测试装置主体部分1底部通过液体栗8、精密液体流量计9与辅助部分2底 部连接;气瓶3、储气罐7分别与辅助部分2连接;测试装置主体部分1安装有测温测压系统4、 显示和采集系统5和温度控制系统6。
[0034] 测试装置主体部分1包括耐腐蚀套管12,耐腐蚀套管12的底部有进液口 10,顶部密 封并安装有出液口 11;进液口 10通过精密液体流量计9和液体栗8与辅助部分2连接；出液口 11上安装有测量毛细管16和精密气体流量计17;耐腐蚀套管12内安装有压力传感器15;耐 腐蚀套管12中心轴上安装有加热棒13,耐腐蚀套管12内还安置多个热电偶组，每个热电偶 组包含两只热电偶14,每个热电偶组的两只热电偶14分别紧贴在耐腐蚀套管12内壁和加热 棒13上;压力传感器15、热电偶14分别与控制装置连接。
[0035]辅助部分2包括除气溶气罐18,除气溶气罐18顶部连接有进气管19和出气管20,底 部有排液口 24;进气管19末端延伸到除气溶气罐18内底部，进气管19末端安装有多个进气 孔21;进气管19顶部为进气口 22，进气口 22与气瓶3连接；出气管20顶部为出气口 23，出气口 23与储气罐7连接;排液口 24与测试装置主体部分1的进液口 10连接。
[0036] 除气溶气罐18上端用活塞连接，活塞的连接处用硅胶密封;通过温度控制系统6来 实现对管内流体的温度进行实时控制，对温度、压力的测试和采集由测温测压系统4及显示 和采集系统5完成，并通过RS232通讯接口与电脑连接。
[0037] 通过辅助部分2对流体进行除气、溶气处理，从而可以模拟实际井下工作环境的各 种参数变化，探究不同井筒环空流体在除气或溶解不同气体后的热膨胀系数。为测量各参 数值，可以设置相应的传感器并连接显示装置将传感器信号显示出来便于观察和记录，例 如设置压力传感器15和热电偶14与显示和采集系统5连接，分别检测里层套管内流体的压 力N温度。
[0038] 待液体的温度分布和压力达到稳定后进行测试，根据液体热膨胀系数的定义可得 到液体的热膨胀系数。
[0039] 通过测量液面上升高度，可得到由于液面上升而增加的出气量
，从而可 以得到由于蒸发和挥发而增加的液体量，最后得到整个实验过程中的液体 变化量V = V4+V3
[0040]则耐腐蚀套管12内流体中液体热膨胀系数
[0041 ]下面给出常温蒸馏水除氧后的热膨胀系数测量实例。
[0042] 第一步，实验准备：
[0043]测量毛细管的内径为0.006m，耐腐蚀套管内充填的待溶解流体的密度为1.0g/L。
[0044] 第二步，测量耐腐蚀套管内温度与压力、流体膨胀体积及出口气体量：
[0045] 首先将除气溶气罐中流体栗入耐腐蚀套管内，液面达到测量毛细管的刻度线处， 精密液体流量计读数为〇. 〇〇4m3，将精密气体流量计清零，打开加热开关，控制加热温度，待 测量毛细管中液面及耐腐蚀套管内压力温度值稳定时，此时的温度变化值为80°C、测量毛 细管中液面高度变化为1.92m，精密气体流量计所显示的出气量为0.00006424m 3，从而可以 计算得出该气体在某温度条件下的热膨胀系数：
[0046] 由于液面上升而增加的出
气量：
[0048]由于蒸发和挥发而增加的液体量：
[0050]整个实验过程中的液体变化量：
[0051 ] V = V4+V3 = 0.000007466+0.00005412 = 0.000061586m3 ；
[0052]液体热膨胀系数：
【主权项】
1. 油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置，其特征在于:包括测试装置主体部分 (1) 、辅助部分(2)、气瓶(3)、储气罐(7);测试装置主体部分（1)底部通过液体栗(8)、精密液 体流量计(9)与辅助部分(2)底部连接;气瓶(3 )、储气罐(7)分别与辅助部分(2)连接;测试 装置主体部分(1)安装有测温测压系统(4)、显示和采集系统(5)和温度控制系统(6)。2. 根据权利要求1所述的油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置，其特征在于:所 述的测试装置主体部分(1)包括耐腐蚀套管（12)，耐腐蚀套管（12)的底部有进液口（10)，顶 部密封并安装有出液口（ 11);进液口（ 10)通过精密液体流量计(9)和液体栗(8)与辅助部分 (2) 连接；出液口（ 11)上安装有测量毛细管（16)和精密气体流量计（17);耐腐蚀套管（12)内 安装有压力传感器（15);耐腐蚀套管（12)中心轴线处安装加热棒（13)，耐腐蚀套管（12)内 还安置多个热电偶组，每个热电偶组包含两只热电偶（14)，每个热电偶组的两只热电偶 (14)分别紧贴在耐腐蚀套管（12)内壁和加热棒（13)上;压力传感器（15)、热电偶（14)分别 与控制装置连接。3. 根据权利要求2所述的油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量装置，其特征在于:所 述的辅助部分(2)包括除气溶气罐（18)，除气溶气罐（18)顶部连接有进气管（19)和出气管 (20)，底部有排液口（24);进气管（19)末端延伸到除气溶气罐（18)内底部，进气管（19)末端 安装有多个进气孔(21);进气管（19)顶部为进气口（22)，进气口（22)与气瓶(3)连接；出气 管(20)顶部为出气口（23)，出气口（23)与储气罐(7)连接;排液口（24)与测试装置主体部分 (1)的进液口（10)连接。4. 根据权利要求3所述的油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量方法，其特征在于:首 先在辅助部分(2)的除气溶气罐（18)里装入待测液体，通过通入不同的气体达到除氧或者 溶解气体的目的，2h后将液体栗入耐腐蚀套管（12)内，让测量毛细管（16)的液面达到刻度 线处，打开精密气体流量计（17)和加热开关，然后当耐腐蚀套管（12)内压力、温度和测量毛 细管（16)处液面高度稳定时，读出此时气体的出口和耐腐蚀套管（12)内温度差，计算出在 该温度下液体的热膨胀系数。5. 根据权利要求4所述的油气井井筒环空流体热膨胀系数的测量方法，其特征在于:包 括以下步骤， 第一步，实验准备： 测量出测量毛细管（I6)的内径，在耐腐蚀套管（⑵内壁和加热棒（13)上放置15组热电 偶，检查热电偶分布情况及工作状况，以确保其均匀分布和正常工作;将配好的液体倒入除 气溶气罐(18)，利用硅胶密封罐口，再通入所需的气体，通入不少于2h; 第二步，测量耐腐蚀套管（12)内温度与压力、流体膨胀体积及出口气体量：首先将除气溶气罐（18)中流体栗入耐腐蚀套管（12)内，液面达到测量毛细管（16)的刻 度线处，读出精密气体流量计（17)所示的气体体积及测量毛细管（16)的液面高度，将精密 气体流量计（17)清零，打开加热开关，控制加热温度，待测量毛细管（16)中液面及耐腐蚀套 管（12)内压力温度值稳定时，读取此时的温度值、测量毛细管（16)中液面高度以及精密气 体流量计(17)所显示的出气量，从而可以计算得出该气体在某温度条件下的热膨胀系数： 由于液面上升而增加的出气i 由于蒸发和挥发而增加的液仞 整个实验过程中的液彼亦ik骨.V=v4+V3 液体热膨胀系I计算出溶解度α，其中L是液面上升的高度，Pl为液体的密度，d为测量毛细管的内径，V是 整个实验过程中的液体变化量，V1是进入耐腐蚀套管（12)的液体量，％是从测量毛细管（16) 出来的气体量，V 3是由于液面上升而增加的出气量，V4是由于蒸发和挥发而增加的液体量， A T是稳定后的温度变化值，是液体分子量； 第三步，重复第二步骤，改变初始温度条件，或加热到不同的温度，测量多个温度下的 流体的热膨胀系数； 第四步，使用不同流体做实验，计算出不同流体在除气后的热膨胀系数； 第五步，使用不同流体、气体做实验，计算出流体在饱和了不同气体时的热膨胀系数； 第六步，实验结束，记录实验结果，将耐腐蚀套管（12)内的流体栗回除气溶气罐（18)， 清洗装置。
【文档编号】G01N25/16GK106018465SQ201610458450
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】张智, 周泽宇, 李晶, 刘志伟, 钟显康, 扈俊颖
【申请人】西南石油大学