CN103900937A - 一种用于测量环雾流场中液滴形状及尺寸的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量环雾流场中液滴形状及尺寸的实验装置，包括压缩机、储气罐、第一阀门至第十二阀门、四通、气体涡街流量计、注气管线、第一压力传感器、第二压力传感器、高位水箱、引水管线、耐压储水罐、注水管线、底座、有机透明玻璃管、除液膜短节、液膜收集装置、液滴尺寸及形状观测短节、180度弯接头、第一水计量装置、第二水计量装置、差压传感器、高速摄像机、卤钨灯、黑色橡胶背景板、数据采集模块、电脑、参照标准丝和液体电磁流量计。与现有技术相比，本发明能够准确测量环雾流场中最大液滴的形状及尺寸，还能够避免粘附在管壁上的液膜影响摄影法拍摄的效果，具有推广使用的价值。

Description

一种用于测量环雾流场中液滴形状及尺寸的实验装置

技术领域

本发明涉及一种天然气气液测试装置，尤其涉及一种用于测量环雾流场中液滴形状及尺寸的实验装置。

背景技术

随着整个气藏的开发，地层压力的不断下降，气井不能再提供足够的能量使井筒内的水（液）连续流出井口，则部分液体必然沉降、聚集在井底，出现井底积液。井底积液将增加井底流压，降低生产压差和气井的生产能力。随着气井产量的降低，携液能力进一步变差，井底积液会在较短时间内恶性增加，最后导致气井停喷，即俗称“气井水淹”。目前，判断气井是否存在积液的常用方法是根据连续携液理论进行判断。气井连续携液生产的流型条件为环雾流。根据液滴携带理论，若气流不能将环雾流场中最大液滴带出井口，气井将开始积液。通过对最大液滴质点进行受力分析，确定连续携液最小气流速的基础是确定最大液滴尺寸和液滴形状及相应的迎风受力面积。

环雾流场中最大液滴尺寸测量方法有摄像法、衍射分析法和多普勒成像技术。衍射分析法和多普勒成像技术不能测量液滴的形状。摄影法由于液膜粘附在管壁影响使气流中心液滴模糊不清，影响拍摄效果。摄影法拍摄效果的关键是除去粘附在管壁上的液膜。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于测量环雾流场中液滴形状及尺寸的实验装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括压缩机、储气罐、第一阀门至第十二阀门、四通、气体涡街流量计、注气管线、第一压力传感器、第二压力传感器、高位水箱、引水管线、耐压储水罐、注水管线、底座、有机透明玻璃管、除液膜短节、液膜收集装置、液滴尺寸及形状观测短节、180度弯接头、第一水计量装置、第二水计量装置、差压传感器、高速摄像机、卤钨灯、黑色橡胶背景板、数据采集模块、电脑、参照标准丝和液体电磁流量计，所述压缩机的出气口通过所述第一阀门与所述储气罐的进气口连接，所述储气罐的出气口一次通过所述第二阀门和所述第三阀门与所述四通的第一端连接，所述四通的第二端通过所述引水管线与所述高位水箱连接，所述第六阀门和所述第七阀门均设置于所述引水管线上，所述四通的第三端与所述耐压储水罐的入水口连接，所述四通的第四端依次通过所述注气管线与所述有透明玻璃罐的下端连接，所述第四阀门和所述第五阀门均设置于所述注气管线上，所述气体涡街流量计和所述第一压力传感器均设置于所述第四阀门和所述第五阀门之间的管线上，所述耐压储水罐的出水口通过所述注水管线与所述有机透明玻璃管的下端连接，所述第八阀门和所述第九阀门均设置于所述注水管线上，所述液体电磁流量计设置于所述有机玻璃管的下端，所述有机透明玻璃罐的下端安装于所述底座上，所述第二压力传感器和所述差压传感器均设置于所述有机透明玻璃管上，所述液膜收集装置设置于所述有机透明玻璃罐上，所述除液膜短节设置于所述液膜收集装置内，所述液滴尺寸及形状观测短节设置于所述液膜收集装置上，所述液滴尺寸及形状观测短节内设置有所述参照标准丝，所述180度弯接头的一端与所述液滴尺寸及形状观测短节连接其另一端通过所述第十二阀门与所述第一水计量装置连接，所述黑色橡胶背景板设置于所述液滴尺寸及形状观测短节的一侧，所述高速摄像机和所述卤钨灯均设置于所述液滴尺寸及形状观测短节的另一侧，所述摄像机与所述电脑连接，所述电脑与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块分别与所述差压传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述液体电磁流量计和所述气体涡街流量计连接，所述液膜收集装置的出水口通过所述第十一阀门与所述第二水计量装置连接，所述第十阀门设置于所述耐压储水罐的下端。

进一步，储气罐上设置有第一机械压力表，所述耐压储水罐上设置有第二机械压力表。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种用于测量环雾流场中液滴形状及尺寸的实验装置，与现有技术相比，本发明能够准确测量环雾流场中最大液滴的形状及尺寸，还能够避免粘附在管壁上的液膜影响摄影法拍摄的效果，具有推广使用的价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图。

图中：1-压缩机、2-储气罐、3-1-第一机械压力表、3-2-第二机械压力表、4-1-第一阀门、4-2-第二阀门、4-3-第三阀门、4-4-第四阀门、4-5-第五阀门、4-6-第六阀门、4-7-第七阀门、4-8-第八阀门、4-9-第九阀门、4-10-第十阀门、4-11-第十一阀门、4-12-第十二阀门、5-四通、6-注气管线、7-气体涡街流量计、8-1-第一压力传感器、8-2-第二压力传感器、9-高位水箱、10-引水管线、11-耐压储水罐、12-注水管线、13-底座、14-有机透明玻璃管、15-除液膜短节、16-液膜收集装置、17-液滴尺寸及形状观测短节、18-180度弯接头、19-1-第一水计量装置、19-2-第二水计量装置、20-差压传感器、21-高速摄像机、22-卤钨灯、23-黑色橡胶背景板、24-数据采集模块、25-电脑、26-参照标准丝、27-液体电磁流量计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明包括压缩机1、储气罐2、第一阀门4-1至第十二阀门4-12、四通5、气体涡街流量计7、注气管线6、第一压力传感器8-1、第二压力传感器8-2、高位水箱9、引水管线10、耐压储水罐11、注水管线12、底座13、有机透明玻璃管14、除液膜短节15、液膜收集装置16、液滴尺寸及形状观测短节17、180度弯接头18、第一水计量装置19-1、第二水计量装置19-2、差压传感器20、高速摄像机21、卤钨灯22、黑色橡胶背景板23、数据采集模块24、电脑25、参照标准丝26和液体电磁流量计27，压缩机的出气口通过第一阀门4-1与储气罐的进气口连接，储气罐的出气口一次通过第二阀门4-2和第三阀门4-3与四通5的第一端连接，四通5的第二端通过引水管线10与高位水箱9连接，第六阀门4-6和第七阀门4-7均设置于引水管线10上，四通5的第三端与耐压储水罐11的入水口连接，四通5的第四端依次通过注气管线6与有透明玻璃罐的下端连接，第四阀门4-4和第五阀门4-5均设置于注气管线6上，气体涡街流量计7和第一压力传感器8-1均设置于第四阀门4-4和第五阀门4-5之间的管线上，耐压储水罐11的出水口通过注水管线12与有机透明玻璃管14的下端连接，第八阀门4-8和第九阀门4-9均设置于注水管线12上，液体电磁流量计27设置于有机玻璃管的下端，有机透明玻璃罐的下端安装于底座13上，第二压力传感器8-2和差压传感器20均设置于有机透明玻璃管14上，液膜收集装置16设置于有机透明玻璃罐上，除液膜短节15设置于液膜收集装置16内，液滴尺寸及形状观测短节17设置于液膜收集装置16上，液滴尺寸及形状观测短节17内设置有参照标准丝26，180度弯接头18的一端与液滴尺寸及形状观测短节17连接其另一端通过第十二阀门4-12与第一水计量装置19-1连接，黑色橡胶背景板23设置于液滴尺寸及形状观测短节17的一侧，高速摄像机21和卤钨灯22均设置于液滴尺寸及形状观测短节17的另一侧，摄像机与电脑25连接，电脑25与数据采集模块24连接，数据采集模块24分别与差压传感器20、第一压力传感器8-1、第二压力传感器8-2、液体电磁流量计27和气体涡街流量计7连接，液膜收集装置16的出水口通过第十一阀门4-11与第二水计量装置19-2连接，第十阀门4-10设置于耐压储水罐11的下端，储气罐上设置有第一机械压力表3-1，耐压储水罐11上设置有第二机械压力表3-2。实验过程中第二阀门、第三阀门打开，第四阀门关闭，储水罐和储气罐相互连通，形成一个压力系统，储气罐能提供由储水罐向有机透明玻璃注水的动力；由于注气管线和注水管线相互连通，形成为一个压力系统，便于调节注入压力和控制注气量及注水量。

实施例1：所发明所用水在实验前由高位水箱9、第六阀门4-6、引水管线10、第七阀门4-7、四通5引入到耐压储水罐11中，耐压储水罐11中的水用完后再引入，耐压储水罐11中的水由储气罐2的压力能驱到有机透明玻璃管14的下端。有机透明玻璃管14的连接180度弯接头18能减少末端效应，末端装的第十二阀门4-12用于憋压、调节有机透明玻璃管14的压力，能够开展不同流压下的流动实验，从有机透明玻璃管14末端流出的液滴由第一计量装置19-1计量。除液膜装置15用于除去环雾流场中粘附在管壁的液膜，让分散相液滴垂直向上流动，以便透过管壁观察环雾流场气芯中的液滴。液膜收集装置16用于收集除液膜装置15收集的液膜，液膜由第二计量装置19-2计量。液滴尺寸及形状观测短节17为高强度有机玻璃，其上固定有已知尺寸的参照标准丝26，参照标准丝26作为参考尺寸量取液滴的几何尺寸。

本发明的实验过程如下：

(1)实验前，断开第三阀门4-3与四通5的连接，高位水箱9通过引水管线10向耐压储水罐3充水，耐压储水罐3充足水后，打开第三阀门4-3与四通5的连接。

(2)开启第一阀门4-1、第二阀门4-2、第三阀门4-3，闭合第七阀门4-7、第八阀门4-8、第九阀门4-9，启动压缩机1，向储气罐2和耐压储水罐3充气，储气罐2压力升至预定压力值，停止压缩机1。

(3)关闭第十二阀门4-12，开启第四阀门4-4、第五阀门4-5，向有机透明玻璃管14充气至预期压力值，直至第一压力传感器8-1为预期压力值；打开第九阀门4-9，调节第八阀门4-8的开度，直至液体电磁流量计27为给定压力值下的预期值，从而使水流量达到预期值，闭合第九阀门4-9，第八阀门4-8开度不变。

(4)打开第五阀门4-5，反复调节第四阀门4-12和第十二阀门4-12的开度，直至气体涡街流量计7面板显示流量为预期压力下的预期气流量值。

(5)打开第九阀门4-9和第五阀门4-5，启动压缩机1，维持储气罐2和耐压储水罐11的压力恒定，各个传感器采集压力、差压、气流量数据，高速摄像机21连续拍摄照片。

(6)当实验达到稳定状态后，启动秒表，记录实验稳定起始时间，第一计量装置19-1和第二计量装置19-2开始收集液膜和液滴；实验稳定流动一段时间后，关闭第九阀门4-9和第五阀门4-5，读取秒表记录的时间；实验过程中通过压缩机1运行状态维持储气罐2和耐压储水罐11的压力。

(7)量取第一计量装置19-1和第二计量装置19-2收集的液量，气流量为气体涡街流量计7第1次计量和液流量为液体电磁流量计27第1次计量下的实验结束。

(8)液流量不变，调节第四阀门4-4开度，调节气流量至第2次预期流量；重复步骤(4)～步骤(7)，测试每次气流量的液滴流量、液膜流量，采集压力、压差数据，拍摄各种气流量条件下的照片。

(9)调节阀第八阀门4-8开度，改变注水量，重复步骤(3)～(8)，完成液流量不同气流量下物理实验。

液滴尺寸量取过程如下：

将拍摄的图片与参照标准丝26作对比，读取液滴的高、宽尺寸。改变气流量和液流量及压力，拍摄不同流动条件下的照片，读取照片中的液滴高、宽尺寸，即得到不同流动条件下的液滴尺寸。求取液滴变形前的尺寸。气流中的液滴在气流场中会变形为椭球体，根据液滴体积守恒原理，得到液滴的初始直径。

实施例2，如图2所示：本发明的另一种低压下的测试装置和方法：

低压下的实验测试有两点差异，一是测试装置的测试段与前面不同；二是气流速的标定不同。液滴尺寸及形状测试段增加了除液膜口，除液膜口四周与大气相通，液膜的液量不收集，不计量，除液膜口上部有一整流管段，使气流场恢复至除液膜之前的状态，避免气流场形态影响液滴的形状而影响实验结果。在整流管段出口拍摄液滴尺寸和大小，能彻底避免液膜对拍摄效果的影响。

气流速标定过程如下：

(1)采用液滴尺寸的标定方法对所拍摄的图片高度进行判读；

(2)计数微液滴从拍摄到的图片底部运动至拍摄到的图片顶部的帧数n；

(3)确定微液滴运动速度：微液滴运动速度U=每秒拍摄帧数×图片高度/帧数n；

(4)气流速=微液滴运动速度。

Claims (2)

1.一种用于测量环雾流场中液滴形状及尺寸的实验装置，其特征在于：包括压缩机、储气罐、第一阀门至第十二阀门、四通、气体涡街流量计、注气管线、第一压力传感器、第二压力传感器、高位水箱、引水管线、耐压储水罐、注水管线、底座、有机透明玻璃管、除液膜短节、液膜收集装置、液滴尺寸及形状观测短节、180度弯接头、第一水计量装置、第二水计量装置、差压传感器、高速摄像机、卤钨灯、黑色橡胶背景板、数据采集模块、电脑、参照标准丝和液体电磁流量计，所述压缩机的出气口通过所述第一阀门与所述储气罐的进气口连接，所述储气罐的出气口一次通过所述第二阀门和所述第三阀门与所述四通的第一端连接，所述四通的第二端通过所述引水管线与所述高位水箱连接，所述第六阀门和所述第七阀门均设置于所述引水管线上，所述四通的第三端与所述耐压储水罐的入水口连接，所述四通的第四端依次通过所述注气管线与所述有透明玻璃罐的下端连接，所述第四阀门和所述第五阀门均设置于所述注气管线上，所述气体涡街流量计和所述第一压力传感器均设置于所述第四阀门和所述第五阀门之间的管线上，所述耐压储水罐的出水口通过所述注水管线与所述有机透明玻璃管的下端连接，所述第八阀门和所述第九阀门均设置于所述注水管线上，所述液体电磁流量计设置于所述有机玻璃管的下端，所述有机透明玻璃罐的下端安装于所述底座上，所述第二压力传感器和所述差压传感器均设置于所述有机透明玻璃管上，所述液膜收集装置设置于所述有机透明玻璃罐上，所述除液膜短节设置于所述液膜收集装置内，所述液滴尺寸及形状观测短节设置于所述液膜收集装置上，所述液滴尺寸及形状观测短节内设置有所述参照标准丝，所述180度弯接头的一端与所述液滴尺寸及形状观测短节连接其另一端通过所述第十二阀门与所述第一水计量装置连接，所述黑色橡胶背景板设置于所述液滴尺寸及形状观测短节的一侧，所述高速摄像机和所述卤钨灯均设置于所述液滴尺寸及形状观测短节的另一侧，所述摄像机与所述电脑连接，所述电脑与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块分别与所述差压传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述液体电磁流量计和所述气体涡街流量计连接，所述液膜收集装置的出水口通过所述第十一阀门与所述第二水计量装置连接，所述第十阀门设置于所述耐压储水罐的下端。

2.根据权利要求1所述的用于测量环雾流场中液滴的实验装置，其特征在于：储气罐上设置有第一机械压力表，所述耐压储水罐上设置有第二机械压力表。

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