CN104034629A - 一种泡沫管流变测试系统及其应用 - Google Patents

Abstract

一种泡沫管流变测试系统，包括泡沫发生器、与所述泡沫发生器分别相连的泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管，在所述泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管的出液端连接有沉淀槽；所述泡沫携砂流体试验管的液体入口连接设置有加砂装置；所述泡沫流体试验组管包括通过管路并联设置的多个泡沫流体试验管，在连接多个泡沫流体试验管的管路上设置有阀门，通过启、闭上述管路不同位置的阀门，实现单个泡沫流体试验管单支接入泡沫发生器、多个泡沫流体试验管并联接入泡沫发生器或多个泡沫流体试验管串联接入泡沫发生器。该系统将泡沫流变测试系统和加砂测试系统结合在了一起，通过阀门的关闭就能完成两个系统的切换，方便、快捷。

Description

一种泡沫管流变测试系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种泡沫管流变测试系统及其应用，属于石油开采试验设备的技术领域。

背景技术

泡沫流体具有密度可调、黏度高、密度低、携砂能力强等优点，在石油行业的应用越来越广泛，所以泡沫流体的流变性及其携砂规律的研究越来越重要。传统的研究泡沫流体流变性的方法多是采用旋转粘度计等静态研究泡沫流体的流变性，泡沫流体是气液两相流，在流动过程中流变性会发生很大变化，所以必须采用管式流变仪才能真实的反应泡沫的流变性，管径和流量都是是影响泡沫流变性的重要因素，管径和流量直接影响泡沫流体在实验管段中的流速，所以既要研究单根实验管段泡沫流体的流变性，又要研究三根管串联和并联时泡沫流体的流变性。泡沫流体具有携砂能力强的优点，但不同流态的泡沫对携砂能力又有很大的影响，所以研究泡沫流体流变性对携砂能力的影响也越来越重要。本试验系统将泡沫流变系统和泡沫携砂系统结合起来，通过阀门的打开和闭合就能完成单个实验管流变性研究试验、三根实验管串联流变性研究、三根管并联流变性研究和泡沫携砂的实验研究。

泡沫流体是一种携砂能力比较强的携砂液，至今已有很多文献对其流变性和携砂能力进行研究。

现有技术文献《Experimental investigation on the rheology of foams》，2000，SPE：1-14中记载：利用管式流变仪研究了单根实验管中泡沫流体的流变性；现有技术文献《experimental study and modeling of pressure loss for foam-cuttingsmixture flow in horizontal pipe》，2011，23(4)：431-438中记载：研究了泡沫流体泡沫质量和流速对泡沫携砂能力的影响。这些实验过程中虽然用到了管式流变仪，但只是针对泡沫流变性或只是针对泡沫携砂，并没有将两个实验系统结合起来，也没有将石英砂回收利用，并且是常压加砂，不能反映石油工业中油井中的真实情况，影响实验数据的准确性。

现有技术文献《Experimental study on the rheology of CO₂viscoelasticsurfactant foam fracturing fluid》，2014，J.Petrol.Sci.Eng：1-8中记载：研究了泡沫质量、压力、温度和剪切速率等对泡沫流变性的影响。但此实验并没有考虑管径对流变性的影响，也没有将流变性与泡沫携砂规律结合在一起。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种泡沫管流变测试系统。该系统不仅适用于常压测泡沫流体的流变性和携砂性能，也可以实现检测高压下泡沫流体的流变性和携砂性能，并且增加石英砂回收环节，提高石英砂的循环利用率，以节约实验研究成本。

本发明还提供一种上述系统进行流变及加砂实验的方法。

本发明的技术方案如下：

一种泡沫管流变测试系统，该系统包括泡沫发生器、与所述泡沫发生器分别相连的泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管，在所述泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管的出液端连接有沉淀槽；所述泡沫携砂流体试验管的液体入口连接设置有加砂装置；所述泡沫流体试验组管包括通过管路并联设置的多个泡沫流体试验管，在连接多个泡沫流体试验管的管路上设置有阀门，通过启、闭上述管路不同位置的阀门，实现单个泡沫流体试验管单支接入泡沫发生器、多个泡沫流体试验管并联接入泡沫发生器或多个泡沫流体试验管串联接入泡沫发生器。

根据本发明优选的，所述的泡沫发生器包括气体管路和泡沫发生液管路，所述气体管路和泡沫发生液管路分别与泡沫发生器连接，气相和液相在所述泡沫发生器混合。

根据本发明优选的，所述的加砂装置包括顺次连接的高压气源、砂罐和螺旋输送器，所述螺旋输送器将砂砾输送至泡沫携砂流体试验管的液体入口。所述的高压气源为气瓶。

根据本发明优选的，所述沉淀槽包括多级沉淀池，相邻沉淀池之间设置有分界板。

根据本发明优选的，所述沉淀槽自废液流动方向依次设置有两级沉淀池，分别为初级沉淀池和次级沉淀池，所述次级沉淀池的排液口为梯形。

根据本发明优选的，所述的分界板的高度为沉淀槽高度的2/3，沉淀槽的宽度为泡沫流体试验组管出液口和泡沫携砂流体试验管出液口直径的8-12倍，所述沉淀槽的长度是其宽度的2-8倍。废液通过软管经沉淀槽右侧挡板上方排入沉淀槽，沉淀槽分为两级，从右至左依次为初级沉淀池和次级沉淀池，中间有分界板分开，排液口设置为梯形目的在于沉淀槽口径缩小便于废液流入下水道直接排出。沉淀槽的宽度为排液软管的直径的8-12倍，废液流入沉淀槽后流速迅速减小，便于石英砂的沉积。长度为宽度的两倍以上，能够储存一定数量的石英砂，便于定期清理，回收利用。分界板的高度为沉淀槽高度的2/3，保证大颗粒石英砂能沉淀完全，废液由分界板的上部流入次级沉淀池，经过进一步沉淀将颗粒较小的石英砂沉淀在沉淀槽内，最终的废液经梯形排液口流入下水道排出。

根据本发明优选的，所述初级沉淀池和次级沉淀池底部设置有褶皱结构。此设计的优势便于小颗粒石英砂的聚集和收集。

根据本发明优选的，所述的泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管均为透明材质的试验管或具有观察窗的试验管，优选的，所述透明材质为石英玻璃。

根据本发明优选的，所述泡沫携砂流体试验管包括石英玻璃外壁和陶瓷内嵌层。

根据本发明优选的，所述泡沫管流变测试系统还包括数据图像采集系统，所述数据图像采集系统包括高速摄像机和与高速摄像机相连的数据采集主机；所述高速摄像机对泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管分别进行采集试验图像。

一种泡沫管流变测试系统的工作方法，包括如下流程：

当利用所述泡沫管流变测试系统进行短程泡沫流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫流体试验组管连通，只保留所述泡沫流体试验组管内单支泡沫流体试验管与泡沫发生器连通；

当利用所述泡沫管流变测试系统进行远程泡沫流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫流体试验组管连通，通过启、闭上述管路不同位置的阀门，实现多个泡沫流体试验管串联接入泡沫发生器；

当利用所述泡沫管流变测试系统进行并联泡沫流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫流体试验组管连通，通过启、闭上述管路不同位置的阀门，实现多个泡沫流体试验管并联接入泡沫发生器；

当利用所述泡沫管流变测试系统进行泡沫携砂流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫携砂流体试验管连通，开启加砂装置同时向所述泡沫携砂流体试验管加砂。

本发明的技术优势在于：

本发明所述系统在石油开采工艺中极为重要，不仅可以应用于泡沫调驱、泡沫携砂还可以应用于泡沫助排、洗井等领域，是一种高效、综合的泡沫实验系统。

1、本发明通过阀门的开关切换泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管，实现全程观察和拍摄泡沫流体的状态和石英砂在泡沫流体中的聚集状态。

2、本发明实现试验泡沫的走向包括两个方向：一个是泡沫流体试验组管、另一个是泡沫携砂流体试验管，两个走向的切换通过球形阀的开关来实现。泡沫流体试验组管最上部管路的液体入口和最下部管路液体出口装有压力传感器11，分别测试液体入口及液体出口处压力值，单支泡沫流体试验管中部接有差压变送器，测量实验段的压差。通过阀门的开关不仅可以测试单支泡沫流体试验管的泡沫流体的流变性和携砂性能，还可以测试泡沫流体试验管串联和并联时泡沫流体的流变性和携砂性能，无需将管路拆开重装，方便快捷。

3、本发明所述的泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管采用石英玻璃，石英玻璃不仅能够提高整个管路的耐压性能，而且石英玻璃具有可视性，所以可以方便的观察泡沫发生器的发泡效果及管路中石英在泡沫流体中的悬浮和聚集状态，同时可以利用高速摄像机对管路中的泡沫及悬砂拍照。

4、本发明所述的泡沫携砂流体试验管石英玻璃且内嵌陶瓷，液体入口和液体出口接有压力变送器测出入口处的压力，中间接差压变送器测量实验段的差压值。泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管采用不同材质，消除待测流体对泡沫流体壁面滑移的影响。

5、本发明所述的管路用法兰连接，根据需要变换实验段管路。

6、本发明适用范围广。不仅能测试泡沫流体的流变性，而且能测试泡沫流体的携砂性能，不仅能测量单根管路的流变性能，而且能测试三根管串联和并联的流变性能；管路出口处装有减压阀，通过调节减压阀开启的程度来调节管路中的压力，从而使该试验系统不仅适用于常压测试，而且适用于高压测试。操作方便。只需通过阀门的开关就能完成流变性测试和加砂性能测试的转换，该试验系统采用的是球形阀，球形阀的开关操作更方便、快捷。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明沉淀槽结构示意图；

图3为实施例5的ln(τ_b)与ln(8u/d)关系曲线图；

图4为实施例5的Г＝70％的流变曲线；

在图1-2中，1、空气压缩机；2、储气罐；3、螺杆泵；4、阀门；4-1、多个泡沫流体试验管的管路上设置有阀门；5、压力表；6、储液罐；7、流量计；8、单向阀；9、泡沫发生器；10、观察段；11、压力传感器；12、高速摄像机；13、气瓶；14、沉淀槽；15、螺旋输送器；16、砂罐；17、差压变送器；18、减压阀；19、数据采集主机；20、泡沫流体试验组管；21、泡沫携砂流体试验管；22、初级沉淀池；23、次级沉淀池；24、排液口；25、气体管路；26、泡沫发生液管路；27、分界板。

图2中，L为沉淀槽的长，H为沉淀槽的高，D为沉淀槽的宽，h为分界板的高度；沉淀槽的原理是流量相同的情况下，流通面积越宽流速越低，石英砂的密度比泡沫流体的大，通过重力作用将石英砂沉到沉淀槽的底部。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1-2所示。

实施例1、

一种泡沫管流变测试系统，该系统包括泡沫发生器、与所述泡沫发生器分别相连的泡沫流体试验组管20和泡沫携砂流体试验管21，在所述泡沫流体试验组管20和泡沫携砂流体试验管21的出液端连接有沉淀槽14；所述泡沫携砂流体试验管21的液体入口连接设置有加砂装置；所述泡沫流体试验组管20包括通过管路并联设置的多个泡沫流体试验管，在连接多个泡沫流体试验管的管路上设置有阀门4-1，通过启、闭上述管路不同位置的阀门4-1，实现单个泡沫流体试验管单支接入泡沫发生器、多个泡沫流体试验管并联接入泡沫发生器或多个泡沫流体试验管串联接入泡沫发生器。

所述的泡沫发生器包括气体管路25和泡沫发生液管路26，所述气体管路25和泡沫发生液管路26分别与泡沫发生器9连接，气相和液相在所述泡沫发生器9混合。

所述的加砂装置包括顺次连接的高压气源、砂罐16和螺旋输送器15，所述螺旋输送器15将砂砾输送至泡沫携砂流体试验管21的液体入口。所述的高压气源为气瓶13。

所述沉淀槽14包括多级沉淀池，相邻沉淀池之间设置有分界板27。

所述的泡沫流体试验组管20和泡沫携砂流体试验管21均为透明材质的试验管或具有观察窗的试验管，优选的，所述透明材质为石英玻璃。所述泡沫携砂流体试验管包括石英玻璃外壁和陶瓷内嵌层。

所述流变及加砂系统还包括数据图像采集系统，所述数据图像采集系统包括高速摄像机12和与高速摄像机相连的数据采集主机19；所述高速摄像机19对泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管分别进行采集试验图像。

本实施例中的泡沫流体试验管的数量为3根，其管径分别为25mm、20mm、15mm，每根管长为5m，所述泡沫流体试验管包括入口缓冲段、测试段和观察段，所述入口缓冲段为0.8m，测试段长度为4m；每根管的出口处都装有观察段，便于观察该管中泡沫的聚集状态。

实施例2、

如实施例1所述的一种泡沫管流变测试系统，其区别在于，所述沉淀槽14自废液流动方向依次设置有两级沉淀池，分别为初级沉淀池22和次级沉淀池23，所述次级沉淀池23的排液口24为梯形。

实施例3、

如实施例1所述的一种泡沫管流变测试系统，其区别在于，所述的分界板27的高度为沉淀槽14高度的2/3，沉淀槽14的宽度为泡沫流体试验组管出液口和泡沫携砂流体试验管出液口直径的8-12倍，所述沉淀槽的长度是其宽度的2-8倍。所述初级沉淀池和次级沉淀池底部设置有褶皱结构。

实施例4、

一种如实施例1-3所述泡沫管流变测试系统的工作方法，包括如下流程：

当利用所述泡沫管流变测试系统进行短程泡沫流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫流体试验组管连通，只保留所述泡沫流体试验组管内单支泡沫流体试验管与泡沫发生器连通；

当利用所述泡沫管流变测试系统进行远程泡沫流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫流体试验组管连通，通过启、闭上述管路不同位置的阀门，实现多个泡沫流体试验管串联接入泡沫发生器；

当利用所述泡沫管流变测试系统进行并联泡沫流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫流体试验组管连通，通过启、闭上述管路不同位置的阀门，实现多个泡沫流体试验管并联接入泡沫发生器；

当利用所述泡沫管流变测试系统进行泡沫携砂流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫携砂流体试验管连通，开启加砂装置同时向所述泡沫携砂流体试验管加砂。

本发明通过阀门的开关来完成单根管测流变、三根管串联测流变和三根管并联测流变；将泡沫流变系统与加沙系统并联，通过阀门的开关就能实现流变系统与加砂系统的切换，方便、快捷；在出口处加装减压阀，通过减压阀的开启程度不同来实现不同压力下泡沫流变及携砂的实验研究；实验完成后将废液排进沉淀槽，沉淀槽为二级沉淀或多级沉淀，将石英砂完全沉淀后排出，沉淀槽中的石英砂经过清洗、晒干又可以重复利用。

实施例5、

如实施例1所述一种泡沫管流变测试系统，利用泡沫质量为70％，将所述泡沫流体试验组管中的泡沫流体试验管从上至下三根管径分别为25mm、20mm、15mm的情况下采集和计算的数据如表1、表2、表3所示，流变曲线如图3、图4所示。

表1Г＝70％的实验数据

由实验数据计算得出该泡沫质量下的ln(τ_b)与ln(8u/d)值列于下表中，图3则是该泡沫质量下的ln(τ_b)与ln(8u/d)关系曲线图。

表2Г＝70％的ln(8u/d)及ln(τ_b)计算值

由图3可以看出，上、中、下分布的泡沫流体试验管的n′值分别为0.3763、0.3949、0.4964。此泡沫质量的剪切应力以及剪切速率计算结果列于下表3中，然后再画出流变曲线如图4所示。

表3Г＝70％的γ及τ_b计算值

从图4可以看出泡沫质量Г＝70％的流变曲线符合幂律流变模式。通过计算可以得出上、中、下分布的泡沫流体试验管的K′值分别为0.7899、0.5437、0.2103，根据K′与K之间的关系式可以算出稠度系数K值分别为0.6933、0.4783、0.1880。由此可以确定该泡沫质量下的泡沫流体在上、中、下分布的泡沫流体试验管的流变方程分别为：

上管 ${\mathrm{\τ}}_1=0.6933{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1^{0.3763}---\left(1\right)$

中管 ${\mathrm{\τ}}_1=0.4783{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1^{0.3949}---\left(2\right)$

下管 ${\mathrm{\τ}}_1=0.1880{\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}}_1^{0.4962}---\left(3\right).$

Claims (10)

1.一种泡沫管流变测试系统，其特征在于，该系统包括泡沫发生器、与所述泡沫发生器分别相连的泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管，在所述泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管的出液端连接有沉淀槽；所述泡沫携砂流体试验管的液体入口连接设置有加砂装置；所述泡沫流体试验组管包括通过管路并联设置的多个泡沫流体试验管，在连接多个泡沫流体试验管的管路上设置有阀门，通过启、闭上述管路不同位置的阀门，实现单个泡沫流体试验管单支接入泡沫发生器、多个泡沫流体试验管并联接入泡沫发生器或多个泡沫流体试验管串联接入泡沫发生器。

2.根据权利要求1所述的一种泡沫管流变测试系统，其特征在于，所述的泡沫发生器包括气体管路和泡沫发生液管路，所述气体管路和泡沫发生液管路分别与泡沫发生器连接，气相和液相在所述泡沫发生器混合。

3.根据权利要求1所述的一种泡沫管流变测试系统，其特征在于，所述的加砂装置包括顺次连接的高压气源、砂罐和螺旋输送器，所述螺旋输送器将砂砾输送至泡沫携砂流体试验管的液体入口。

4.根据权利要求1所述的一种泡沫管流变测试系统，其特征在于，所述沉淀槽包括多级沉淀池，相邻沉淀池之间设置有分界板。

5.根据权利要求4所述的一种泡沫管流变测试系统，其特征在于，所述沉淀槽自废液流动方向依次设置有两级沉淀池，分别为初级沉淀池和次级沉淀池，所述次级沉淀池的排液口为梯形。

6.根据权利要求5所述的一种泡沫管流变测试系统，其特征在于，所述的分界板的高度为沉淀槽高度的2/3，沉淀槽的宽度为泡沫流体试验组管出液口和泡沫携砂流体试验管出液口直径的8-12倍，所述沉淀槽的长度是其宽度的2-8倍。

7.根据权利要求5所述的一种泡沫管流变测试系统，其特征在于，所述初级沉淀池和次级沉淀池底部设置有褶皱结构。

8.根据权利要求1所述的一种泡沫管流变测试系统，其特征在于，所述的泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管均为透明材质的试验管或具有观察窗的试验管，优选的，所述透明材质为石英玻璃；所述泡沫携砂流体试验管包括石英玻璃外壁和陶瓷内嵌层。

9.根据权利要求1所述的一种泡沫管流变测试系统，其特征在于，所述泡沫管流变测试系统还包括数据图像采集系统，所述数据图像采集系统包括高速摄像机和与高速摄像机相连的数据采集主机；所述高速摄像机对泡沫流体试验组管和泡沫携砂流体试验管分别进行采集试验图像。

10.一种如权利要求1所述泡沫管流变测试系统的工作方法，包括如下流程：

当利用所述泡沫管流变测试系统进行短程泡沫流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫流体试验组管连通，只保留所述泡沫流体试验组管内单支泡沫流体试验管与泡沫发生器连通；

当利用所述泡沫管流变测试系统进行远程泡沫流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫流体试验组管连通，通过启、闭上述管路不同位置的阀门，实现多个泡沫流体试验管串联接入泡沫发生器；

当利用所述泡沫管流变测试系统进行并联泡沫流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫流体试验组管连通，通过启、闭上述管路不同位置的阀门，实现多个泡沫流体试验管并联接入泡沫发生器；

当利用所述泡沫管流变测试系统进行泡沫携砂流体试验时：将所述泡沫发生器与所述泡沫携砂流体试验管连通，开启加砂装置同时向所述泡沫携砂流体试验管加砂。