CN104807850A - 一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置及方法。所要解决的技术问题是提供一种能够有效测量井筒流体、油井管热力学参数的装置，指导高温高产油气井的设计。本发明采用同轴三层管子(油管、里层套管、外层套管)，同轴三层管子长度与其半径之比均大于10，端部用法兰密封连接。模拟温度(恒温，温度1)流体在设定排量下在油管内持续流动，里层套管内充填待测流体，模拟温度(恒温，温度2)流体在设定排量下在外层套管内持续流动。本发明可以测量流体、油井管的热力学参数，还可以直接测量出温度效应产生的热膨胀压力。

Description

一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于研究测量油气井井筒流体、油井管(油井管是指：石油天然气行业用钻杆、油管和套管)热力学参数的实验装置及方法，尤其涉及一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置及方法。

背景技术

在高温高产油气井开采过程中，井筒温度升高幅度较大，热膨胀导致的环空压力对套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；同时，随着温度升高轴向压力增加，会造成套管弯曲乃至上顶井口，甚至造成油气井报废。因此，对油气井井筒流体、油井管热力学参数的研究尤为重要突出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明的测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置的主要部件为：主体部分、恒温流体循环系统(热源)、恒温流体循环系统(冷源)、测温测压系统、显示和采集系统及温度控制系统；主体部分采用同轴三层管子，依次包括油管、里层套管和外层套管，同轴三层管子长度与其半径之比均大于10，端部用法兰密封连接，构成一个绝对密封的套筒，在油管内持续流动着模拟温度(恒温，温度1)流体，里层套管内充填待测流体并安置热电偶，外层套管内持续流动着模拟温度(恒温，温度2)流体；恒温流体循环系统包括搅拌器，水槽，制冷回路，加热控温系统，水泵，阀门和水温显示器；通过温度控制系统来实现对油管和外层套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及显示和采集系统完成，并通过通讯接口与电脑连接。

进一步的是，在油管的输入口端和输出口端分别与恒温流体循环系统(热源)连接成回路，在外层套管的输入口端和输出口端分别与恒温流体循环系统(冷源)相连成回路。

进一步的是，在里层套管内安置多组热电偶，每组两只热电偶分别紧贴油管外壁和里层套管内壁，热电偶与测温测压、数据采集及温度控制模块相连。在流体输入输出口端处也分别安置热电偶，其热电偶采用K型热电偶。

进一步的是，在里层套管顶部放置压力传感器，连接到测温测压模块，直接测量出由温度效应产生的热膨胀压力。

进一步的是，在外层套管的底部可充填固态水泥来模拟实际井下固井水泥段。

进一步的是，基于上述的实验装置，本发明还提供一种实验方法，所述的方法包括如下步骤：

第一步，实验准备：

分别测量三层管材的直径、壁厚及长度，放置10组(每组2只)热电偶，检查热电偶在油管外壁和里层套管内壁分布情况及工作状况，以确保其均匀分布和正常工作；测量待测流体的密度。

第二步，测量井筒流体、油井管热力学参数：

首先将待测流体输送进里层套管内，然后分别将各恒温流体循环系统阀门打开，使模拟温度(恒温，温度1)流体和模拟温度(恒温，温度2)流体在设定的排量下循环流入油管与外层套管中，并控制温度在设定值范围，当流体温度逐渐稳定达到热平衡时，关闭各流体循环系统阀门，在油管温度随时间降低到一定温度的过程中采集并记录待测温度和压力值，并测出油管内流体的体积，根据稳态法导热系数测量公式：

$K=\frac{\mathrm{C\ρV\Δ}{T}_1\ln \frac{r_2}{r_1}}{2\mathrm{\πL\Δ}{T}_2\mathrm{\Δt}}$

计算出待测流体的导热系数，其中C是待测流体的比热容，ρ为待测流体的密度，V是油管内流体的体积，L是油管的长度，ΔT₁为油管两端的温差，ΔT₂为待测流体横截面的平均温度之差，r₁为油管的内径，r₂为里层套管的内径。

第三步，重复第二步骤，改变温度条件，测量多个温度下的待测流体的导热系数。

第四步，保持温度、待测流体类型不变，使用不同材质的油管、套管做实验，计算出不同管材的导热系数。

第五步，实验结束，记录实验结果。将流体泵出装置外，清洗装置。

本发明的优点是：

(1)静态实验只能测量流体在静态条件下的导热系数，本发明采用流动法测量流体的导热系数，能够较好的模拟油井管材现场环境，装置具有耐高温、耐高压、结构简单、易于拆卸、密封效果好的特点。

(2)通过有效的绝热措施，有效降低了自然对流换热热损失和辐射热损失。

(3)本发明可采用温度恒定、流速稳定的循环流体加热，适合于耐高温流体。

(4)该装置适用于油气井井筒流体、油井管热力学参数的研究，可简单有效的测量出在油气运移的过程中井筒流体、油井管的导热能力及热膨胀压力，且测试的准确度较高。

附图说明

图1为本发明提供的测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的装置图；

图2为本发明中测试装置的主体部分示意图；

图3为恒温流体循环系统示意图；

图中标记为：测试装置主体部分1、恒温流体循环系统(热源)2、恒温流体循环系统(冷源)3、测温测压4、数据采集5、温度控制6、绝缘材料7、油管8、里层套管9、外层套管10、法兰11、模拟温度(恒温，温度1)流体12、待测流体13、热电偶14、模拟温度(恒温，温度2)流体15、油管流体输入口16、油管流体输出口17、外层套管流体输入口18、外层套管流体输出口19、固态水泥20、搅拌器21、水槽22、制冷回路23、加热控温系统24、水泵25、阀门26、水温显示器27。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置，包括主体部分1、恒温流体循环系统(热源)2、恒温流体循环系统(冷源)3、测温测压系统4及显示和采集系统5与温度控制系统6组成。装置的主体部分1由同轴三层管子构成，依次包括油管8、里层套管9和外层套管10，端部用法兰11密封，构成一个绝对密封的套筒，在油管8内持续流动着模拟温度(恒温，温度1)流体12，里层套管9内充填待测流体13并安置热电偶14，外层套管10内持续流动着模拟温度(恒温，温度2)流体15，底部通过绝缘材料7绝缘密封。油管的输入口16、输出口17与恒温流体循环系统2连接成回路，外层套管的输入口18、输出口19分别与恒温流体循环系统3连接成回路；二套恒温流体循环系统均由搅拌器21、水槽22，制冷回路23，加热控温系统24，水泵25，阀门26和水温显示器27组成；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4及显示和采集系统5完成，并通过通讯接口与电脑连接。

水泵25、加热控温系统24和制冷回路23可以分别改变油管内的流体12和外层套管内的流体15的流速和温度，从而可以模拟实际井下工作环境的各种参数变化，探究各因素对井筒流体、油井管导热能力的影响程度。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和热电偶14与显示和采集系统5连接，分别检测管内流体的压力、温度。

本发明提供的适用于测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验方法属于稳态法。稳态法是指待测试样上温度分布达到稳定后进行测试，通过稳态的导热微分方程，直接测得导热系数。

因为油管内产生的热量Q＝CmΔT，即单位时间内油管产生的热量根据m＝ρV，所以油管中产生的热量流体在温差的作用下产生的径向传热量为根据能量守恒定律，在油管中产生的热量与产生的径向热损失之和相等，Q₁＝Q₂。

则里层套管内待测流体的导热系数为：

根据上述原理，本方法测试实验步骤为：

第一步，实验准备：

分别测量三层管材的直径、壁厚及长度，放置10组(每组2只)热电偶，检查热电偶在油管外壁和里层套管内壁分布情况及工作状况，以确保其均匀分布和正常工作；测量待测流体的密度。

第二步，测量井筒流体、油井管热力学参数：

首先将待测流体输送进里层套管内，并控制温度、压力在模拟井下生产条件范围内，然后分别将各恒温流体循环系统阀门打开，使模拟温度(恒温，温度1)流体和模拟温度(恒温，温度2)流体在设定的排量下循环流入油管与外层套管中，当流体温度逐渐稳定达到热平衡时，关闭各流体循环系统阀门，在油管温度随时间降低到一定温度的过程中采集并记录待测温度和热膨胀压力值，并测出油管内流体的体积，根据稳态法导热系数测量公式：

$K=\frac{\mathrm{C\ρV\Δ}{T}_1\ln \frac{r_2}{r_1}}{2\mathrm{\πL\Δ}{T}_2\mathrm{\Δt}}$

计算出待测流体的导热系数，其中C是待测流体的比热容，ρ为待测流体的密度，V是油管内流体的体积，L是油管的长度，ΔT₁为油管两端的温差，ΔT₂为待测流体横截面的平均温度之差，r₁为油管的内径，r₂为里层套管的内径。

第三步，重复第二步骤，改变温度条件，测量多个温度下的待测流体的导热系数。

第四步，保持温度、完井液类型不变，使用不同材质的油管、套管做实验，计算出不同管材的导热系数。

第五步，实验结束，记录实验结果。将流体泵出装置外，清洗装置。

Claims (7)

1.一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置，其特征在于：包括主体部分(1)、恒温流体循环系统(热源)(2)、恒温流体循环系统(冷源)(3)、测温测压系统(4)、显示和采集系统(5)及温度控制系统(6)；主体部分(1)采用同轴三层管子，依次包括油管(8)、里层套管(9)和外层套管(10)，同轴三层管子长度与其半径之比均大于10，端部用法兰(11)密封连接，构成一个绝对密封的套筒，在油管(8)内持续流动着模拟温度(恒温，温度1)流体(12)，里层套管(9)内充填待测流体(13)并安置热电偶(14)，外层套管(10)内持续流动着模拟温度(恒温，温度2)流体(15)；恒温流体循环系统(2)包括搅拌器(21)，水槽(22)，制冷回路(23)，加热控温系统(24)，水泵(25)，阀门(26)和水温显示器(27)；通过温度控制系统(6)来实现对油管(8)和外层套管(10)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，并通过通讯接口与电脑连接。

2.如权利要求1所述的一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置，其特征在于：在油管的输入口端(16)和输出口端(17)分别与恒温流体循环系统(2)连接成回路，在外层套管的输入口端(18)和输出口端(19)分别与恒温流体循环系统(3)相连成回路。

3.如权利要求1所述的一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置，其特征在于：在里层套管内安置多组热电偶，每组两只热电偶分别紧贴油管外壁和里层套管内壁，热电偶与测温测压(4)、数据采集(5)及温度控制(6)相连，在流体输入输出口端处也分别安置热电偶，其热电偶采用K型热电偶。

4.如权利要求1所述的一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置，其特征在于：在外层套管的底部可充填固态水泥(20)来模拟实际井下固井水泥段。

5.如权利要求3所述的一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验装置，其特征在于：在里层套管顶部放置压力传感器，连接到测温测压模块(4)，直接测量出由温度效应产生的热膨胀压力。

6.一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验方法，其特征在于：采用同轴三层管子(油管、里层套管、外层套管)，同轴三层管子长度与其半径之比均大于10，底部用绝缘材料(7)密封，将待测流体输送进里层套管内，分别打开恒温流体循环系统阀门，当油管和外层套管内流体温度达到热平衡时，测出层间温度差，计算出油管提供的热量，利用傅里叶导热基本定律得到待测流体导热系数。

7.如权利要求6所述的一种测量油气井井筒流体、油井管热力学参数的实验方法，其特征在于：所述的方法包括如下步骤，

第一步，实验准备：

分别测量三层管材的直径、壁厚及长度，放置10组(每组2只)热电偶，检测热电偶在油管外壁和里层套管内壁分布情况及工作状况，以确保其均匀分布和正常工作；测量待测流体的密度；

第二步，测量井筒流体、油井管热力学参数：

首先将待测流体输送进里层套管内，然后分别将各恒温流体循环系统阀门打开，使模拟温度(恒温，温度1)流体和模拟温度(恒温，温度2)流体在设定的排量下循环流入油管与外层套管中，并控制温度在设定范围内，当流体温度逐渐稳定达到热平衡时，关闭各流体循环系统阀门，在油管温度随时间降低到一定温度的过程中采集并记录待测温度和压力值，并测出油管内流体的体积，根据稳态法导热系数测量公式：

$K=\frac{\mathrm{C\ρ}{\mathrm{\ΔT}}_1\ln \frac{r_2}{r_1}}{2\mathrm{\πL}{\mathrm{\ΔT}}_2\mathrm{\Δt}}$

计算出待测流体的导热系数，其中C是待测流体的比热容，ρ为待测流体的密度，V是油管内流体的体积，L是油管的长度，ΔT₁为油管两端的温差，ΔT₂为待测流体横截面的平均温度之差，r₁为油管的内径，r₂为里层套管的内径；

第三步，重复第二步骤，改变温度条件，测量多个温度下的待测流体的导热系数；

第四步，保持温度、待测流体类型不变，使用不同材质的油管、套管做实验，计算出不同管材的导热系数；

第五步，实验结束，记录实验结果。将流体泵出装置外，清洗装置。