CN105043949B - 一种垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置及方法；该装置不仅可以模拟垂直井筒中煤粉在气、水携带下运移产出情况，而且能够模拟垂直井筒中单相液体流动、气液两相流动情况。本装置主要由供液系统、供气系统、供压系统、数据及图像采集处理系统，其中数据采集系统包括高清摄像仪，PIV粒子成像测速仪，各类传感器等电子集成采集设备，它们将模拟井筒中的两端压力，应用了电子集成设备，将模拟井筒两端压力、流动的速度、流场，流动现象等参数统一采集到计算机终端进行处理，形成了一个综合的井筒多相流动模拟实验平台。该装置可以模拟煤粉在垂直井筒中运移情况，也可实现多种实验条件下的研究工作，操作方便，适应性强，应用范围广泛。

Description

一种垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置及方法

技术领域

本发明属于石油与天然气技术领域，主要涉及一种垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置。该装置不仅可以模拟垂直井筒中煤粉在气、水携带下运移产出情况，而且能够模拟垂直井筒中单相液体流动、气液两相流动情况。

背景技术

煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是一种非常规天然气资源，俗称瓦斯。随着常规石油资源的日益枯竭，国际上对煤层气开采的重视程度大增，煤层气已经成为常规天然气产量的重要补充。我国作为产煤、用煤大国，煤层气储量丰富，合理开发利用煤层气资源，对缓解我国能源紧张、改善能源结构、降低对外依赖具有重要意义。

我国的煤层通常压力低、渗透率低、吸附气饱和度低，因此单井产量低，经济效益不高。为了提高产量，煤层气井通常采用压裂措施。在压裂后，煤层气井会产出一些煤粉。煤粉的产出受气体解吸、孔喉大小、气液流速等因素的影响。在产出过程中，煤粉会滞留在煤藏、井底、井筒、水平井段等不同位置，对煤层气的生产造成不良影响，如造成孔喉和割理堵塞、引起泵筒磨损或卡泵事故、甚至造成埋泵。掌握煤粉在井筒中的运移规律，对有效防控煤粉的产生、合理控制煤粉的运移、保证煤层气井的正常生产具有重要意义。本发明的目的是为了模拟煤粉在煤层气垂直井筒中的产出、运移规律，为排采制度的制定提供依据。

除此之外，在工程领域，垂直管道中多相、复杂流体的运动规律是一个普遍问题，需要研发实验室研究装置，研究垂直井筒中的多相流动规律，为解决工程领域中井筒流动计算和工程设计奠定基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤层气垂直井筒煤粉产出模拟评价装置,模拟煤粉被携带产出或在井筒中沉降的条件和影响因素，测量煤粉颗粒的沉降速度，为煤层气井的排采设计提供依据，它涉及垂直井筒中的气、液、固多相流动，因此还可以用来模拟垂直井筒中多相流动规律。

为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是：

一种垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置，它包括一个垂直模拟井筒，所述的模拟井筒底部作为入口连接有为其提供恒定流速液体的供液系统、为其提供恒定流速气体的供气系统和为其提供可调压力的供压及稳压系统；所述模拟井筒的顶部作为出口连接有回收清理系统以及数据采集系统，所述的数据采集系统将模拟井筒两端压力、液体流动的速度和流场以及流动现象统一采集到计算机终端进行处理，形成了一个综合的井筒多相流动模拟实验平台。

所述的供液系统包括封闭稳压罐、节流阀及液体流量计，稳压罐入口端经闸阀与液源连接，稳压罐内气体的压力为常压状态的情况下，打开连接闸阀向罐内添加液体；供压系统加压时，闸阀处于关闭状态，稳压罐出口端液体在压力驱动下流经节流器、液体流量计向模拟井筒流动。

所述供气系统包括空压机、分流器、单向节流阀I及气体流量计，空压机气体出口端气体经过分流器分流，部分气体经过单向节流阀I及气体流量计流入支线路径，然后经主线路径流向模拟井筒，为模拟井筒提供恒定流速的气体。

所述供压及稳压系统主要包括空压机、分流器、稳压罐以及压力表；空压机出口端气体流经分流器，单向节流阀II部分气体流向稳压罐，气体在稳压罐中压缩，形成驱动流体流动的压力。

所述的稳压罐的出口串联有一个节流阀，通过节流阀的调节控制稳压罐驱动压力。

所述的数据采集系统包括数据采集器及计算机终端以及与其相连的PIV粒子成像测速仪、高速摄像仪、三个压力测量传感器、液体流量传感器、气体流量传感器；所述的高速摄像仪和PIV粒子成像测速仪分别安装在模拟井筒的两侧，用于实时记录模拟井筒流动的现象、流场分布，粒子和流体的运动速度；

所述的两个压力测量传感器分别安装在模拟井筒的出口和入口，测量模拟井筒的压差，且两个压力测量传感器分别与压力表相连；另外一个压力测量传感器用于测量稳压罐内的压力；所述的液体流量传感器用于测量稳压罐出口的液体的流量；所述的气体流量传感器用于检测供气系统的单向节流阀出口的气体流量。

所述回收清理系统包括一个回收罐，所述的回收罐包括按照设定的顺序上下叠置起来的多层布筛网，且各层的各筛网目数不同，回收所得固体颗粒重复利用。

所述的回收罐入口端通过管汇与模拟井筒出口相连，流体进入到回收罐，通过筛网层层过滤，固体颗粒依次滞留在不同的目筛网上，液体通过筛网，进入排液通道。

所述的模拟井筒为内径50mm、长6米的垂直放置的有机玻璃管，其顶端和底端处各设有固体颗粒加砂口。

所述的垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置的实验方法：

模拟液体在不同压力条件下的流动状态时，稳压罐压力控制由供压和稳压系统实现，单向节流阀I关闭状态下，单向节流阀II和节流阀共同作用进行调节模拟井筒底端压力和流体流量，进而改变模拟井筒中流体流动状态。其中模拟井筒底端压力数据的由压力传感器采集并传输到计算机终端，传感器压力标定和校正通过压力表读数完成。

对于模拟地层条件下流体排采过程而言，调节单向节流阀II控制稳压罐压力相当于改变地层压力；调节节流阀目的是改变模拟井筒底端压力，对应而言相当于改变井底压力。稳压罐和模拟井筒底端压力的压力是由于地层岩石的物性造成的；当节流阀全部打开，忽略管汇压力损耗的情况，稳压罐压力和模拟井筒底端压力是相等的，此时可将稳压罐看作水平井的水平段，而模拟井筒则是水平井的垂直井段。

模拟气液两相在不同压力条件下的流动状态时，气液两种流体进入模拟井筒之前混合，气液两种流体进入模拟井筒之前混合，液体流经管汇上的节流阀和液体流量计、稳压罐、单向节流阀II、分流器串联，气体管汇上的单向节流阀I、气体流量计和分流器串联，两条路径并联在一起和空气压缩机联通；此时单向节流阀I1、单向节流阀II、节流阀三者同时影响流体的流动，两个路径的流体流量通过液体流量计、气体流量计标定。首先通过调节单向节流阀I调节稳压罐压力，稳压罐压力稳定后调节节流阀进行流体流量的调节，同时调节单向节流阀II调节气体流量。相应于现场中定产量生产，定压生产条件，实际操作中可以以气液流量为调节对象，也可以以模拟井筒底端压力为调节对象，完成这一过程，便可以通过实验装置模拟流动状态。不同压力条件，不同流量条件气液两相在模拟井筒中流动形态变化很大，表现为泡流，段塞流，环流，雾流，其相应的流动参数和条件参数通过数据采集系统记录下来。

模拟煤层气井垂直井筒中煤粉产出过程时，需要准备加砂环节，通过模拟井筒上下两端的加砂装置，可以将混合均匀的煤水混合液注入到模拟井筒中。

本发明的有益效果如下：

本发明可以提供一种煤层气垂直井筒煤粉产出模拟评价装置,用来模拟煤粉被携带产出或在井筒中沉降的条件和影响因素，测量煤粉颗粒的沉降速度，为煤层气井的排采设计提供依据；它还涉及垂直井筒中的气、液、固多相流动，因此还可以用来模拟垂直井筒中多相流动规律。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是发明的主体示意图，

图2是发明的结构示意图，

图中：1稳压罐、2模拟井筒、3回收罐、4采集器及计算机终端、5空气压缩机、6高速摄像仪、7液体流量传感器、8压力传感器、9气体流量传感器、10压力传感器、11压力表、12压力表、13压力表、14气体流量计、15液体流量计、16分流器、17单向节流阀I、18节流阀、19压力传感器、20单向节流阀II、21PIV粒子成像测速仪。

具体实施方式

实施例1

如图1,2所示，一种垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置，包括提供恒定流速气体的供气系统；提供恒定流速液体的供液系统；可调节的供压及稳压系统；智能化多功能数据及图像采集处理系统；以及设置于模拟井筒系统出口的用于流体和分离的进的回收及清理系统；具体包括封闭耐压容器稳压罐1、高强度有机玻璃管柱2、可以回收利用固体颗粒并具有排污水作用的回收罐3、智能化易操作的采集器及计算机终端4、供压供气设备空气压缩机5、高速摄像仪6、各类电子数据采集装置液体流量传感器7、气体流量传感器9、压力传感器8、10、19、常规仪表压力表11、12、13、气体流量计14、液体流量计15，将供压和供气系统串联起来的分流器16，阀门和控制阀门单向节流阀I17、II20，节流阀18可以精确测量流动速度以及流场的PIV粒子成像测速仪21。

其中，所述的供液系统主要包括封闭稳压罐1、节流阀18及液体流量计15，稳压罐1入口端经闸阀21与液源连接，罐内气体的压力为常压状态的情况下，打开连接闸阀21可以向罐内添加液体。供压系统加压时，闸阀21处于关闭状态，稳压罐出口端液体在压力驱动下流经节流器18、液体流量计15向模拟井筒流动；

所述供气系统主要包括空压机5、分流器16、单向节流阀16及气体流量计14，空压机5气体出口端气体经过分流器15分流，部分气体经过单向节流阀16流入支线路径，经主线路径流向模拟井筒。该系统可以用高压贮气瓶代替空压机实现；

所述供压及稳压系统主要包括空压机5、分流器16、稳压罐1以及压力表11。空压机5出口端气体流经分流器16，单向节流阀II20部分气体流向稳压罐1，由于气体在稳压罐5中压缩，形成驱动流体流动的压力，其中节流阀的调节可以控制稳压罐1驱动压力；

所述的数据及图像采集处理系统由液体流量计15、气体流量计14、压力表11、12、13、压力测量传感器8、10、19、液体流量传感器7、气体流量传感器9、液体流量计15、气体流量计14、高速摄像仪6、PIV粒子成像测速仪21、数据采集器及计算机终端4组成，其中物理测量装置主要用以校对相关参数，电子采集系统用以智能化采集相关参数并将数据传输到计算机终端做进一步处理。在模拟井筒两侧配置有高速摄像仪6、PIV粒子成像测速仪21，实验中设备实时记录模拟井筒2流动的现象、流场分布，粒子和流体的运动速度等，设备采集的图像和数据实时传输到计算机终端，通过数字图像处理技术实时记录实验中管柱内的流动情况；

所述回收清理系统即回收罐3包括多层布筛网，多个布筛网按照一定的顺序上下叠置起来，各筛网目数不同，回收所得固体颗粒可以重复利用。回收罐3入口端通过管汇与模拟井筒2出口相连，流体进入到回收罐3，通过筛网层层过滤，固体颗粒依次滞留在20目筛网，30目筛网，40目筛网，60目筛网，70目筛网，80目筛网，100目筛网，120目筛网上，液体通过筛网，进入排液通道。

模拟方法如下：

1.当模拟液体在不同压力条件下的流动状态时，稳压罐1压力控制由供压和稳压系统实现，单向节流阀I17关闭状态下，单向节流阀II20和节流阀18共同作用进行调节模拟井筒2底端压力和流体流量，进而改变模拟井筒2中流体流动状态；其中模拟井筒2底端压力数据的由压力传感器19采集并传输到计算机终端4；

当模拟地层条件下流体排采过程时，调节单向节流阀II20控制稳压罐压力相当于改变地层压力；调节节流阀18改变模拟井筒底端压力，相当于改变井底压力；稳压罐1和模拟井筒2底端压力的压力是由地层岩石的物性造成的；当节流阀18全部打开，忽略管汇压力损耗的情况，稳压罐1压力和模拟井筒2底端压力是相等的，这时将稳压罐看作水平井供液的水平段，而模拟井筒则是水平井的垂直井段；

当模拟气液两相在不同压力条件下的流动状态时，气液两种流体进入模拟井筒2之前混合，液体流经管汇上的节流阀18和液体流量计15、稳压罐1、单向节流阀II20、分流器16串联，气体管汇上的单向节流阀I17、气体流量计14和分流器16串联，两条路径并联在一起和空气压缩机5联通；此时单向节流阀I17、单向节流阀II20、节流阀18三者同时影响流体的流动，两个路径的流体流量通过液体流量计15、气体流量计14标定；首先通过调节单向节流阀I17调节稳压罐压力，稳压罐压力稳定后调节节流阀18进行流体流量的调节，同时调节单向节流阀II20调节气体流量；不同压力条件，不同流量条件气液两相在模拟井筒中流动形态变化很大，表现为泡流，段塞流，环流，雾流，其相应的流动参数和条件参数通过数据采集系统记录下来。

不同压力条件，不同流量条件气液两相在模拟井筒中流动形态变化很大，表现为泡流，段塞流，环流，雾流，其相应的流动参数和条件参数通过采集系统记录下来。

实施例2，结合附图1，对本发明做进一步详细描述。

研究流体在垂直管柱中携带煤粉颗粒的能力，模拟井筒上下各有一个加砂装置，模拟井筒2不同位置加砂口加砂。

流体在垂直管柱中携带固体颗粒能力的研究过程中，流动环境的控制参考实施例1中的单向液流和气液两相流。

该流动环境中，固体颗粒在在管柱中流动情况的变化通过高速摄像设备记录，并实时传输到计算机终端。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置，其特征在于：它包括一个垂直模拟井筒，模拟井筒底部作为入口连接有为其提供恒定流速液体的供液系统、为其提供恒定流速气体的供气系统和为其提供可调压力的供压及稳压系统；模拟井筒的顶部作为出口连接有回收清理系统以及数据采集系统，所述的数据采集系统将模拟井筒两端压力、液体流动的速度和流场以及流动现象统一采集到计算机终端进行处理，形成了一个综合的井筒多相流动模拟实验平台；所述的供液系统包括稳压罐(1)、节流阀(18)及液体流量计(15)，稳压罐(1)入口端经闸阀与液源连接，稳压罐内气体的压力为常压状态的情况下，打开闸阀向罐内添加液体；供压系统加压时，闸阀处于关闭状态，稳压罐出口端液体在压力驱动下流经节流阀(18)、液体流量计(15)向模拟井筒流动；

所述供气系统包括空压机(5)、分流器(16)、单向节流阀I(17)及气体流量计(14)，空压机(5)气体出口端的气体经过分流器(16)分流，部分气体经过单向节流阀I(17)及气体流量计(14)流入支线路径，然后经主线路径流向模拟井筒，为模拟井筒提供恒定流速的气体。

2.如权利要求1所述的垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置，其特征在于：所述供压及稳压系统主要包括空压机(5)、分流器(16)、稳压罐(1)以及压力表(11)；空压机(5)出口端气体流经分流器(16)和单向节流阀II(20)，部分气体流向稳压罐(1)，气体在稳压罐(1)中压缩，形成驱动流体流动的压力。

3.如权利要求2所述的垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置，其特征在于：所述的稳压罐的出口串联有一个节流阀(18)，通过节流阀(18)的调节控制稳压罐(1)驱动压力。

4.如权利要求1所述的垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置，其特征在于：所述的数据采集系统包括数据采集器及计算机终端(4)以及与其相连的PIV粒子成像测速仪(21)、高速摄像仪(6)、压力测量传感器I、压力测量传感器II、压力测量传感器III、液体流量传感器(7)、气体流量传感器(9)；

所述的高速摄像仪(6)和PIV粒子成像测速仪(21)分别安装在模拟井筒的两侧，用于实时记录垂直模拟井筒(2)流动的现象、流场分布以及粒子和流体的运动速度；

所述的压力测量传感器I、压力测量传感器II分别安装在模拟井筒的出口和入口，测量模拟井筒的压差，且所述的压力测量传感器I、压力测量传感器II分别与压力表(12、13)相连；所述的压力测量传感器III用于测量稳压罐内的压力；

所述的液体流量传感器(7)用于测量稳压罐出口的液体的流量；所述的气体流量传感器(9)用于检测供气系统的单向节流阀出口的气体流量。

5.如权利要求1所述的垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置，其特征在于：所述回收清理系统包括一个回收罐(3)，所述的回收罐(3)包括按照设定的顺序上下叠置起来的多层布筛网，且各层的各筛网目数不同，回收所得固体颗粒重复利用。

6.如权利要求5所述的垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置，其特征在于：所述的回收罐(3)入口端通过管汇与模拟井筒(2)出口相连，流体进入到回收罐(3)，通过筛网层层过滤，固体颗粒依次滞留在不同的目筛网上，液体通过筛网，进入排液通道。

7.如权利要求6所述的垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置，其特征在于：所述的模拟井筒为内径50mm、长6米的垂直放置的有机玻璃管，其顶端和底端处各设有固体颗粒加砂口。

8.如权利要求1所述的垂直井筒中煤粉产出模拟实验装置的实验方法，其特征在于：

当模拟液体在不同压力条件下的流动状态时，稳压罐(1)压力控制由供压和稳压系统实现，单向节流阀I(17)关闭状态下，单向节流阀II(20)和节流阀(18)共同作用进行调节模拟井筒(2)底端压力和流体流量，进而改变模拟井筒(2)中流体流动状态；其中模拟井筒(2)底端压力数据由压力传感器(19)采集并传输到计算机终端(4)；

当模拟地层条件下流体排采过程时，调节单向节流阀II(20)控制稳压罐压力相当于改变地层压力；调节节流阀(18)改变模拟井筒底端压力，相当于改变井底压力；稳压罐(1)和模拟井筒(2)底端的压力是由地层岩石的物性造成的；当节流阀(18)全部打开，忽略管汇压力损耗的情况，稳压罐(1)压力和模拟井筒(2)底端压力是相等的，这时将稳压罐看作水平井供液的水平段，而模拟井筒则是水平井的垂直井段；

当模拟气液两相在不同压力条件下的流动状态时，气液两种流体进入模拟井筒(2)之前混合，液体流经管汇上的节流阀(18)和液体流量计(15)、稳压罐(1)、单向节流阀II(20)、分流器(16)串联，气体管汇上的单向节流阀I(17)、气体流量计(14)和分流器(16)串联，两条路径并联在一起和空压机(5)联通；此时单向节流阀I(17)、单向节流阀II(20)、节流阀(18)三者同时影响流体的流动，两个路径的流体流量通过液体流量计(15)、气体流量计(14)标定；首先通过调节单向节流阀I(17)调节稳压罐压力，稳压罐压力稳定后调节节流阀(18)进行流体流量的调节，同时调节单向节流阀II(20)调节气体流量；不同压力条件，不同流量条件气液两相在模拟井筒中流动形态变化很大，表现为泡流、段塞流、环流、雾流等，其相应的流动参数和条件参数通过数据采集系统记录下来。