CN105910951A - 油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气井测量装置及测量方法，具体为油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置及测量方法，测试装置主体部分包括耐腐蚀的里层套管和外层套管；里层套管顶部有溶解气体输入管和溶解气体输出管，分别与恒温气体循环系统连接成回路；里层套管中心轴上安装有加热棒，里层套管内还安置多个热电偶组；外层套管充满隔热液；当里层套管、外层套管和水槽内流体温度相同时，打开恒温气体循环系统阀门，然后当里层套管内压力稳定时，并持续充气10h后，读出此时气体的进出口量，计算出在该压力温度下气体的溶解度。本发明模拟油井井筒内部动态环境，测量出在油气运移的过程中井筒流体内气体的溶解度。
Description
技术领域
本发明涉及油气井测量装置及测量方法，具体为油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置及测量方法。
背景技术
在高温高产油气井开采过程中，井筒温度升高较大，导致酸性气体(H2S、CO2等)在井筒内流体中的溶解度变化较大，一方面会造成井筒内酸性气体对套管的腐蚀，甚至会造成管材损坏；另一方面会影响环空压力，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，使环空中气体的溶解度下降，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；同时，随着温度升高，井筒内的气体溶解度也会降低，导致井筒内压力升高，会造成套管弯曲乃至上顶井口，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，对油气井井筒流体中气体溶解度的研究尤为重要突出。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置及测量方法，对油气井井筒流体中气体溶解度进行测试。
具体技术方案为：
油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置，包括测试装置主体部分、恒温气体循环系统、隔热液循环系统；
测试装置主体部分包括耐腐蚀的里层套管和外层套管，里层套管和外层套管同轴安装，顶部之间通过法兰密封连接；
里层套管顶部密封，并且安装有压力传感器；里层套管顶部还安装有溶解气体输入管和溶解气体输出管，溶解气体输入管下端位于里层套管底部，并分布有多个进气孔；溶解气体输入管和溶解气体输出管分别与恒温气体循环系统连接成回路；里层套管中心轴上安装有加热棒，里层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里层套管内壁和加热棒；溶解气体输入管和溶解气体输出管内也安装有热电偶；压力传感器、热电偶分别与控制装置连接；里层套管底部有搅拌子，里层套管内填充待溶解流体；
外层套管充满隔热液；外层套管顶部分别有隔热液输入口和隔热液输出口；隔热液输入口和隔热液输出口分别与隔热液循环系统的隔热液泵入装置、隔热液储存装置连接；外层套管底部有磁力搅拌装置；
控制装置包括测温测压系统、显示和采集系统、温度控制系统，温度控制系统对里层套管内流体的温度进行实时控制，测温测压系统和显示和采集系统对温度、压力进行测试和采集，并通过RS通讯接口与电脑连接。
恒温气体循环系统包括储气罐，储气罐通过阀门和精密气体流量计与测试装置主体部分的溶解气体输出管连接；储气罐还通过气体泵与水槽连接；所述的水槽内部安装有加热控温系统、搅拌器，水槽上还安装有水温显示器，水槽内部还与外部的制冷回路连接；水槽顶部有管道与测试装置主体部分的溶解气体输入管连接，管道上安装有精密气体流量计。
油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置的测量方法为：
外层套管内装满隔热液防止里层套管内待溶解流体与外界产生热交换，里层套管内装入待溶解流体，外层套管底部的磁力搅拌装置模拟液体流动过程，当里层套管、外层套管和水槽内流体温度相同时，打开恒温气体循环系统阀门，然后当里层套管内压力稳定时，并持续充气10h后，读出此时气体的进出口量，计算出在该压力温度下气体的溶解度。
油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置的测量方法，包括以下过程：
第一步，实验准备：
分别测量里层套管及加热棒的直径及长度，在溶解气体输入管、溶解气体输出管、里层套管内壁和加热棒上放置组热电偶组，热电偶组包含两只热电偶，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；测量里层套管内待溶解流体液面到溶解气体输出管下端口的距离,测量里层套管内充填的待溶解流体的密度；
第二步，测量里层套管内温度与压力及进出口气体量：
首先将待溶解流体输送进里层套管内，但是液面高度不能高于溶解气体输出管底部，然后将隔热液输送进外层套管，并控制里层套管内温度和水槽内温度在同一温度，当里层套管和水槽内流体温度逐渐稳定达到热平衡时，读出此时温度，同时打开恒温气体循环系统的阀门和磁力搅拌装置，并调节气体的进出口量，使压力值达到稳定，持续充气10h后，即可获得此时的压力值以及精密气体流量计所显示的进出气量，从而可以计算得出该气体在某温度压力条件下的溶解度：
里层套管内未被液体充满的体积：
气体在里层套管内压缩的量：
溶解在待溶解流体中气体的量：Vg＝V1-V2-V3；
溶解度：
计算出溶解度S，其中L是待溶解流体液面到溶解气体输出管下端口的距离，L是加热棒的长度，ρg为气体的密度，ρl为待溶解流体的密度，D为里层套管内径，d为加热棒的直径，L是里层套管的长度，V是里层套管内未被液体充满的体积，V是进入里层套管的气体量，V是气体在里层套管内压缩的量，V是从里层套管中出来的气体量，P是里层套管内稳定时的压力，R是理想气体常数，Z是压缩因子，T是里层套管内稳定后的温度，Mg是气体分子量；
第三步，重复第二步骤，改变温度条件，测量多个温度下的气体在流体中的溶解度；
第四步，保持温度、压力变化不变，使用不同待溶解流体、气体做实验，计算出不同气体在不同待溶解流体中的溶解度；
第五步，实验结束，记录实验结果；将气体泵入储气罐，并将里外层套管内的隔热液泵出装置外，清洗装置。
本发明提供的油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置及测量方法的优点是：
(1)静态实验只能测量在静态条件下的气体溶解度，本发明采用细孔进气和磁力搅拌装置测量气体的溶解度，能够较好的模拟油井井筒内部动态环境，装置具有耐高温、耐高压、耐腐蚀、结构简单、易于拆卸、密封效果好的特点。
(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)该装置适用于测量油气井井筒流体中气体的溶解度，可简单有效的测量出在油气运移的过程中井筒流体内气体的溶解度，且测试的准确度较高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的测试装置主体部分的结构示意图；
图3为本发明的恒温气体循环系统的结构示意图。
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。
如图1所示，油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置，包括测试装置主体部分1、恒温气体循环系统2、隔热液循环系统3；
如图2所示，测试装置主体部分1包括耐腐蚀的里层套管9和外层套管10，里层套管9和外层套管10同轴安装，顶部之间通过法兰12密封连接；
里层套管9顶部密封，并且安装有压力传感器21；里层套管9顶部还安装有溶解气体输入管17和溶解气体输出管18，溶解气体输入管17下端位于里层套管9底部，并分布有多个进气孔15；溶解气体输入管17和溶解气体输出管18分别与恒温气体循环系统2连接成回路；里层套管9中心轴上安装有加热棒11，里层套管9内还安置多个热电偶组，每个热电偶组包含两只热电偶16，每个热电偶组的两只热电偶16分别紧贴里层套管9内壁和加热棒11；溶解气体输入管17和溶解气体输出管18内也安装有热电偶16；压力传感器21、热电偶16分别与控制装置连接；里层套管9底部有搅拌子8，里层套管9内填充待溶解流体13；
外层套管10充满隔热液14；外层套管10顶部分别有隔热液输入口19和隔热液输出口20；隔热液输入口19和隔热液输出口20分别与隔热液循环系统3的隔热液泵入装置、隔热液储存装置连接；外层套管10底部有磁力搅拌装置7；
控制装置包括测温测压系统4、显示和采集系统5、温度控制系统6，温度控制系统6对里层套管9内流体的温度进行实时控制，测温测压系统4和显示和采集系统5对温度、压力进行测试和采集，并通过RS232通讯接口与电脑连接。
如图3所示，恒温气体循环系统2包括储气罐24，储气罐24通过阀门23和精密气体流量计22与测试装置主体部分1的溶解气体输出管18连接；储气罐24还通过气体泵25与水槽26连接；所述的水槽26内部安装有加热控温系统27、搅拌器28，水槽26上还安装有水温显示器29，水槽26内部还与外部的制冷回路30连接；水槽26顶部有管道与测试装置主体部分1的溶解气体输入管17连接，管道上安装有精密气体流量计22。
油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置的测量方法为：
外层套管10内装满隔热液14防止里层套管9内待溶解流体13与外界产生热交换，里层套管9内装入待溶解流体13，外层套管10底部的磁力搅拌装置7模拟液体流动过程，当里层套管9、外层套管10和水槽26内流体温度相同时，打开恒温气体循环系统2阀门，然后当里层套管9内压力稳定时，并持续充气10h后，读出此时气体的进出口量，计算出在该压力温度下气体的溶解度。
油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置的测量方法，包括以下过程：
第一步，实验准备：
分别测量里层套管9及加热棒11的直径及长度，在溶解气体输入管17、溶解气体输出管18、里层套管9内壁和加热棒11上放置20组热电偶组，热电偶组包含两只热电偶16，检查热电偶16分布情况及工作状况，以确保其均匀分布和正常工作；测量里层套管9内待溶解流体13液面到溶解气体输出管18下端口的距离,测量里层套管9内充填的待溶解流体13的密度；
第二步，测量里层套管9内温度与压力及进出口气体量：
首先将待溶解流体13输送进里层套管9内，但是液面高度不能高于溶解气体输出管18底部，然后将隔热液14输送进外层套管10，并控制里层套管9内温度和水槽26内温度在同一温度，当里层套管9和水槽26内流体温度逐渐稳定达到热平衡时，读出此时温度，同时打开恒温气体循环系统2的阀门23和磁力搅拌装置7，并调节气体的进出口量，使压力值达到稳定，持续充气10h后，即可获得此时的压力值以及精密气体流量计所显示的进出气量，从而可以计算得出该气体在某温度压力条件下的溶解度：
里层套管9内未被液体充满的体积：
气体在里层套管9内压缩的量：
溶解在待溶解流体13中气体的量：Vg＝V1-V2-V3；
溶解度：
计算出溶解度S，其中L1是待溶解流体13液面到溶解气体输出管18下端口的距离，L2是加热棒11的长度，ρg为气体的密度，ρl为待溶解流体13的密度，D为里层套管9内径，d为加热棒11的直径，L3是里层套管9的长度，V是里层套管9内未被液体充满的体积，V1是进入里层套管9的气体量，V2是气体在里层套管9内压缩的量，V3是从里层套管9中出来的气体量，P是里层套管9内稳定时的压力，R是理想气体常数，Z是压缩因子，T是里层套管9内稳定后的温度，Mg是气体分子量；
第三步，重复第二步骤，改变温度条件，测量多个温度下的气体在流体中的溶解度；
第四步，保持温度、压力变化不变，使用不同待溶解流体13、气体做实验，计算出不同气体在不同待溶解流体13中的溶解度；
第五步，实验结束，记录实验结果；将气体泵入储气罐24，并将里外层套管10内的隔热液14泵出装置外，清洗装置。
Claims (4)
1.油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置，其特征在于：包括测试装置主体部分(1)、恒温气体循环系统(2)、隔热液循环系统(3)；
测试装置主体部分(1)包括耐腐蚀的里层套管(9)和外层套管(10)，里层套管(9)和外层套管(10)同轴安装，顶部之间通过法兰(12)密封连接；
里层套管(9)顶部密封，并且安装有压力传感器(21)；里层套管(9)顶部还安装有溶解气体输入管(17)和溶解气体输出管(18)，溶解气体输入管(17)下端位于里层套管(9)底部，并分布有多个进气孔(15)；溶解气体输入管(17)和溶解气体输出管(18)分别与恒温气体循环系统(2)连接成回路；里层套管(9)中心轴上安装有加热棒(11)，里层套管(9)内还安置多个热电偶组，每个热电偶组包含两只热电偶(16)，每个热电偶组的两只热电偶(16)分别紧贴里层套管(9)内壁和加热棒(11)；溶解气体输入管(17)和溶解气体输出管(18)内也安装有热电偶(16)；压力传感器(21)、热电偶(16)分别与控制装置连接；里层套管(9)底部有搅拌子(8)，里层套管(9)内填充待溶解流体(13)；
外层套管(10)充满隔热液(14)；外层套管(10)顶部分别有隔热液输入口(19)和隔热液输出口(20)；隔热液输入口(19)和隔热液输出口(20)分别与隔热液循环系统(3)的隔热液泵入装置、隔热液储存装置连接；外层套管(10)底部有磁力搅拌装置(7)；
控制装置包括测温测压系统(4)、显示和采集系统(5)、温度控制系统(6)，温度控制系统(6)对里层套管(9)内流体的温度进行实时控制，测温测压系统(4)和显示和采集系统(5)对温度、压力进行测试和采集，并通过RS232通讯接口与电脑连接。
2.根据权利要求1所述的油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置，其特征在于：所述的恒温气体循环系统(2)包括储气罐(24)，储气罐(24)通过阀门(23)和精密气体流量计(22)与测试装置主体部分(1)的溶解气体输出管(18)连接；储气罐(24)还通过气体泵(25)与水槽(26)连接；所述的水槽(26)内部安装有加热控温系统(27)、搅拌器(28)，水槽(26)上还安装有水温显示器(29)，水槽(26)内部还与外部的制冷回路(30)连接；水槽(26)顶部有管道与测试装置主体部分(1)的溶解气体输入管(17)连接，管道上安装有精密气体流量计(22)。
3.根据权利要求1或2所述的油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置的测量方法，其特征在于：外层套管(10)内装满隔热液(14)防止里层套管(9)内待溶解流体(13)与外界产生热交换，里层套管(9)内装入待溶解流体(13)，外层套管(10)底部的磁力搅拌装置(7)模拟液体流动过程，当里层套管(9)、外层套管(10)和水槽(26)内流体温度相同时，打开恒温气体循环系统(2)阀门，然后当里层套管(9)内压力稳定时，并持续充气10h后，读出此时气体的进出口量，计算出在该压力温度下气体的溶解度。
4.根据权利要求3所述的油气井井筒流体中气体溶解度的测量装置的测量方法，包括以下过程：
第一步，实验准备：
分别测量里层套管(9)及加热棒(11)的直径及长度，在溶解气体输入管(17)、溶解气体输出管(18)、里层套管(9)内壁和加热棒(11)上放置20组热电偶组，热电偶组包含两只热电偶(16)，检查热电偶(16)分布情况及工作状况，以确保其均匀分布和正常工作；测量里层套管(9)内待溶解流体(13)液面到溶解气体输出管(18)下端口的距离,测量里层套管(9)内充填的待溶解流体(13)的密度；
第二步，测量里层套管(9)内温度与压力及进出口气体量：
首先将待溶解流体(13)输送进里层套管(9)内，但是液面高度不能高于溶解气体输出管(18)底部，然后将隔热液(14)输送进外层套管(10)，并控制里层套管(9)内温度和水槽(26)内温度在同一温度，当里层套管(9)和水槽(26)内流体温度逐渐稳定达到热平衡时，读出此时温度，同时打开恒温气体循环系统(2)的阀门(23)和磁力搅拌装置(7)，并调节气体的进出口量，使压力值达到稳定，持续充气10h后，即可获得此时的压力值以及精密气体流量计所显示的进出气量，从而可以计算得出该气体在某温度压力条件下的溶解度：
里层套管(9)内未被液体充满的体积：
气体在里层套管(9)内压缩的量：
溶解在待溶解流体(13)中气体的量：Vg＝V1-V2-V3；
溶解度：
计算出溶解度S，其中L1是待溶解流体(13)液面到溶解气体输出管(18)下端口的距离，L2是加热棒(11)的长度，ρg为气体的密度，ρl为待溶解流体(13)的密度，D为里层套管(9)内径，d为加热棒(11)的直径，L3是里层套管(9)的长度，V是里层套管(9)内未被液体充满的体积，V1是进入里层套管(9)的气体量，V2是气体在里层套管(9)内压缩的量，V3是从里层套管(9)中出来的气体量，P是里层套管(9)内稳定时的压力，R是理想气体常数，Z是压缩因子，T是里层套管(9)内稳定后的温度，Mg是气体分子量；
第三步，重复第二步骤，改变温度条件，测量多个温度下的气体在流体中的溶解度；
第四步，保持温度、压力变化不变，使用不同待溶解流体(13)、气体做实验，计算出不同气体在不同待溶解流体(13)中的溶解度；
第五步，实验结束，记录实验结果；将气体泵入储气罐(24)，并将里外层套管(10)内的隔热液(14)泵出装置外，清洗装置。
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