CN106194169A - 粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置及实验方法，包括内壁粗糙且侧壁透明的微型水平井筒，所述微型水平井筒的入口与一气液回路的出口连通，所述微型水平井筒的外部设置有用于拍摄流型的摄像设备。该粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置及实验方法能够实现不同尺寸、具有不同壁面粗糙程度的微型水平井筒流动物理模拟实验，研究气液两相在微型水平井筒中的流型分布特征及转换机理、粗糙壁面液相滞留机理及涡旋流动机理等，分析出不同流型的压降变化规律。

Description

粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及水平井技术实验研究领域，尤其涉及一种粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置及实验方法。

背景技术

随着油气资源的日益紧缺和油田开发难度的增大，常规的水平井技术已经不能满足人们的需求。随着钻井技术的不断发展，以超短半径径向水平井为代表的微小井眼技术逐步在油气田开发领域展现出良好的前景。超短半径水平井技术是目前世界上最先进、转弯半径最小(只有300mm)的水平井技术。

该技术是在上世纪80年代由美国能源部、Bechtel投资公司和美国石油物理公司联合开发出来的。上世纪七十年代末，美国的比契特尔(Bechtel)投资公司和石油物理(Pctrophysics)有限公司开始了用特殊的钻井工艺技术钻超短半径水平排液井的研究。经过六年多的探索和试验，成功地研制了第一代独具特色的Becwell水平钻井系统，创造了典型的超短半径径向水平井钻井技术。

超短半径水平井对于开发薄油层、稠油层、低渗透油气层和裂缝性油气层等采用常规方法开采十分困难的油气层具有显著效果。该技术可提高可采储量和采收率，为提高油井产量和产能提供了有效的途径，给老油田的复活带来了新的生机，是未来油气田开发的重要技术手段。

以超短半径径向水平井为代表的微小井眼技术尽管带来了生产的便利，但同时也带来了新的问题。由于在钻井过程中采用了很大的造斜率，使得完井管柱无法或很难下入水平井段，微小的水平井眼一般只能采用裸眼完井，井筒壁面粗糙，形成了特殊的微型水平井筒结构，与常规光滑水平圆管不同，管壁粗糙度的显著增加大大改变了井筒内多相流体的流动特征，流动机理愈加复杂且尚不明确，而流动形态、复杂的变化规律，对井筒内的压力分布有较大影响。同时，采用相对粗糙度对井筒流动进行描述和计算的常规方法已无法适用于此类特殊的井筒类型，形成了一片研究的真空区域。因此，微型水平井筒内多相流动机理问题亟待深入探索。

目前，以超短半径径向水平井为代表的微小井眼技术已在国内外油气田获得了较为广泛试验和应用，随着钻井技术的发展，新型的微小井眼、甚至超微小井眼将会不断出现，在这个前提下，进行粗糙壁微型水平井气液两相流动机理的基础研究，有着重要的科学意义和现实价值。

通过广泛的国内外文献调研，目前针对水平井筒多相管流流型和压降的研究主要依靠实验方法，包括目测法、高速摄像法、内窥镜法、电子探针法、热敏风速仪和粒子图像测速技术等。虽然国内外学者对水平管流流型的划分工作进行了大量实验研究，如美国Ohio大学的Lee等以二氧化碳为气相，Arcopak90和LVT-200两种矿物油为油相在内径为75mm的管中进行实验，Jepson使用压力传感器、摄像机结合目测研究流型，东北电力大学周云龙等以46#机油、水和空气为介质，在直径为32mm、长1500mm的有机玻璃管内进行试验，采用压差波动识别流型。上海交通大学于立军等用管径45mm、长度6m的无缝钢管进行气液两相流实验，通过动力学分析方法，得到了四种基本流型间相互转换的预报关系式。西安交通大学刘文红等用46#机械油、自来水和空气在40mm内径的有机玻璃水平实验管进行研究。通过这些详细的调研，发现国内绝大多数水平管流实验是在光滑管中进行的，井筒直径范围在1.5英寸到5英寸之间，且研究绝大多数都针对光滑水平管进行，对流型的划分也没有统一的标准。在微型水平井筒中，由于井筒直径相对较小，仅少量气体就有可能占据大部分流动通道，流体的流型划分需要重新认识和研究，而粗糙壁在油水流动过程中可能会导致液相在粗糙壁面的滞留，由此带来的机理问题都需要重新认识。

现有技术中有一种采用观察法和光纤探针信号识别流型的实验方法，该方法的第一实验装置91如图6所示，实验管段由5m长的有机玻璃管911固定在支架912上构成,有机玻璃管911的管径为30mm。有机玻璃管911上设置有光纤探针913、压力传感器914、热电偶915，光纤探针913与多相流体测试仪916连接，多相流体测试仪916上连接光线示波器917、函数记录仪918，实验管段和实验回路的数据全部由分散数据采集器(IMP)910采集并储存在计算机919中，计算机919上连接有打印机9191。图中，ΔPg为气路孔板压差电信号，ΔPo为油路孔板压差电信号，Tt为试验段温度电信号，Tg为气路温度电信号，To为油路温度电信号，Pt为试验段压力电信号，Pg为气路压力电信号。实验压力为0.1～0.2MPa，实验温度为10～2O℃。实验介质是空气和轻油，轻油的密度为860kg/m³，粘度为34mPa·s(15℃左右)，空气的折算速度为0.3～50m/s，油的折算速度为0.04～2.5m/s。该实验方法通过水平管内油气两相流型实验研究，对影响管内油气两相流型转换的各种因素进行了综合分析,根据所作的油气两相流型实验结果,引入新的准则数,用量纲分析的方法得出了不同流型间转换的准则关系式。但由于该第一实验装置91采用管径为30mm的有机玻璃管911，管壁光滑且管径较大，其缺点主要有以下三个方面：(1)水平井筒类型单一，只采用管径为30mm的有机玻璃管，不能研究在不同管径条件下的气液两相流流动规律；(2)由于第一实验装置采用管径为30mm的有机玻璃管，管壁光滑且管径较大，不能研究微型水平井筒的气液两相流动特征；(3)第一实验装置缺少控制装置，无法控制气相和液相的流量，所以不能研究不同的气相和液相流量对于气液两相流动的影响。

现有技术中还有另一种实验方法，该方法的第二实验装置92的简化流程如图7所示，第二实验装置92的整个水平段长14m，为了消除入口影响和出口影响,取差压变速器测试段的长度为10.20m，距离入口处和出口处的距离分别为2.60m和2.20m。同样，为了消除入口影响和出口影响，上管壁入流处的位置选择在距离入口处为2.40m的位置，下管壁入流的位置选择在距离入口处为3m的位置。为了能够看到入流量和入流位置的影响,观察段取在距离入口处4m的位置，观察段起始位置距离上管壁入流位置为1.60m，观察段起始位置距离下管壁入流位置为1m。观察段为有机玻璃管920,在此观察到管路的流型。实验基础参数包括：管道直径为6cm；横截面积为28.3cm²；测试段长度为10.20m；液相(水)粘度为1.0089mPa·s；气相(空气)粘度为0.0181mPa·s；液相(水)密度为998.2kg/m³；气相(空气)密度为1.205kg/m³；射孔眼直径为0.8cm。第二实验装置92的流体供给系统主要由储罐922、动力泵923和空气压缩机924组成，液相流体(油、水)由动力泵923向实验管路供应，气相流体(空气)由空气压缩机924向实验环路供应。气、液相流体在进入实验管路之前由系统测定其流量，流量测量系统由涡轮流量计925、浮子流量计926、第一调节阀921、第二调节阀927和气、液相流动通路(包括气液混合器928)组成，实验人员可根据要求来调节进入环路的介质流量。该实验方法通过对水平井筒气、液两相变质量流动流型转变模拟实验研究,该实验方法的特点是研究了管壁流体入流量和入流位置(上管壁或下管壁)对水平气液两相流动流型转变的影响，对比实验数据与理论计算结果，验证理论流型判别模型并对其进行相应的修正。其缺点主要有以下三个方面：(1)采用管道直径为6cm的井筒，不能研究微型水平井筒气液两相流的流动情况；(2)为了消除入口影响和出口影响，采用井壁注入的方式，不能研究粗糙管壁对于气液两相流流动规律的影响；(3)观察流型的方法单一，由于流速和流型变化较快，只采用简单的观察法通过有机玻璃管观察气液两相流型的变化，误差较大。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置及实验方法，以满足微型水平井筒管流流型和压降的研究需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置及实验方法，能够实现不同尺寸、具有不同壁面粗糙程度的微型水平井筒流动物理模拟实验，研究气液两相在微型水平井筒中的流型分布特征及转换机理、粗糙壁面液相滞留机理及涡旋流动机理等，分析出不同流型的压降变化规律。

本发明的目的是这样实现的，一种粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，所述粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置包括内壁粗糙且侧壁透明的微型水平井筒，所述微型水平井筒的入口与一气液回路的出口连通，所述微型水平井筒的外部设置有用于拍摄流型的摄像设备。

在本发明的一较佳实施方式中，所述气液回路包括并联设置的气体回路和液体回路，所述气体回路和所述液体回路的出口均连通于一总控制阀门的入口，所述总控制阀门的出口与所述微型水平井筒的入口连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述气体回路包括空气压缩机，所述空气压缩机的出口顺序连接有减压阀、气路阀门、气体流量计和气路单向阀，所述气路单向阀的出口与所述总控制阀门的入口连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述液体回路为供水回路，所述供水回路包括储水罐，所述储水罐的出口顺序连接有水路第一阀门、水路离心泵、水路第二阀门、水路流体流量计和水路单向阀，所述水路单向阀的出口与所述总控制阀门的入口连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述液体回路为供油回路，所述供油回路包括储油罐，所述储油罐的出口顺序连接有油路第一阀门、油路离心泵、油路第二阀门、油路流体流量计和油路单向阀，所述油路单向阀的出口与所述总控制阀门的入口连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述液体回路包括并联设置的供水回路和供油回路；所述供水回路包括储水罐，所述储水罐的出口顺序连接有水路第一阀门、水路离心泵、水路第二阀门、水路流体流量计和水路单向阀，所述水路单向阀的出口与所述总控制阀门的入口连通；所述供油回路包括储油罐，所述储油罐的出口顺序连接有油路第一阀门、油路离心泵、油路第二阀门、油路流体流量计和油路单向阀，所述油路单向阀的出口与所述总控制阀门的入口连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述微型水平井筒的数量为多个，多个所述微型水平井筒并联设置。

在本发明的一较佳实施方式中，各所述微型水平井筒的两端分别设置有一压差传感器，各所述微型水平井筒的两端的所述压差传感器均连接于一控制器上。

在本发明的一较佳实施方式中，各所述微型水平井筒的入口端均设置有一井筒控制阀门，所述井筒控制阀门的入口均与所述总控制阀门的出口连通。

在本发明的一较佳实施方式中，各所述微型水平井筒为内壁粗糙的耐压有机玻璃管。

本发明的目的还可以这样实现，一种采用粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置的实验方法，包括如下步骤：

a、根据实验要求，选择一根微型水平井筒组装粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，确保实验回路和各阀门符合实验要求；

b、打开各阀门和各离心泵，调节各离心泵的功率进行实验试运行，改变液体的流量，观察粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置的运行状态；

c、在实验试运行过程中，确定粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置未发现异常时，关掉开关，准备正式进入实验阶段；实验试运行过程中发现异常时立即关掉电源；

d、实验试运行正常，正式进入试验阶段：先将气体回路的各阀门关闭，单独打开供水回路或供油回路的各阀门或者同时打开供水回路、供油回路的各阀门，不断加大相应的离心泵的功率，观察微型水平井筒内的液体流动情况，在液相充满微型水平井筒且流动稳定后，记录压差传感器和各流体流量计的示数；

e、在记录单相流体的数据之后，打开气体回路的各阀门，打开空气压缩机的开关，向微型水平井筒中不断地加入气体；

f、不断加大空气压缩机的功率，观察微型水平井筒内的气液两相流体的流行变化，并用摄像设备拍摄照片，记录气液两相流动过程中，压差传感器和各流体流量计的示数；

g、关闭离心泵和空气压缩机的开关和气液回路中的各阀门，更换另一根微型水平井筒，重复a～f的实验过程，记录压差传感器和各流体流量计的示数；

h、实验结束，关闭离心泵和空气压缩机的开关和气液回路中的各阀门，整理粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置。

由上所述，本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置及实验方法，具有如下有益效果：

(1)本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其微型水平井筒的内壁面粗糙且其内径较小，能够有效模拟微小的水平井眼采用裸眼完井时的粗糙壁面井筒；微型水平井筒的内壁粗糙度通过改变粗糙点的类型及粗糙点的密度和大小来调整，能够满足多种粗糙度要求的模拟实验；

(2)本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，并联设置多种规格或粗糙度的多个微型水平井筒，各微型水平井筒均与气液回路连接并通过阀门控制，完成其中一个微型水平井筒的实验后，可以立即转换成其他粗糙度或规格的微型水平井筒进行实验，提高实验效率；

(3)本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，气液回路包括并联设置的气体回路、供水回路和供油回路，能够实现气水、气油或气油水的实验研究；

(4)利用本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置的实验方法，采用观察法和高速摄像法相结合的方式，观察气液两相在粗糙壁微型水平井筒中的流型特点、流型之间的相互转化规律、油水在内壁面的滞留情况、涡流特征以及气液两相流动的压降规律；结合物理模拟实验结果，深入研究粗糙壁微型水平井筒气液两相流型转换机理、粗糙壁面液相滞留机理和涡旋流动机理；在机理研究的基础上，提出粗糙壁微型水平井筒气液两相数学描述模型，利用物理模拟实验对数学模型进行修正和验证；

(5)本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置及实验方法，通过粗糙壁微型水平井筒气液两相流动机理研究，进一步完善了水平井筒多相管流理论，同时也为超短半径径向水平井以及其它小井眼、微小井眼技术在石油开采领域的开发应用奠定了基础，该研究成果的成功应用，将为以超短半径径向水平井为代表的微型井眼技术的广泛应用提供可靠的理论支持。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置不含供油回路的示意图。

图2：为本发明的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置不含供水回路的示意图。

图3：为本发明的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置含供水回路及供油回路的示意图。

图4a：为本发明的微型水平井筒的牙形为三角形的螺旋线示意图。

图4b：为本发明的微型水平井筒的牙形为矩形的螺旋线示意图。

图4c：为本发明的微型水平井筒的牙形为圆弧形的螺旋线示意图。

图5a：为本发明的层状流气液两相水平管流分相机械模型示意图。

图5b：为本发明的环状流气液两相水平管流分相机械模型示意图。

图5c：为本发明的雾状流气液两相水平管流分相机械模型示意图。

图5d：为本发明的波状流气液两相水平管流分相机械模型示意图。

图6：为现有技术中第一实验装置的示意图。

图7：为现有技术中第二实验装置的示意图。

图中：

100、粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置；

1、微型水平井筒；11、压差传感器；12、井筒控制阀门；13、控制器；

2、气液回路；

21、气体回路；211、空气压缩机；212、减压阀；213、气路阀门；214、气体流量计；215、气路单向阀；

22、液体回路；

24、供水回路；241、储水罐；242、水路第一阀门；243、水路离心泵；244、水路第二阀门；245、水路流体流量计；246、水路单向阀；

25、供油回路；251、储油罐；252、油路第一阀门；253、油路离心泵；254、油路第二阀门；255、油路流体流量计；256、油路单向阀；

23、总控制阀门；

3、摄像设备；

91、第一实验装置；911、有机玻璃管；912、支架；913、光纤探针；914、压力传感器；915、热电偶；916、多相流体测试仪；917、光线示波器；918、函数记录仪；910、分散数据采集器；919、计算机；9191、打印机；

92、第二实验装置；920、有机玻璃管；921、第一调节阀；922、储罐；923、动力泵；924、空气压缩机；925、涡轮流量计；926、浮子流量计；927、第二调节阀；928、气液混合器。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2、图3所示，本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置100，包括内壁粗糙且侧壁透明的微型水平井筒1，微型水平井筒1的内径范围是0～25.4mm(1英寸)，微型水平井筒1的内壁粗糙度大于等于Ra12.5μm；微型水平井筒1的入口与一气液回路2的出口连通，微型水平井筒1的外部设置有用于拍摄流型的摄像设备3。该粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置100的结构简单，微型水平井筒1的内壁面粗糙且其内径较小，能够有效模拟微小的水平井眼采用裸眼完井时的粗糙壁面井筒。在本实施方式的一具体实施例中，粗糙内壁可以由微型水平井筒1的内壁上设置的螺旋线构成，螺旋线的牙形可以是如图4a所示的三角形、如图4b所示的矩形或者如图4c所示的圆弧形，螺旋线的牙形还可以是梯形或者锯齿形，可以通过改变螺旋线的螺距和牙形高度来改变微型水平井筒1的内壁的粗糙度；在本实施方式的另一具体实施例中，粗糙内壁可以由微型水平井筒1的侧壁上自外向内密封嵌入螺钉构成，螺钉沿微型水平井筒1周向均布构成环状结构，在微型水平井筒1的轴向上间隔设有多个所述环状结构，螺钉的嵌入深度和相邻的环状结构的间距根据粗糙度要求确定。在本发明的一具体实施例中，分别采用的不同粗糙程度的微型水平井筒1对气液两相的流动规律进行实验研究。在本实施方式中，摄像设备3为高速摄像设备，以实现对微型水平井筒1内的气液两相流体的流型变化过程进行实时拍摄。

首先，使用本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置100能够进行气液两相在粗糙内壁的微型水平井筒中的流动实验研究，可以分别针对气液两相进行物理模拟实验，采用观察法与高速摄像法，按照气液界面总体特征，对内壁粗糙的微型水平井筒1内气液两相流型进行划分，并制作相应的流型图；同时通过观察实验过程中不同流型情况下液相在微型水平井筒底部粗糙壁面的分布特点、涡流特点以及滞留情况。其次，使用本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置100还能够对粗糙内壁的微型水平井筒中气液两相流动机理进行研究，基于前述的流动实验研究的流型观察结果，结合气相惯性力、液相重力、粘滞力、界面张力等相互作用的力学分析，以及气液两相物理特点、流速分布等，研究粗糙内壁的微型水平井筒中气液两相的流型转换机理；同时基于不同流型情况下油水两相在微型水平井筒底部粗糙壁面的滞留特点、涡流特点，结合力学分析，研究粗糙内壁的微型水平井筒中气液两相在粗糙壁面滞留机理及涡旋流动机理。另外，使用本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置100还能够对粗糙内壁的微型水平井筒中气液两相数学模型进行研究，基于气液两相流动机理研究，分析不同机理对气液两相流动的影响特点，抽取特征参数，结合气液两相水平管流分相机械模型，如图5a、图5b、图5c、图5d所示，气液两相水平管流分相机械模型主要包括层状流、环状流、雾状流和波状流，建立新的粗糙内壁的微型水平井筒气液两相数学模型；通过粗糙内壁的微型水平井筒中气液两相物理模拟实验，确定数学模型中的特征参数，并对新的模型进行验证和修正。

进一步，如图1、图2、图3所示，气液回路2包括并联设置的气体回路21和液体回路22，气体回路21和液体回路22的出口均连通于一总控制阀门23的入口，总控制阀门23的出口与微型水平井筒1的入口连通。

进一步，如图1、图2、图3所示，气体回路21包括空气压缩机211，空气压缩机211的出口顺序连接有减压阀212、气路阀门213、气体流量计214和气路单向阀215，气路单向阀215的出口与总控制阀门23的入口连通。

进一步，如图1所示，进行气水两相实验研究时，液体回路22为供水回路24，供水回路24包括储水罐241，储水罐241的出口顺序连接有水路第一阀门242、水路离心泵243、水路第二阀门244、水路流体流量计245和水路单向阀246，水路单向阀246的出口与总控制阀门23的入口连通。微型水平井筒1的出口与储水罐241连通，试验结束后，微型水平井筒1中的水返回至储水罐241中。

进一步，如图2所示，进行气油两相实验研究时，液体回路22为供油回路25，供油回路25包括储油罐251，储油罐251的出口顺序连接有油路第一阀门252、油路离心泵253、油路第二阀门254、油路流体流量计255和油路单向阀256，油路单向阀256的出口与总控制阀门23的入口连通。微型水平井筒1的出口与储油罐251连通，试验结束后，微型水平井筒1中的油返回至储油罐251中。

进一步，如图3所示，进行气、水、油三相实验研究时，液体回路包括并联设置的供水回路24和供油回路25，供水回路24包括储水罐241，储水罐241的出口顺序连接有水路第一阀门242、水路离心泵243、水路第二阀门244、水路流体流量计245和水路单向阀246，水路单向阀246的出口与总控制阀门23的入口连通。供油回路25包括储油罐251，储油罐251的出口顺序连接有油路第一阀门252、油路离心泵253、油路第二阀门254、油路流体流量计255和油路单向阀256，油路单向阀256的出口与总控制阀门23的入口连通。微型水平井筒1的出口与储水罐241连通，试验结束后，微型水平井筒1中的油水混合物返回至储水罐241中，再次使用前，对储水罐241中的液体进行滤油处理(该过滤处理技术为现有技术)。

进一步，如图1、图2、图3所示，微型水平井筒1的数量为多个，多个微型水平井筒1并联设置。微型水平井筒1的规格可以是内径7mm、10mm、15mm、20mm、25mm。

进一步，如图1、图2、图3所示，各微型水平井筒1的两端分别设置有一压差传感器11，各微型水平井筒1的两端的压差传感器11均连接于一控制器13上，控制器13的面板上将显示试验用的微型水平井筒1两端的压力差值。

进一步，如图1、图2、图3所示，各微型水平井筒1的入口端均设置有一井筒控制阀门12，井筒控制阀门12的入口均与总控制阀门23的出口连通。

进一步，各微型水平井筒1为内壁粗糙的耐压有机玻璃管。

利用本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置可研究的内容包括：

(1)不同实验条件下，粗糙内壁的微型水平井筒单相流和气液两相流物理模拟实验过程中，井筒两端压降变化规律以及气液两相流流型变化规律的研究。

(2)粗糙内壁的微型水平井筒相对粗糙度和摩阻系数计算方法的研究。

(3)粗糙内壁的微型水平井筒气液两相流实验中压降计算的数学模型的研究。

在本发明的一具体实施例中，设定实验介质包括自来水(密度为998kg/m3，粘度为1.103mPa·s)和空气(密度为1.293kg/m3，粘度为0.0183mPa·s)，实验温度为室内常温(20℃～25℃)。利用本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置进行的实验，包括如下步骤：

a、根据实验要求，选择一根微型水平井筒1，在实验室的现有平台上组装粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，在本发明的一具体实施例中具体包括首先按照实验流程图连接气液回路2的气体回路21、供水回路24(实验介质为油时，连接供油回路25；需要水、油做介质时，同时连接两个回路)，并将气体回路21、供水回路24分别通过总控制阀门23与微型水平井筒1密封连接，将选定的微型水平井筒1两端的压差传感器11与控制器13连通，确保实验回路和各阀门符合实验要求；

b、在确保实验装置连接无误的基础上，打开各阀门和各离心泵(包括水路离心泵243或/和油路离心泵253)，调节各离心泵的功率进行实验试运行，改变液体的流量，观察粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置的运行状态；

c、在实验试运行过程中，确定粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置未发现异常时，关掉开关，准备正式进入实验阶段；实验试运行过程中发现异常时立即关掉电源；

d、实验试运行正常，正式进入试验阶段：先将气体回路21的各阀门关闭，单独打开供水回路24或供油回路25的各阀门或者同时打开供水回路24、供油回路25的各阀门，不断加大相应的离心泵的功率，观察微型水平井筒1内的液体流动情况，在液相充满微型水平井筒1且流动稳定后，记录压差传感器11和各流体流量计的示数；

e、在记录单相流体的数据之后，打开气体回路21的各阀门，打开空气压缩机211的开关，向微型水平井筒1中不断地加入气体；

f、不断加大空气压缩机211的功率，观察微型水平井筒1内的气液两相流体的流行变化，并用摄像设备3拍摄照片，记录气液两相流动过程中，压差传感器11和各流体流量计的示数；

g、关闭离心泵和空气压缩机211的开关和气液回路中的各阀门，更换另一根微型水平井筒，重复a～f的实验过程，记录压差传感器11和各流体流量计的示数；

h、实验结束，关闭离心泵和空气压缩机211的开关和气液回路中的各阀门，整理粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置。

在更换实验用微型水平井筒1和实验结束时，应注意先将离心泵的转速调至最低，然后关掉离心泵等注入装置，再关闭各阀门，以免离心泵的余速将液体注入管线内，造成压力过大而使管线发生爆裂。

由上所述，本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置及实验方法，具有如下有益效果：

(1)本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其微型水平井筒的内壁面粗糙且其内径较小，能够有效模拟微小的水平井眼采用裸眼完井时的粗糙壁面井筒；微型水平井筒的内壁粗糙度通过改变粗糙点的类型及粗糙点的密度和大小来调整，能够满足多种粗糙度要求的模拟实验；

(2)本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，并联设置多种规格或粗糙度的多个微型水平井筒，各微型水平井筒均与气液回路连接并通过阀门控制，完成其中一个微型水平井筒的实验后，可以立即转换成其他粗糙度或规格的微型水平井筒进行实验，提高实验效率；

(3)本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，气液回路包括并联设置的气体回路、供水回路和供油回路，能够实现气水、气油或气油水的实验研究；

(4)利用本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置的实验方法，采用观察法和高速摄像法相结合的方式，观察气液两相在粗糙壁微型水平井筒中的流型特点、流型之间的相互转化规律、油水在内壁面的滞留情况、涡流特征以及气液两相流动的压降规律；结合物理模拟实验结果，深入研究粗糙壁微型水平井筒气液两相流型转换机理、粗糙壁面液相滞留机理和涡旋流动机理；在机理研究的基础上，提出粗糙壁微型水平井筒气液两相数学描述模型，利用物理模拟实验对数学模型进行修正和验证；

(5)本发明提供的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置及实验方法，通过粗糙壁微型水平井筒气液两相流动机理研究，进一步完善了水平井筒多相管流理论，同时也为超短半径径向水平井以及其它小井眼、微小井眼技术在石油开采领域的开发应用奠定了基础，该研究成果的成功应用，将为以超短半径径向水平井为代表的微型井眼技术的广泛应用提供可靠的理论支持。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (11)

1.一种粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其特征在于：所述粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置包括内壁粗糙且侧壁透明的微型水平井筒，所述微型水平井筒的入口与一气液回路的出口连通，所述微型水平井筒的外部设置有用于拍摄流型的摄像设备。

2.如权利要求1所述的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其特征在于：所述气液回路包括并联设置的气体回路和液体回路，所述气体回路和所述液体回路的出口均连通于一总控制阀门的入口，所述总控制阀门的出口与所述微型水平井筒的入口连通。

3.如权利要求2所述的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其特征在于：所述气体回路包括空气压缩机，所述空气压缩机的出口顺序连接有减压阀、气路阀门、气体流量计和气路单向阀，所述气路单向阀的出口与所述总控制阀门的入口连通。

4.如权利要求2所述的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其特征在于：所述液体回路为供水回路，所述供水回路包括储水罐，所述储水罐的出口顺序连接有水路第一阀门、水路离心泵、水路第二阀门、水路流体流量计和水路单向阀，所述水路单向阀的出口与所述总控制阀门的入口连通。

5.如权利要求2所述的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其特征在于：所述液体回路为供油回路，所述供油回路包括储油罐，所述储油罐的出口顺序连接有油路第一阀门、油路离心泵、油路第二阀门、油路流体流量计和油路单向阀，所述油路单向阀的出口与所述总控制阀门的入口连通。

6.如权利要求2所述的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其特征在于：所述液体回路包括并联设置的供水回路和供油回路；所述供水回路包括储水罐，所述储水罐的出口顺序连接有水路第一阀门、水路离心泵、水路第二阀门、水路流体流量计和水路单向阀，所述水路单向阀的出口与所述总控制阀门的入口连通；所述供油回路包括储油罐，所述储油罐的出口顺序连接有油路第一阀门、油路离心泵、油路第二阀门、油路流体流量计和油路单向阀，所述油路单向阀的出口与所述总控制阀门的入口连通。

7.如权利要求2所述的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其特征在于：所述微型水平井筒的数量为多个，多个所述微型水平井筒并联设置。

8.如权利要求7所述的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其特征在于：各所述微型水平井筒的两端分别设置有一压差传感器，各所述微型水平井筒的两端的所述压差传感器均连接于一控制器上。

9.如权利要求7所述的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其特征在于：各所述微型水平井筒的入口端均设置有一井筒控制阀门，所述井筒控制阀门的入口均与所述总控制阀门的出口连通。

10.如权利要求7所述的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，其特征在于：各所述微型水平井筒为内壁粗糙的耐压有机玻璃管。

11.一种采用如权利要求1至10任一项所述的粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、根据实验要求，选择一根微型水平井筒组装粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置，确保实验回路和各阀门符合实验要求；

b、打开各阀门和各离心泵，调节各离心泵的功率进行实验试运行，改变液体的流量，观察粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置的运行状态；

c、在实验试运行过程中，确定粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置未发现异常时，关掉开关，准备正式进入实验阶段；实验试运行过程中发现异常时立即关掉电源；

d、实验试运行正常，正式进入试验阶段：先将气体回路的各阀门关闭，单独打开供水回路或供油回路的各阀门或者同时打开供水回路、供油回路的各阀门，不断加大相应的离心泵的功率，观察微型水平井筒内的液体流动情况，在液相充满微型水平井筒且流动稳定后，记录压差传感器和各流体流量计的示数；

e、在记录单相流体的数据之后，打开气体回路的各阀门，打开空气压缩机的开关，向微型水平井筒中不断地加入气体；

f、不断加大空气压缩机的功率，观察微型水平井筒内的气液两相流体的流行变化，并用摄像设备拍摄照片，记录气液两相流动过程中，压差传感器和各流体流量计的示数；

g、关闭离心泵和空气压缩机的开关和气液回路中的各阀门，更换另一根微型水平井筒，重复a～f的实验过程，记录压差传感器和各流体流量计的示数；

h、实验结束，关闭离心泵和空气压缩机的开关和气液回路中的各阀门，整理粗糙壁微型水平井筒气液两相流动实验装置。