CN106401580A - 复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，包括举升井筒组，举升井筒组包括并联设置的复杂内边界举升井筒管道和加热举升井筒管道，举升井筒组的入口连通于多相流体输入装置，举升井筒组的出口连通于多相流体回收装置；复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置还包括能实时监测记录复杂内边界举升井筒管道和加热举升井筒管道内压力的控制装置。该装置克服现有技术中存在的不能准确模拟复杂内边界举升井筒中多相流运动、模拟实验温度与地层实际不符、压力测量不准确等问题，准确模拟了复杂内边界举升井筒及加热升温情况下举升井筒中多相流运动，实现了实时监测举升井筒内压力的分布和流型的变化的目的。

Description

复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置

技术领域

本发明涉及多相管流实验技术领域，尤其涉及一种复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置。

背景技术

随着采出石油总量的不断增加，油层压力日益降低；注水开发的油田，油井产水百分比逐渐增大，使流体的比重增加，这两种情况都使油井自喷能力逐步减弱。为提高产量，需采取人工举升法采油(又称机械采油)，即人为地向油井井底增补能量，将油藏中的石油举升至井口的方法，人工举升法采油是油田开采的主要方式，特别在油田开发后期，人工举升法采油主要有泵抽采油法和气举采油法两种。

油气在井筒内的上升时，管道中的气-液两相垂直管流的研究存在十分重要的价值。因为管道中气-液两相的流动时的压力变化和含气率的变化使得气-液的混合物表现出不一样的流形。而这些不一样的流形又会干扰沿程压力梯度的变化以及混合物的密度等；特别是人工举升井，气-液两相流的流动型态对于管道内的压力分布有着干扰。管道内压力梯度的变化不但影响到油气井是否自喷，同时还是气举井优化设计的关键基础。多相管流实验是研究举升井的管道内压力梯度的变化的重要手段。

多相管流实验主要分为两个大类，垂直井筒多相流和倾斜井筒多相流(多相流指的是具有两种以上不同相态或不同组分的物质共存并有明确分界面的多相流体流动)。而垂直井筒又可以分为存在抽油泵和没有抽油泵存在时的两种类型，现如今气液两相流常用的研究方法都是采用没有泵存在的垂直井筒进行油气水多相流实验，先确定流动型态，之后再对于不同流型采取特殊的研究，确定沿程压力梯度模型。表1给出了两相流在垂直井筒上升过程中，沿程的压力梯度和意义。

表1 垂直井筒内压力梯度

注：p—压力；ρL——液相密度；ρG——气相密度；HL——持液率，气-液流动的混合物中液体所占百分数；g—重力加速度；θ—井筒与水平角线夹角(本文为90°)v—混合物平均流速；λ——流动阻力系数；Dh——管道等量直径；vsg——气相表观速度。

多年以来，众多专家学者主要做的实验研究是以无泵和无杆的井筒为基础，主要是各种不同尺寸和长度的没有抽油泵存在的井筒实验装置，它是从简化井筒内多相流动的角度模拟现实垂直井筒。目前，这类实验研究和应用较多,也发展的比较成熟。但是研究垂直环空管道内的气液两相流动时，忽略了内边界变化运动时的情况，所以运用以往的经验公式计算含气率和压降梯度会不太准确。因此无法满足现场实际的需要。

存在抽油泵的实验装置，它更加准确地模拟了现实垂直井筒中的流体流动情况。在带有杆柱运动的情况下，由于杆柱的运动，对井筒内的多相流动产生了影响，因此垂直井筒内压降和流型的变化情况与普通垂直环空井筒和垂直圆管内压降与流型变化的不同。带有泵的内边界可动模型能实现对含气率(气-液两相流中气体的真实流动份额)和压降梯度等参数进行准确的测量和分析，从而对井筒内气液两相流提出更加准确的预测。

如图2所示，现有技术中存在一种第一油气水多相流实验装置91，该装置中的实验管段911由有机玻璃管制成,内径30mm,外径75mm,耐压1.0MPa(正常使用压力不大于0.4MPa)。实验管段911固定在钢制支架上,整个实验管段911与水平面的夹角范围是0～90°。实验用液体和气体分别由泵和空压机供给,实验用液体和气体经过涡轮流量计912计量并经静态混合器913混合后，经实验管段911进入气液分离器914进行分离处理,分出的气体(空气)排空、液体送储液罐循环利用。该装置中，设置了集中管理式控制柜，绝大部分操作控制阀和指示性仪表(压力计、流量计)均布置在控制柜的控制面板上。另外，为获取流动参数,该装置中设置了数据采集处理系统。在实验管段911进、出口处,安装了压力传感器915测定管内压力及流动压差；流经实验管段911的流体流量由涡轮流量计912测得；在实验管段911两端及中部的三个断面上,安装了电阻传感器测取截面含气率(含气率仪可在装置上由快关阀门法标定)；整个数据的采集、保存和处理,由数据采集电路和处理软件完成。前述第一油气水多相流实验装置91存在以下问题：(1)不能准确模拟现实井筒。使用没有泵和杆柱存在的管道进行实验时，管道内多相流的边界为静止状态，不能准确模拟复杂内边界(包括往复式运动内边界和旋转运动内边界)时井筒内流体流动状态，因此不能准确模拟井筒内压力分布和含气率变化；(2)压力测量不准确。只采用了入口、出口两个测量点，无法准确确定出整个井筒内气液两相流时，因气体的原因导致的压力的变化；(3)井型单一。只模拟了不含泵和杆柱的单一井筒，没有涉及其他井筒；(4)模拟温度为常温。只能模拟常温环境井筒内的多相流实验，无法体现实际地层情况下的温度场；(5)实验管段911模拟垂直井筒举升试验时，没有对实验管段911的出口端进行处理，往往造成举升至实验管段911的出口的流体沿着管路循环向下进入油水分离器时产生虹吸现象。

现有技术中还存在第二油气水多相流实验装置92，其实验流程如图3所示，使用第二油气水多相流实验装置92实验时，首先开动离心泵921,排出的水流经流量计922测量后,进入混合段；空气则由空气压缩机923排入稳定罐924,再经气体流量计925测量后与液体混合。混合后的气液混合物经2m长的稳定段后进入6m长的实验管段，在实验管段的上坡管段和下坡管段分别测得两相流体的温度、压力、压差、空隙率和流动型态，在管路出口的气液分离器将气体排入大气,液体流回到储液罐926。第二油气水多相流实验装置92的操作程序为:(1)选定某一种管径的管路作为实验对象；(2)检查管线及所有仪器设备是否完好；(3)将实验管段调整到预定的角度；(4)开动离心泵921,调整流量；(5)启动空气压缩机923；(6)待流动稳定后,测出3组数据存入计算机；(7)保持液体流量不变,调节气体流量再重复上步测量,直至得出所有流动型态；(8)改变液体流量,再重复上步测量。前述的第二油气水多相流实验装置92存在以下问题：(1)不能准确模拟现实井筒。使用没有泵和杆柱存在的管道进行实验时，管道内多相流的边界为静止状态，不能准确模拟复杂内边界(包括往复式运动内边界和旋转运动内边界)时井筒内流体流动状态，因此不能准确模拟井筒内压力分布和含气率变化；(2)压力测量不准确。只采用了入口出口两个测量点，无法准确确定出整个井筒内气液两相流时，因气体的原因导致的压力的变化。(3)无法准确观察流体流动情况。由于实验装置多为密封且不透明，因此无法观察到其具体的流动型态；(4)模拟温度为常温。只能模拟常温环境井筒内的多相流实验，无法体现实际地层情况下的温度场。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，克服现有技术中存在的不能准确模拟复杂内边界举升井筒中多相流运动、模拟实验温度与地层实际不符、压力测量不准确等问题，准确模拟了复杂内边界举升井筒及加热升温情况下举升井筒中多相流运动，实现了实时监测举升井筒内压力的分布和流型的变化的目的。

本发明的目的是这样实现的，一种复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，所述复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置包括举升井筒组，所述举升井筒组包括并联设置的复杂内边界举升井筒管道和加热举升井筒管道，所述举升井筒组的入口连通于多相流体输入装置，所述举升井筒组的出口连通于多相流体回收装置；所述复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置还包括能实时监测记录所述复杂内边界举升井筒管道和所述加热举升井筒管道内压力的控制装置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述复杂内边界举升井筒管道包括内部设有有杆泵的第一举升井筒管道，所述第一举升井筒管道的顶部设置有有杆泵提升电机，所述第一举升井筒管道的侧壁上轴向间隔设置有多个第一压力传感器，所述第一举升井筒管道内部轴向间隔设置有多个第一温度传感器，所述第一举升井筒管道的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接有第一入口控制阀门，所述第一举升井筒管道的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接有第一出口控制阀门。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一举升井筒管道由第一单层井筒、第二单层井筒和第三单层井筒自上而下顺序密封连接构成，所述第二单层井筒为透明井筒；所述第三单层井筒的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接所述第一入口控制阀门，所述第一单层井筒的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接所述第一出口控制阀门。

在本发明的一较佳实施方式中，所述复杂内边界举升井筒管道包括内部设有顶驱螺杆泵的第二举升井筒管道，所述第二举升井筒管道的顶部设置有顶驱螺杆泵驱动电机，所述第二举升井筒管道的侧壁上轴向间隔设置有多个第二压力传感器，所述第二举升井筒管道内部轴向间隔设置有多个第二温度传感器，所述第二举升井筒管道的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接有第二入口控制阀门，所述第二举升井筒管道的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接有第二出口控制阀门。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第二举升井筒管道由第四单层井筒、第五单层井筒和第六单层井筒自上而下顺序密封连接构成，所述第五单层井筒为透明井筒；所述第六单层井筒的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接所述第二入口控制阀门，所述第四单层井筒的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接所述第二出口控制阀门。

在本发明的一较佳实施方式中，所述多相流体输入装置的出口处设有与所述复杂内边界举升井筒管道平行设置的平衡缓冲罐。

在本发明的一较佳实施方式中，所述加热举升井筒管道包括外壁上设置有电加热装置的第三举升井筒管道，所述第三举升井筒管道的侧壁上轴向间隔设置有多个第三压力传感器，所述第三举升井筒管道内部轴向间隔设置有多个第三温度传感器，所述第三举升井筒管道的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接有第三入口控制阀门，所述第三举升井筒管道的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接有第三出口控制阀门。

在本发明的一较佳实施方式中，所述电加热装置包括均匀缠绕于所述第三举升井筒管道外侧壁上的加热电缆，所述加热电缆上电连接有能控制所述加热电缆加热温度的温度控制器。

在本发明的一较佳实施方式中，所述加热举升井筒管道包括连通有热流体循环加热装置的第四举升井筒管道，所述第四举升井筒管道内设置有与光纤测温仪连接的测温探头，所述第四举升井筒管道的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接有第四入口控制阀门，所述第四举升井筒管道的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接有第四出口控制阀门。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第四举升井筒管道的侧壁上轴向间隔设置有多个第四压力传感器。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第四举升井筒管道为多层井筒结构，所述第四举升井筒管道包括同轴且间隔套设的外管、中间管和内管，所述外管的内壁与所述中间管的外壁之间构成用于热流体进入的第一环空，所述中间管的内壁与所述内管的外壁之间构成用于多相流体流通的第二环空，所述内管的内部构成热流体返回通道，所述第一环空的底部与所述热流体返回通道的底部连通；所述第二环空内设置所述测温探头，所述第二环空的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接所述第四入口控制阀门，所述第二环空的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接所述第四出口控制阀门。

在本发明的一较佳实施方式中，所述热流体循环加热装置包括热水箱，所述热水箱通过一热水循环泵、第一热水控制阀与所述第一环空密封连通，所述热流体返回通道通过第二热水控制阀与所述热水箱密封连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述多相流体回收装置包括与所述举升井筒组的出口连通的缓冲罐，所述缓冲罐的出口连接有一油水分离器，所述油水分离器的出口与所述多相流体输入装置连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述多相流体输入装置包括并联设置的水罐和油罐，所述水罐和所述油罐的出口连通于一油水混合器上，所述油水混合器的出口连接有液相离心泵；所述多相流体输入装置还包括与空气压缩机连通的储气罐，所述储气罐的出口处连通有一气体流量计，所述液相离心泵与所述气体流量计并联设置、且均连通于一气液混合器上，所述气液混合器的出口构成所述多相流体输入装置的出口，所述气液混合器的出口与所述举升井筒组的入口连通。

由上所述，本发明的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置具有如下有益效果：

(1)本发明的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置中，并联设置了包括复杂内边界举升井筒管道和加热举升井筒管道的举升井筒组，复杂内边界举升井筒管道有效模拟了具有复杂内边界的井筒，能够研究得出井筒内抽油杆往复运动和旋转运动对多相流体流动的影响，从而得到有杆采油过程中的优化参数；加热举升井筒管道模拟了实际地层温度场下的举升井筒，能够研究得出实际地层温度场对井筒内多相流体的影响；

(2)本发明的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置中设置控制装置，能够实时监测复杂内边界举升井筒管道和加热举升井筒管道内的压力变化情况，获得整个举升过程中举升井筒内压力分布变化规律；

(3)复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置中提供多种不同类型的举升井筒，实验过程中不需要频繁更换井内油泵和井筒热源，只需开启相应的控制阀门即可连通选用的井筒，操作简单，适用性较强；

(4)复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置中设置缓冲罐和油水分离器，缓冲罐能有效解决虹吸效应对于井筒出口端压力的影响，油水分离器解决了多相流体存在时，各项分离和重复利用的问题。

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1a：为本发明的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置的示意图。

图1b：为图1a中Ⅰ处放大图。

图2：为现有技术中第一油气水多相流实验装置的示意图。

图3：为现有技术中第二油气水多相流实验装置的示意图。

图中：

100、复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置；

1、举升井筒组；

11、复杂内边界举升井筒管道；

111、第一举升井筒管道；1111、第一单层井筒；1112、第二单层井筒；1113、第三单层井筒；112、第二举升井筒管道；1121、第四单层井筒；1122、第五单层井筒；1123、第六单层井筒；

12、加热举升井筒管道；121、第三举升井筒管道；122、第四举升井筒管道；1221、外管；1222、中间管；1223、内管；1224、第一环空；1225、第二环空；1226、热流体返回通道；

13、平衡缓冲罐；131、缓冲罐阀门；

2、多相流体输入装置；21、水罐；22、油罐；23、油水混合器；24、液相离心泵；25、储气罐；26、气体流量计；27、气液混合器；28、空气压缩机；29、液体流量计；

3、多相流体回收装置；31、缓冲罐；32、油水分离器；33、废液桶；331、废液阀门；

41、有杆泵；411、有杆泵提升电机；

42、顶驱螺杆泵；421、顶驱螺杆泵驱动电机；

43、电加热装置；431、加热电缆；432、温度控制器；

44、热流体循环加热装置；441、热水箱；442、热水循环泵；443、第一热水控制阀；444、第二热水控制阀；

45、光纤测温仪；

51、第一压力传感器；52、第二压力传感器；53、第三压力传感器；

61、第一温度传感器；62、第二温度传感器；63、第三温度传感器；

71、第一入口控制阀门；72、第二入口控制阀门；73、第三入口控制阀门；74、第四入口控制阀门；

81、第一出口控制阀门；82、第二出口控制阀门；83、第三出口控制阀门；84、第四出口控制阀门；

91、第一油气水多相流实验装置；911、实验管段；912、涡轮流量计；913、静态混合器；914、气液分离器；915、压力传感器；

92、第二油气水多相流实验装置；921、离心泵；922、流量计；923、空气压缩机；924、稳定罐；925、气体流量计；926、储液罐。

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1a所示，本发明提供一种复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置100，复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置100包括固定设置于支架上的举升井筒组1，举升井筒组1包括并联设置的复杂内边界举升井筒管道11和加热举升井筒管道12，复杂内边界举升井筒管道11和加热举升井筒管道12竖直设置或者根据实验需求倾斜设置；举升井筒组1的入口连通于多相流体输入装置2，举升井筒组1的出口连通于多相流体回收装置3；复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置100还包括能实时监测记录复杂内边界举升井筒管道11和加热举升井筒管道12内压力的控制装置。

本发明的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置100中，并联设置了包括复杂内边界举升井筒管道11和加热举升井筒管道12的举升井筒组1，复杂内边界举升井筒管道11有效模拟了具有复杂内边界的井筒，能够研究得出井筒内抽油杆往复运动和旋转运动对多相流体流动的影响，从而得到有杆采油过程中的优化参数；加热举升井筒管道12模拟了实际地层温度场下的举升井筒，能够研究得出实际地层温度场对井筒内多相流体的影响；复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置100中设置的控制装置能够实时监测复杂内边界举升井筒管道11和加热举升井筒管道12内的压力变化情况，获得整个举升过程中举升井筒内压力分布变化规律；复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置中提供多种不同类型的举升井筒，适用性较强。

进一步，如图1a所示，复杂内边界举升井筒管道11包括内部设有有杆泵41的第一举升井筒管道111，第一举升井筒管道111的顶部设置有有杆泵提升电机411，有杆泵41的冲程、冲次均为可人工调节的，在第一举升井筒管道111中通入流体的情况下，开启有杆泵41，实现模拟泵在井筒中对于多相流体流动型态的影响；第一举升井筒管道111的侧壁上轴向间隔设置有多个第一压力传感器51，第一压力传感器51可以感应第一举升井筒管道111内不同位置的压差信号，然后将感应到的压力转换成电压信号输出给控制装置；第一举升井筒管道111内部轴向间隔设置有多个第一温度传感器61，在本发明的一具体实施例中，第一举升井筒管道111的侧壁上设有5个测压点，底部的测压点与其他4个测压点之间分别设置1个第一压力传感器51(计4个)，测得的压力分布情况更加准确，第一温度传感器61选用PT100测温探头，第一举升井筒管道111内部从上到下设置有8个PT100测温探头。第一压力传感器51、第一温度传感器61与控制装置信号连接，控制装置将接收到的电压信号转化为压力并显示，所有获得的数据都可以自动存盘，便于后期处理和研究使用。第一举升井筒管道111的底部与多相流体输入装置2的出口之间串接有第一入口控制阀门71，第一举升井筒管道111的顶部与多相流体回收装置3的入口之间串接有第一出口控制阀门81。当采用第一举升井筒管道111进行实验，观测有杆泵41的往复运动对井筒内多相流体运动的影响时，开启第一入口控制阀门71、第一出口控制阀门81，采用其他举升井筒进行实验时，关闭第一入口控制阀门71、第一出口控制阀门81。

进一步，如图1a所示，第一举升井筒管道111由第一单层井筒1111、第二单层井筒1112和第三单层井筒1113自上而下顺序密封连接构成，第二单层井筒1112为透明井筒，通过第二单层井筒1112可以观测多相流体的流动型态和杆柱在井筒内的运动状态，在本发明的一具体实施例中，第一单层井筒1111、第三单层井筒1113为金属管，第二单层井筒1112为透明有机玻璃管，第一单层井筒1111、第二单层井筒1112和第三单层井筒1113之间使用法兰密封连接，第一举升井筒管道111通过抱箍固定于支架上；第三单层井筒1113的底部与多相流体输入装置2的出口之间串接上述的第一入口控制阀门71，第一单层井筒1111的顶部与多相流体回收装置3的入口之间串接上述的第一出口控制阀门81。在本发明的一具体实施例中，第一单层井筒1111、第二单层井筒1112和第三单层井筒1113的内径为3.5英寸，第三单层井筒1113的底部离地面3米，第一举升井筒管道111总长为7米，第一单层井筒1111和第三单层井筒1113的长度均为3米金属管，采用不锈钢(不锈钢304)材料构成，第二单层井筒1112长度为1米。

进一步，如图1a所示，复杂内边界举升井筒管道11包括内部设有顶驱螺杆泵42的第二举升井筒管道112，第二举升井筒管道112的顶部设置有顶驱螺杆泵驱动电机421，顶驱螺杆泵42的转速为可人工调节的，在第二举升井筒管道112中通入流体的情况下，开启顶驱螺杆泵42，实现模拟泵在井筒中对于多相流体流动型态的影响；第二举升井筒管道112的侧壁上轴向间隔设置有多个第二压力传感器52，第二压力传感器52可以感应第二举升井筒管道112内不同位置的压差信号，然后将感应到的压力转换成电压信号输出给控制装置；第二举升井筒管道112内部轴向间隔设置有多个第二温度传感器62，在本发明的一具体实施例中，第二举升井筒管道112的侧壁上设有5个测压点，底部的测压点与其他4个测压点之间分别设置1个第二压力传感器52(计4个)，测得的压力分布情况更加准确，第二温度传感器62选用PT100测温探头，第二举升井筒管道112内部从上到下设置有8个PT100测温探头。第二压力传感器52、第二温度传感器62与控制装置信号连接，控制装置将接收到的电压信号转化为压力并显示，所有获得的数据都可以自动存盘，便于后期处理和研究使用。第二举升井筒管道112的底部与多相流体输入装置2的出口之间串接有第二入口控制阀门72，第二举升井筒管道112的顶部与多相流体回收装置3的入口之间串接有第二出口控制阀门82。当采用第二举升井筒管道112进行实验，观测顶驱螺杆泵42的旋转运动对井筒内多相流体运动的影响时，开启第二入口控制阀门72、第二出口控制阀门82，采用其他举升井筒进行实验时，关闭第二入口控制阀门72、第二出口控制阀门82。

进一步，如图1a所示，第二举升井筒管道112由第四单层井筒1121、第五单层井筒1122和第六单层井筒1123自上而下顺序密封连接构成，第五单层井筒1122为透明井筒，通过第五单层井筒1122可以观测多相流体的流动型态和杆柱在井筒内的运动状态，在本发明的一具体实施例中，第四单层井筒1121、第六单层井筒1123为金属管，第五单层井筒1122为透明有机玻璃管，第四单层井筒1121、第五单层井筒1122和第六单层井筒1123之间使用法兰密封连接，第二举升井筒管道112通过抱箍固定于支架上；第六单层井筒1123的底部与多相流体输入装置2的出口之间串接上述的第二入口控制阀门72，第四单层井筒1121的顶部与多相流体回收装置3的入口之间串接上述的第二出口控制阀门82。在本发明的一具体实施例中，第四单层井筒1121、第五单层井筒1122和第六单层井筒1123的内径为3.5英寸，第六单层井筒1123的底部离地面3米，第二举升井筒管道112总长为7米，第四单层井筒1121和第六单层井筒1123的长度均为3米金属管，采用不锈钢(不锈钢304)材料构成，第五单层井筒1122长度为1米。

进一步，如图1a所示，多相流体输入装置2的出口处设有与复杂内边界举升井筒管道11平行设置的平衡缓冲罐13。平衡缓冲罐13的入口设置有缓冲罐阀门131，当选用第一举升井筒管道111或第二举升井筒管道112中的任一个进行实验时，开启缓冲罐阀门131，使用平衡缓冲罐13来平衡泵注入复杂内边界举升井筒管道中的多相流体流量(当复杂内边界举升井筒管道内流量过大，打开缓冲罐阀门131，流体流入平衡缓冲罐13来缓冲流量)，在本发明的一具体实施例中，平衡缓冲罐13的容积为100L。

进一步，如图1a所示，加热举升井筒管道12包括外壁上设置有电加热装置43的第三举升井筒管道121，在本发明的一具体实施例中，第三举升井筒管道121为总高度为10米的单层井筒，第三举升井筒管道121的内径为3.5英寸，由5根单层井筒密封串联构成，相邻单层井筒之间通过法兰密封连接，第三举升井筒管道121通过抱箍固定于支架上；第三举升井筒管道121的侧壁上轴向间隔设置有多个第三压力传感器53，第三压力传感器53可以感应第三举升井筒管道121内不同位置的压差信号，然后将感应到的压力转换成电压信号输出给控制装置；第三举升井筒管道121内部设置有多个第三温度传感器63，在本发明的一具体实施例中，第三举升井筒管道121的侧壁上设有5个测压点，底部的测压点与其他4个测压点之间分别设置1个第三压力传感器53(计4个)，测得的压力分布情况更加准确，第三温度传感器63选用PT100测温探头，第三举升井筒管道121内部从上到下设置有8个PT100测温探头，第三压力传感器53、第三温度传感器63与控制装置信号连接，控制装置将接收到的电压信号转化为压力并显示，所有获得的数据都可以自动存盘，便于后期处理和研究使用；第三举升井筒管道121的底部与多相流体输入装置2的出口之间串接有第三入口控制阀门73，第三举升井筒管道121的顶部与多相流体回收装置3的入口之间串接有第三出口控制阀门83。当采用第三举升井筒管道121进行实验，观测井筒电加热时对井筒内多相流体运动的影响时，开启第三入口控制阀门73、第三出口控制阀门83，采用其他举升井筒进行实验时，关闭第三入口控制阀门73、第三出口控制阀门83。

进一步，如图1a所示，电加热装置43包括均匀缠绕于第三举升井筒管道121外侧壁上的加热电缆431，加热电缆431上电连接有能控制加热电缆431加热温度的温度控制器432，在本实施方式中，加热电缆中间带有加热测温探头，加热测温探头将实时温度反馈给温度控制器432，温度控制器432实时监控调整加热温度，避免加热电缆431的温度过高而损坏。

进一步，如图1a所示，加热举升井筒管道12包括连通有热流体循环加热装置44的第四举升井筒管道122，第四举升井筒管道122内设置有与光纤测温仪45连接的测温探头，光纤测温仪45与控制装置信号连接；第四举升井筒管道122的底部与多相流体输入装置2的出口之间串接有第四入口控制阀门74，第四举升井筒管道122的顶部与多相流体回收装置3的入口之间串接有第四出口控制阀门84。

在本实施方式中，第四举升井筒管道122的侧壁上设置有多个第四压力传感器，第四压力传感器与控制装置信号连接，第四压力传感器可以感应第四举升井筒管道122内不同位置的压差信号，然后将感应到的压力转换成电压信号输出给控制装置，控制装置将接收到的电压信号转化为压力并显示，所有获得的数据都可以自动存盘，便于后期处理和研究使用。当加热举升井筒管道12中同时包括第三举升井筒管道121(外壁上设置有电加热装置43)和第四举升井筒管道122(连通有热流体循环加热装置44)时，二者相同的位置处的压力值相同，因此只需要在第三举升井筒管道121设置有多个第三压力传感器53或者只需要在第四举升井筒管道122的侧壁上设置有多个第四压力传感器，即可得出加热举升井筒管道12实验过程中的压力情况，也可以在第三举升井筒管道121、第四举升井筒管道122侧壁上同时分别设置第三压力传感器53、第四压力传感器，具体设置情况根据实际情况确定。

进一步，如图1a、图1b所示，第四举升井筒管道122为多层井筒结构，第四举升井筒管道122包括同轴且间隔套设的外管1221、中间管1222和内管1223，外管1221的内壁与中间管1222的外壁之间构成用于热流体进入的第一环空1224，中间管1222的内壁与内管1223的外壁之间构成用于多相流体流通的第二环空1225，内管1223的内部构成热流体返回通道1226，第一环空1224的底部与热流体返回通道1226的底部连通；第二环空1225内设置上述测温探头，第二环空1225的底部与多相流体输入装置2的出口之间串接上述的第四入口控制阀门74，第二环空1225的顶部与多相流体回收装置3的入口之间串接上述的第四出口控制阀门84。在本发明的一具体实施例中，外管1221内径为5.5英寸，中间管1222内径为3.5英寸，内管1223内径为1英寸；外管1221总长度为10米，由5根分段外管连接构成，相邻两个分段外管之间通过法兰密封连接，为了减少热水温度的散失，外管1221的外部设有保温层；中间管1222与外管1221长度相同，由多个分段中间管通过螺纹连接构成，每个分段中间管上都设置有扶正装置；内管1223使用整根的金属软管来制作，金属软管采用不锈钢(不锈钢304)材质。

进一步，如图1a所示，热流体循环加热装置44包括热水箱441，在本发明的一具体实施例中，热水箱441的体积为500L，热水箱441的加热功率为8KW，最高的加热温度为100℃；热水箱441通过一热水循环泵442、第一热水控制阀443与第一环空1224密封连通，热流体返回通道1226通过第二热水控制阀444与热水箱441密封连通。在热水循环泵442的作用下，热水箱441中的热水经第一热水控制阀443进入第一环空1224，热水经热流体返回通道1226、第二热水控制阀444返回热水箱441中，热流体返回通道1226中的热水对第二环空1225中的多相流体进行加热。

进一步，如图1a所示，多相流体回收装置3包括与举升井筒组1的出口连通的缓冲罐31，在本实施方式中，缓冲罐31上设置有贯通孔，举升井筒组1的出口管线与贯通孔连通，贯通孔的孔径大于举升井筒组1的出口管线的外径，缓冲罐31通过贯通孔与举升井筒组1的出口管线之间的间隙与外界大气环境连通，实验结束后的多相流体中的气体排出装置，缓冲罐31能够避免实验装置因密封条件下存在的压力差引起的虹吸效应；缓冲罐31的出口连接有一油水分离器32，油水分离器32对实验结束后的多相流体中的油水进行分离，为了提高油、水的利用率，油水分离器32的出口能与多相流体输入装置2连通，使得油、水能够循环使用。油水分离器32上还通过废液阀门331连通有废液桶33，由于实验过程中多相流体中可能会携带有杂质，当多相流体不再回用时，打开废液阀门331使得油水分离器32与废液桶33连通，多相流体被回收。

进一步，如图1a所示，多相流体输入装置2包括并联设置的水罐21和油罐22，水罐21和油罐22的出口通过一液体流量计29连通于一油水混合器23上，油水混合器23的出口连接有液相离心泵24；多相流体输入装置2还包括与空气压缩机28连通的储气罐25，储气罐25的出口处连通有一气体流量计26，液相离心泵24与气体流量计26并联设置、且均连通于一气液混合器27上，气液混合器27的出口构成多相流体输入装置2的出口，气液混合器27的出口与举升井筒组1的入口连通。液体流量计29和气体流量计26上均设置有流量感应器，流量感应器将感应到的液体流量和气体流量信号转化为电压信号输出给控制装置。

进一步，在本发明的一具体实施例中，控制装置包括一单片机和计算机，单片机接收和存储前述的第一压力传感器51、第二压力传感器52、第三压力传感器53、第一温度传感器61、第二温度传感器62、第三温度传感器63、第四压力传感器、与光纤测温仪45连接的测温探头、流量感应器发出的信号，处理分析实时压力与温度变化、流量变化的关系并将处理结果输送给计算机；计算机用于数据显示、实时曲线显示、数据回放与曲线回放、数据导出。数据显示是指显示采集的压力实时数据、温度变化；实时曲线显示是指显示整个实验过程中各测压点随时间的压力变化曲线；数据回放与曲线回放部分是指对采集的数据、图像进行保存处理；数据导出是指将每组实验的数据和曲线迅速导出成为excel表格及曲线图片。控制装置，能够实时监测复杂内边界举升井筒管道和加热举升井筒管道内的压力变化情况，获得整个举升过程中举升井筒内压力分布变化规律。

使用本发明的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置100进行实验前，检查管路的密封性和各控制阀门的开闭状态是否正常准确，确保各传感器正常工作，开启实验要求的一个举升井筒与多相流体输入装置2的出口之间的入口控制阀门，即第一举升井筒管道111、第二举升井筒管道112、第三举升井筒管道121和第四举升井筒管道122择一进行实验，同时开启选定的举升井筒与多相流体回收装置3之间的出口控制阀门，启动液相离心泵24对选定的举升井筒注液，保持在一个恒定的进液量，然后开启空气压缩机28，让气体平稳地进入选定的举升井筒，由小到大逐渐调节气体流量，待气液两相的流量、压力都达到相对稳定后，开始采集各种数据。

现以选定第二举升井筒管道112进行实验为例进行说明：开启第二入口控制阀门72、第二出口控制阀门82，关闭其他入口控制阀门和出口控制阀门，使用多相流体输入装置2向第二举升井筒管道112中注入液相和气相，开启顶驱螺杆泵42使其达到实验要求的转速，第二压力传感器52和第二温度传感器62监测第二举升井筒管道112内部压力和温度，控制装置采集各种数据，同时观察并用摄像机记录多相流体的流型，待气量达到最大值之后，关闭液相离心泵24和空气压缩机28，停止气液循环，之后调整顶驱螺杆泵42的转速重复以上操作，分别得到不同转速下每一种液体流量(液体流量0m³/h－5m³/h，从小到大逐渐增加)下不同气体流量(气体流量0m³/h－40m³/h，从小到大逐渐增加)的压降和流动型态。

由上所述，本发明的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置具有如下有益效果：

(1)本发明的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置中，并联设置了包括复杂内边界举升井筒管道和加热举升井筒管道的举升井筒组，复杂内边界举升井筒管道有效模拟了具有复杂内边界的井筒，能够研究得出井筒内抽油杆往复运动和旋转运动对多相流体流动的影响，从而得到有杆采油过程中的优化参数；加热举升井筒管道模拟了实际地层温度场下的举升井筒，能够研究得出实际地层温度场对井筒内多相流体的影响；

(2)本发明的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置中设置控制装置，能够实时监测复杂内边界举升井筒管道和加热举升井筒管道内的压力变化情况，获得整个举升过程中举升井筒内压力分布变化规律；

(3)复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置中提供多种不同类型的举升井筒，实验过程中不需要频繁更换井内油泵和井筒热源，只需开启相应的控制阀门即可连通选用的井筒，操作简单，适用性较强；

(4)复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置中设置缓冲罐和油水分离器，缓冲罐能有效解决虹吸效应对于井筒出口端压力的影响，油水分离器解决了多相流体存在时，各项分离和重复利用的问题。

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 (14)

1.一种复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置包括举升井筒组，所述举升井筒组包括并联设置的复杂内边界举升井筒管道和加热举升井筒管道，所述举升井筒组的入口连通于多相流体输入装置，所述举升井筒组的出口连通于多相流体回收装置；所述复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置还包括能实时监测记录所述复杂内边界举升井筒管道和所述加热举升井筒管道内压力的控制装置。

2.如权利要求1所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述复杂内边界举升井筒管道包括内部设有有杆泵的第一举升井筒管道，所述第一举升井筒管道的顶部设置有有杆泵提升电机，所述第一举升井筒管道的侧壁上轴向间隔设置有多个第一压力传感器，所述第一举升井筒管道内部轴向间隔设置有多个第一温度传感器，所述第一举升井筒管道的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接有第一入口控制阀门，所述第一举升井筒管道的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接有第一出口控制阀门。

3.如权利要求2所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述第一举升井筒管道由第一单层井筒、第二单层井筒和第三单层井筒自上而下顺序密封连接构成，所述第二单层井筒为透明井筒；所述第三单层井筒的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接所述第一入口控制阀门，所述第一单层井筒的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接所述第一出口控制阀门。

4.如权利要求1或2所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述复杂内边界举升井筒管道包括内部设有顶驱螺杆泵的第二举升井筒管道，所述第二举升井筒管道的顶部设置有顶驱螺杆泵驱动电机，所述第二举升井筒管道的侧壁上轴向间隔设置有多个第二压力传感器，所述第二举升井筒管道内部轴向间隔设置有多个第二温度传感器，所述第二举升井筒管道的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接有第二入口控制阀门，所述第二举升井筒管道的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接有第二出口控制阀门。

5.如权利要求4所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述第二举升井筒管道由第四单层井筒、第五单层井筒和第六单层井筒自上而下顺序密封连接构成，所述第五单层井筒为透明井筒；所述第六单层井筒的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接所述第二入口控制阀门，所述第四单层井筒的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接所述第二出口控制阀门。

6.如权利要求4所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述多相流体输入装置的出口处设有与所述复杂内边界举升井筒管道平行设置的平衡缓冲罐。

7.如权利要求1所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述加热举升井筒管道包括外壁上设置有电加热装置的第三举升井筒管道，所述第三举升井筒管道的侧壁上轴向间隔设置有多个第三压力传感器，所述第三举升井筒管道内部轴向间隔设置有多个第三温度传感器，所述第三举升井筒管道的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接有第三入口控制阀门，所述第三举升井筒管道的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接有第三出口控制阀门。

8.如权利要求7所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述电加热装置包括均匀缠绕于所述第三举升井筒管道外侧壁上的加热电缆，所述加热电缆上电连接有能控制所述加热电缆加热温度的温度控制器。

9.如权利要求1或7所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述加热举升井筒管道包括连通有热流体循环加热装置的第四举升井筒管道，所述第四举升井筒管道内设置有与光纤测温仪连接的测温探头，所述第四举升井筒管道的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接有第四入口控制阀门，所述第四举升井筒管道的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接有第四出口控制阀门。

10.如权利要求9所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述第四举升井筒管道的侧壁上轴向间隔设置有多个第四压力传感器。

11.如权利要求9所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述第四举升井筒管道为多层井筒结构，所述第四举升井筒管道包括同轴且间隔套设的外管、中间管和内管，所述外管的内壁与所述中间管的外壁之间构成用于热流体进入的第一环空，所述中间管的内壁与所述内管的外壁之间构成用于多相流体流通的第二环空，所述内管的内部构成热流体返回通道，所述第一环空的底部与所述热流体返回通道的底部连通；所述第二环空内设置所述测温探头，所述第二环空的底部与所述多相流体输入装置的出口之间串接所述第四入口控制阀门，所述第二环空的顶部与所述多相流体回收装置的入口之间串接所述第四出口控制阀门。

12.如权利要求11所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述热流体循环加热装置包括热水箱，所述热水箱通过一热水循环泵、第一热水控制阀与所述第一环空密封连通，所述热流体返回通道通过第二热水控制阀与所述热水箱密封连通。

13.如权利要求1所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述多相流体回收装置包括与所述举升井筒组的出口连通的缓冲罐，所述缓冲罐的出口连接有一油水分离器，所述油水分离器的出口与所述多相流体输入装置连通。

14.如权利要求1所述的复杂内边界多热源举升井筒多相流动实验装置，其特征在于，所述多相流体输入装置包括并联设置的水罐和油罐，所述水罐和所述油罐的出口通过一液体流量计连通于一油水混合器上，所述油水混合器的出口连接有液相离心泵；所述多相流体输入装置还包括与空气压缩机连通的储气罐，所述储气罐的出口处连通有一气体流量计，所述液相离心泵与所述气体流量计并联设置、且均连通于一气液混合器上，所述气液混合器的出口构成所述多相流体输入装置的出口，所述气液混合器的出口与所述举升井筒组的入口连通。