CN106769674B - 一种用于溶气原油测试的环道实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于溶气原油测试的环道实验装置，利用高压柱塞泵在两个活塞筒之间循环泵水，从而推动活塞循环交替运动来推动溶气原油流动，保证柱塞泵与溶气原油不接触，并通过两个电动四通阀转换管路之间的连接情况，注入管线始终与注入管线相连接，输出管线始终与输出管线相连接，保证流体流动的单向性，通过环道的两个回压阀调节活塞筒与环道压力；环道初始端与末端设有玻璃观察管段，对管道水平、垂直纵截面及横截面上气泡粒径、分布进行显微拍摄，并利用加权重构技术对管道内流动状态进行三维仿真，得到流体三维流动状态。与现有流动环道系统相比，本发明具有无泵驱动，无剪切，管流多维显微可视，压力可调，多工况运行，可循环流动，可用于高温高压环境的特点。

Description

一种用于溶气原油测试的环道实验装置

技术领域

本发明涉及一种原油特性测试的实验装置，特别涉及一种溶气原油流变性测试的环道实验装置。

背景技术

在油藏高压、高温环境中，稠油与水共存。稠油采出液在从油藏流向地面的过程中，以及在集输管道中的流动过程中，压力不断降低，稠油中轻组分析出，以微气泡的形式存在于稠油中，形成溶气稠油或溶气稠油-水混合液。气体驱是一种采油方式，气体极易溶于稠油并改变稠油的流动特性。在采油过程中，气体析出，同样形成溶气稠油或溶气稠油-水混合液。研究溶气稠油在管道中的流动性对集输系统具有重要的指导作用，国内外专家学者利用自行设计环道进行流动性实验。众多试验表明，溶气原油特性不但取决于温度、压力，更大程度上受剪切条件的影响。由于溶气原油内微气泡的形状、数量、大小等特性对其粘度具有重要影响，而泵、阀门等设备对溶气原油的剪切作用会破坏微气泡的原有形状、数量等，对实验结果造成更大的影响。国内外溶气原油流动环道少之又少，大多以流变仪实验为主，且环道一般采用泵驱动，容易改变溶气原油性质，从而影响实验结果。同时对管道流体的拍摄局限于简单的流型拍摄，无法获得管流横截面、纵截面等多维状态的流体参数，导致无法研究气泡在不同方向上相互作用对粘度的影响。

为研究溶气原油流变性，于涛建立了溶气原油流变性测量装置（于涛. 溶气原油流变性研究[D]. 中国石油大学（华东）硕士学位论文, 2009, P26-41），测量主要仪器为ARG2高压流变仪，制备溶气原油后导入高压流变仪内测量其粘度等物性参数。其存在的主要问题是，流变仪内溶气原油处于相对静止状态，与工程实际管流状态不符，无法模拟实际流动工况，导致实验结果存在较大误差。李玉星等人提出了一种超临界CO₂溶气稠油降粘特性实验装置（李玉星, 李曼曼, 张建. 超临界CO₂超稠油降粘特性与计算模型研究[J]. 科学技术与工程, 2013, 13（2）：294-298）。采用高温高压反应釜制备溶气原油，环道采用三柱塞泵进行加压驱动，环道前端设有开关阀，尾部设有压力调节阀用于维持环道压力。其存在主要问题是，环道内柱塞泵与开关阀对溶气原油具有剪切作用，改变微气泡形状、大小等性质，无法得到精确的实验结果。溶气原油内气泡的生长对其流变性有较大影响，上述两种装置均不能观察与测定环道内气泡粒径、生长过程及流动情况，因此无法研究气泡对流体粘度的作用。宋晓琴等人发明了一种可视化液液两相流环道实验装置（宋晓琴, 熊柯杰, 等.一种可视化液液两相流环道实验装置. CN 105222986 A. 2016-01-06），利用亚克力直管、一定上倾角度弯管及一台高速摄像重点拍摄管路水平段、弯头和倾斜管道处液液两相流流动状态。其存在的主要问题是：一台高速摄像仪与弯管、水平管、倾斜管组成的平面垂直放置，仅可简单拍摄管道内垂直纵截面上流体流动状态，无法拍摄管道横截面上流体分布状态，且无法拍摄得到管道内流体三维仿真流动状态，同时直接拍摄无法避免圆管对光的折射、反射、散射等现象，因此会对拍摄结果带来较大实验误差。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种无泵驱动、无剪切、管流多维显微可视化、压力可调、多工况运行、可循环流动、可用于高温高压环境的溶气原油测试环道实验装置，利用高压柱塞泵在两个活塞筒之间循环泵水，从而推动活塞循环交替运动来推动溶气原油流动，保证柱塞泵与溶气原油不接触，即不造成剪切破坏，并通过两个电动四通阀转换管路之间的连接情况，注入管线始终与注入管线相连接，输出管线始终与输出管线相连接，保证流体流动的单向性，通过环道的两个回压阀调节活塞筒与环道压力，适用于多工况运行；环道初始端与末端均设有玻璃观察管段，利用三台高速显微摄像与一个90度玻璃弯管，对管道水平、垂直纵截面及横截面上气泡粒径、分布进行显微拍摄，并利用加权重构技术对管道内流动状态进行三维仿真，得到流体三维流动状态，实现流动定量化，一台摄像机拍摄管道内流动状况，实现气泡运动的可视化。

本发明包括一个环道、两个活塞筒、两个电动四通球阀和一个高压柱塞泵，所述环道为一贯通的管路，其两端开口分别与两个活塞筒的一端相连接；所述活塞筒内设有可自由移动的活塞，将活塞筒分隔为两个互不连通的隔室；所述两个活塞筒的第一隔室通过电动四通球阀一分别与环道的两端连接构成一封闭的系统；所述两个活塞筒的第二隔室通过电动四通阀二分别与高压柱塞泵两端相连；所述环道和两个活塞筒的第一隔室内为溶气原油，所述两个活塞筒的第二隔室内为水。

所述环道初始端设有玻璃观察管段一，末端设有玻璃观察管段二，用于观测管道横截面、纵截面的气泡粒径分布。

所述玻璃观察管段二与一个90度玻璃弯管相连接，其正前方设有高速显微摄像一，正后方设有激光片光源一，正上方设有高速显微摄像二，正下方设有激光片光源二。所述90度玻璃弯管外部设有高速显微摄像三，沿流体流动方向设置，正对于管道横截面。通过上述设置可对不同纵截面、横截面拍摄图片并利用加权重构技术对管道内流动状态进行三维仿真，实现流动定量化。所述玻璃观察管段二正前方设有一台摄像机，用于拍摄流体流动状态。

所述活塞筒的两端都设有球阀。

所述活塞筒的第一隔室端还设有排气阀。

所述环道的两端均设有回压阀，用于调节维持活塞筒与环道的压力。

所述环道沿线设有多个压力传感器和温度传感器。

所述玻璃观察管段二由石英玻璃直管与石英玻璃方管组成，石英玻璃直管外部设有长方体形石英玻璃方管，长方体形玻璃方管与石英玻璃直管之间盛有甘油，甘油与玻璃折射率相似，削弱反射、折射作用对拍摄图像的失真影响。

所述环道中还设有差压变送器，用于测量流体通过的压降。

所述环道系统的外围还设有恒温箱，用于控制系统温度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）系统不使用泵直接驱动流体流动，避免了泵对流体的剪切破坏作用；

（2）实现了流体的无泵循环流动，利用2个活塞筒可驱动流体在环道内稳定循环；

（3）利用高速显微摄像技术与玻璃弯管实现了管流状态下管道横截面、纵截面的气泡粒径分布测量以及流动状态演变的显微可视化；

（4）可对不同纵截面、横截面拍摄图片并利用加权重构技术对管道内流动状态进行三维仿真，实现流动定量化；

（5）利用方管补偿对圆管拍摄带来的误差进行修正，较准确拍摄管内流动状态；

（6）利用回压阀调节活塞筒与环道内的压力，适用于多工况流动实验；

（7）实验装置设有高压柱塞泵、恒温箱，适用于高温高压实验；

（8）环道阀门均采用球阀，实验时处于全开状态，对溶气原油无剪切作用；

（9）实验装置具有无需拆卸，操作灵活方便，流程简单，成本低，功能性强的特点。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为电动四通球阀状态A的结构示意图。

图3为电动四通球阀状态B的结构示意图。

图4为玻璃观察管段二结构示意图。

图5为无泵驱动状态C流程图。

图6为无泵驱动状态D流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来详细说明本发明。以下内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定为本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代， 都应当视为属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明包括电动四通球阀一1、球阀一2、第一活塞筒3、球阀二4、单向阀5、高压柱塞泵6、球阀三7、球阀四8、第二活塞筒9、球阀五10、电动四通球阀二11、回压阀一12、玻璃观察管段一13、回压阀二14、球阀六15、差压传感器16、球阀七17、玻璃观察管段二18、高速显微摄像仪三19、高速显微摄像仪二20、激光片光源一21、摄像机22、高速显微摄像仪一23、激光片光源二24、石英玻璃方管25、石英玻璃直管26、90度石英玻璃弯管27以及整个装置外部的恒温箱28。第一活塞筒3内设有活塞一，第二活塞筒9内设有活塞二，均可自由移动，其下部为水，上部为溶气原油。高压柱塞泵6两端与电动四通球阀二11相连接，继而与活塞筒3、9下部相连，其间设有球阀二4和球阀五10。活塞筒3、9上部设有球阀一2和球阀三7，均与电动四通球阀一1相连，活塞筒9上部还设有球阀四8，用于放空泄压。环道注入端、输出端分别与电动四通球阀一1另外两端相连，同时环道注入端、输出端分别设有回压阀一12、回压阀二14，用于调节维持环道压力。环道沿线设有4个压力传感器，2个温度传感器，前端设有玻璃观察管段一13，末端设有玻璃观察管段二18，差压变送器16用于测量流体通过的压降。激光片光源一21、激光片光源二24提供光源，摄像机22拍摄管流内气泡演变过程，高速显微摄像仪一23、高速显微摄像仪二20拍摄管流纵截面，高速显微摄像仪三19拍摄管流横截面。流动稳定后，可对不同纵截面、横截面拍摄图片并利用加权重构技术对管道内流动状态进行三维仿真，实现流动定量化。外围虚线为恒温箱28，整个环道系统位于恒温箱28内，用于控制系统温度。

如图2所示，为电动四通球阀状态A结构示意图。状态A为电动四通球阀某一时刻运行状态，左侧管线与下部管线相连，右侧管线与上部管线相连。

如图3所示，为电动四通球阀状态B结构示意图。当电动四通球阀接收到转换信号时，其由状态A转换为状态B，左侧管线与上部管线相连，右侧管线与下部管线相连，从而实现管线之间连接的转换。

如图4所示，为玻璃观察管段二结构示意图。石英玻璃直管26外部设有石英玻璃方管25，石英玻璃方管25与石英玻璃直管26之间盛有甘油，甘油与石英玻璃折射率相似，削弱反射、折射作用对拍摄图像的失真影响。石英玻璃直管26正前方设有高速显微摄像一23，正后方设有激光片光源一21，正上方设有高速显微摄像二20，正下方设有激光片光源二24，用于拍摄管道水平、垂直纵截面气泡粒径分布。石英玻璃直管26与90度石英玻璃弯管27相连接，外部设有高速显微摄像三19，沿流体流动方向设置，正对管道横截面，用于拍摄管道横截面气泡粒径分布。玻璃直管26正前方设有一台摄像机22，用于拍摄管流内气泡演变过程。

如图5所示，为无泵驱动状态C流程图。此状态下第二活塞筒9底部管线通过球阀10与电动四通阀二11连接，继而与高压柱塞泵6的入口端相连，其出口端则通过电动四通球阀二11、球阀4与第一活塞筒3相连，电动四通球阀二11处于状态A。第一活塞筒3上部管线通过球阀2、电动四通阀一1与环道注入端相连，第二活塞筒9上部管线通过球阀7、电动四通球阀一1与环道输出端相连，电动四通球阀一1处于状态B。此状态下第一活塞筒3作为溶气原油注入器，与环道注入端相连，其内的活塞一向上移动，第二活塞筒9作为溶气原油接收器，与环道输出端相连，其内的活塞二向下移动。活塞驱动力源于高压柱塞泵6，其入口端与活塞筒9下部管线相连，出口端与活塞筒3下部管线相连，将第二活塞筒9下部的水泵入第一活塞筒3下部，从而对系统进行加压驱动。

如图6所示，为无泵驱动状态D流程图。在图5状态C下，第一活塞筒3内的活塞一移动到达顶部，第二活塞筒9内活塞二移动到达底部时，电动四通球阀1、11接收到转换信号，图5状态C转换到图6状态D。状态D下第一活塞筒3底部管线通过球阀4与电动四通球阀二11连接，继而与高压柱塞泵6的入口端相连，其出口端则通过电动四通球阀二11、球阀10与第二活塞筒9相连。第二活塞筒9上部管线通过球阀7、电动四通阀一1与环道注入端相连，第一活塞筒3上部管线通过球阀2、电动四通球阀一1与环道输出端相连。此状态下第二活塞筒9作为溶气原油注入器，与环道注入端相连，其内活塞二向上移动，第一活塞筒3作为溶气原油接收器，与环道输出端相连，其内活塞一向下移动。活塞驱动力源于高压柱塞泵6，其入口端与第一活塞筒3下部管线相连，出口端与第二活塞筒9下部管线相连，将第一活塞筒3下部的水泵入第二活塞筒9下部，从而对系统进行加压驱动。

图5状态C转换为图6状态D过程中，环道注入端均为上侧管线，接收端均为下侧管线，即环道内流体的流向保持不变。单向阀5仅允许流体从高压柱塞泵6入口端流向出口端，且仅当泵入口端压力大于出口端，有流体通过瞬间平衡压力，保证高压柱塞泵6的正常运行。

如图1所示，环道注入端与回压阀一12相连，用于调节维持注入器内压力，相邻设有压力传感器P₁、温度传感器T₁，环道沿线设有压力传感器P₂、P₃、差压传感器16，环道尾端设有压力传感器P₄、温度传感器T₂及回压阀二14，其中回压阀二14用于调节维持环道压力。

本发明的工作过程如下：

制备溶气原油，将其转移至第一活塞筒3、第二活塞筒9内，设置回压阀一12、回压阀二14的压力设定值，采用排气法通过球阀四8使溶气原油充满环道排出环道内原有气体。设置电动四通球阀触动频率，打开高压柱塞泵，将第二活塞筒9下部的水泵入第一活塞筒3下部，推动第一活塞筒3内活塞一向上运动，即第一活塞筒3作为注入器，第二活塞筒9作为接收器，从而驱动溶气原油注入环道，第二活塞筒9内的活塞二向下运动接收来油。当第一活塞筒3内活塞一到达顶部，第二活塞筒9内活塞二到达底部时，电动四通球阀一1、电动四通阀二11被触动进行90度转换，使第二活塞筒9转换为注入器，第一活塞筒3转换为接收器，溶气原油重新从环道注入端注入流动。如此循环，即可实现流体在环道内的循环流动。

综上，通过本发明进行流体环道实验，系统实现了流体的无泵循环流动，避免了泵对流体的剪切破坏作用，利用高速显微摄像技术与玻璃弯管实现了管流状态下管道横截面、纵截面的气泡粒径分布测量以及流动状态演变的显微可视化，同时活塞筒与环道压力可调，适用于多工况流动实验，设置高压柱塞泵、恒温箱，环道适用于高温高压环境，装置具有无需拆卸，操作灵活方便，流程简单，成本低，功能性强等特点。

Claims (10)

1.一种用于溶气原油测试的环道实验装置，其特征在于，包括一个环道、两个活塞筒、两个电动四通球阀和一个高压柱塞泵，所述环道为一贯通的管路，其两端开口分别与两个活塞筒的一端相连接；所述活塞筒内设有可自由移动的活塞，将活塞筒分隔为两个互不连通的隔室；所述两个活塞筒的第一隔室通过电动四通球阀一分别与环道的两端连接构成一封闭的系统；所述两个活塞筒的第二隔室通过电动四通球阀二分别与高压柱塞泵两端相连；所述环道和两个活塞筒的第一隔室内为溶气原油，所述两个活塞筒的第二隔室内为水。

2.根据权利要求1所述的环道实验装置，其特征在于：所述环道初始端设有玻璃观察管段一，末端设有玻璃观察管段二，用于观测管道横截面、纵截面的气泡粒径分布。

3.根据权利要求2所述的环道实验装置，其特征在于：所述玻璃观察管段二与一个90度玻璃弯管相连接，所述玻璃观察管段二侧向的正前方设有高速显微摄像一，正后方设有激光片光源一，正上方设有高速显微摄像二，正下方设有激光片光源二；所述90度玻璃弯管外部设有高速显微摄像三，沿流体流动方向设置，正对于管道横截面；所述玻璃观察管段二侧向的正前方设有一台摄像机，用于拍摄流体流动状态。

4.根据权利要求2或3所述的环道实验装置，其特征在于：所述玻璃观察管段二由石英玻璃直管与石英玻璃方管组成，石英玻璃直管外部设有长方体形石英玻璃方管，长方体形玻璃方管与石英玻璃直管之间盛有甘油。

5.根据权利要求1所述的环道实验装置，其特征在于：所述活塞筒的两端都设有球阀。

6.根据权利要求1所述的环道实验装置，其特征在于：所述活塞筒的第一隔室端还设有排气阀。

7.根据权利要求1所述的环道实验装置，其特征在于：所述环道沿线设有多个压力传感器和多个温度传感器。

8.根据权利要求1所述的环道实验装置，其特征在于：所述环道两端均设有回压阀，用于调节和维持活塞筒与环道的压力。

9.根据权利要求1所述的环道实验装置，其特征在于：所述环道中还设有差压变送器，用于测量流体通过的压降。

10.根据权利要求1所述的环道实验装置，其特征在于外围还设有恒温箱，用于控制系统温度。