CN106932185B - 一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统及方法，其特征在于：其包括气相供给系统、液相供给系统、在线定量加砂系统、段塞捕集器测试系统以及数据采集系统；在线定量加砂系统设置在主管路上，主管路前端分别与气相供给系统和液相供给系统相连，主管路后端与段塞捕集器测试系统相连；气相供给系统、液相供给系统和在线定量加砂系统内的气液固三种介质在主管路后端汇集形成气液固三相流，气液固三相流进入段塞捕集器测试系统进行分离，并由数据采集系统对分离过程中的相关参数进行采集并处理，实现对段塞捕集器分离效果进行全面评价并优化。本发明可以广泛应用于对段塞捕集器砂砾分离效果的性能测试及对段塞捕集器的优化设计中。

Description

一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统及方法

技术领域

本发明涉及油气集输系统多相分离技术领域，特别是关于一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统及方法。

背景技术

段塞捕集器是一种可以提供缓冲容积，收集段塞来液，并进行气液分离的设备，在油气田生产中得到广泛应用。采气过程中，由于地形起伏或凝析液析出会产生段塞流，需在段塞捕集器内进行初步气液分离。然而，随着气田的开发，部分气田陆续有出砂现象出现。产出的砂经过管道，段塞捕集器，运送至整个生产系统，对生产工艺体系及生产设备产生了严重的影响，如管道及设备的冲蚀、腐蚀，污水处理系统处理效果差等。因此，使砂砾在段塞捕集器中沉积，增强段塞捕集器对砂砾的分离性能，减少随液相流出的砂砾，确定合理的清砂周期，对于保障油田安全生产，降低成本具有重要的意义。

传统段塞捕集器主要应用于陆上油田，砂在段塞捕集器中沉积，可以定期进行清砂、排砂，清砂周期及砂的堆积状态对设备运行的影响不是很大。但在海洋平台上，受空间所限，需要分离设备占地面积小，这对段塞捕集器除砂提出了更高的要求。中国专利名称为油气混输段塞流捕集器(申请号CN200820173799.4)公开了一种油气混输段塞流捕集器，其优点是解决了混输管线段塞流对生产的影响，降低了工程造价，但是没有足够考虑来流的状况，段塞流时，巨大的段塞流能量会对分离场产生很大的扰动，影响气液分离效率。中国专利名称为一种容器式段塞流捕集器系统(申请号CN201320118057.2)公开了一种容器式段塞流捕集器系统，该发明可以减少段塞流对气液和油水分离的影响，并极大减少段塞捕集器的尺寸。但上述专利均未考虑段塞捕集器对砂砾的分离性能。中国专利名为一种多相旋流除砂装置与除砂方法(申请公布号：CN 104060977A)公开了一种多相旋流除砂装置及多相旋流除砂方法，除砂效率高，消除了气相对旋流除砂器稳定运行的扰动。该专利公开了除砂设备及除砂方法，但未能给出设备除砂效果的评价指标和评价方法。而在实际生产中，砂在段塞捕集器中的沉积规律以及段塞捕集器对砂的分离效果，是决定段塞捕集器清砂周期的重要因素，这也会对海洋平台上分离系统的正常运行产生巨大影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统及方法，研究砂砾在段塞捕集器中的沉积规律，根据沉积规律确定清砂周期；测试段塞捕集器对砂砾的分离性能，并给出定量评价指标；同时，对段塞捕集器内部结构、运行参数进行优化，为分离设备的优化设计和高效运行提供依据。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统，其特征在于：其包括气相供给系统、液相供给系统、在线定量加砂系统、段塞捕集器测试系统以及数据采集系统；所述在线定量加砂系统设置在主管路上，所述主管路前端通过三通分别与所述气相供给系统和液相供给系统的输出端相连，所述主管路后端与所述段塞捕集器测试系统相连，且所述主管路后端与所述段塞捕集器测试系统之间还设置有主流量截止球阀和主流量调节阀；所述气相供给系统、液相供给系统和在线定量加砂系统内部的气液固三种介质在所述主管路后端内汇集形成气液固三相流，所述气液固三相流进入所述段塞捕集器测试系统进行气液固相分离，并由所述数据采集系统对分离过程中的相关参数进行采集并处理，实现对段塞捕集器分离效果进行全面评价并优化。

所述气相供给系统包括空气压缩机、带有压力表和泄压阀的缓冲罐、气相截止球阀、流量调节阀以及涡街流量计；所述空气压缩机与所述缓冲罐的入口端相连，所述缓冲罐的出口端与供气管路一端相连，所述供气管路另一端与所述主管路前端相连；所述气相截断球阀、流量调节阀以及涡街流量计依次设置在所述供气管路上，且所述气相截断球阀用于切断或开启所述缓冲罐与所述供气管路的气体；所述流量调节阀用于调节所述供气管路内的气体流量，所述涡街流量计用于测量所述供气管路内的气体流量。

所述液相供给系统包括水罐、离心泵、液相截止球阀、止回阀、液固流量调节阀、第一阀门、电磁流量计、第二阀门以及调节阀；所述水罐底部的出口端与所述离心泵的入口端相连，且二者之间设置所述液相截止球阀；所述离心泵的出口端通过所述止回阀与供水管路的一端相连，所述供水管路的另一端与所述主管路前端相连；所述液固流量调节阀、第一阀门、电磁流量计、第二阀门依次设置在所述供水管路上，且所述第一阀门、电磁流量计、第二阀门及其之间的供水管路构成液相计量主管路；所述第一阀门前端和第二阀门后端还设置有一旁通管路，所述旁通管路上设置所述调节阀。

所述在线定量加砂系统包括有机玻璃管、注砂口、封头、出砂口、底盘、连杆、电机和变频器；所述有机玻璃管上部呈圆柱形，侧壁上设置有一与所述有机玻璃管内部连通的所述注砂口，且所述有机玻璃管顶端与所述注砂口顶端均设置有一所述封头；所述有机玻璃管下部为呈锥形的所述出砂口，所述有机玻璃管下部通过所述出砂口外壁设置的螺纹与所述主管路连接；所述有机玻璃管内上部与下部锥形结构连接处设置所述底盘，所述底盘直径与所述有机玻璃管内径相匹配，且所述底盘上还开设有一圆孔；所述底盘上方设置所述连杆，所述连杆插设在所述有机玻璃管内，所述连杆下端的圆盘位于所述底盘上方，且所述圆盘上设置有一与所述底盘圆孔相匹配的另一圆孔，所述连杆上端与所述电机相连，所述电机由所述变频器驱动。

所述段塞捕集器测试系统包括段塞捕集器、进料管、入口旋流器、气相输出管、气体捕雾器、液相输出管、液相出口控制阀、沉降罐、排砂装置以及若干堰板；所述段塞捕集器的壳体前端设置通入壳体内腔的所述进料管，所述进料管一端与所述主管路后端相连，所述进料管另一端与壳体内腔入口端内嵌的所述入口旋流器相连；所述段塞捕集器壳体后端顶壁上设置有气相出口，所述气相出口内插设与段塞捕集器壳体内腔连通的所述气相输出管；所述气相输出管一端与设置在所述段塞捕集器壳体内腔的所述气体捕雾器相连，另一端与所述数据采集系统相连；所述段塞捕集器壳体后端底壁上设置有液相出口，所述液相出口内插设与所述段塞捕集器壳体内腔连通的所述液相输出管，所述液相输出管另一端通过所述液相出口控制阀与所述沉降罐下端相连；所述段塞捕集器壳体底部设置有排砂口，所述排砂口与所述排砂装置连通；所述排砂口与所述液相出口之间的所述段塞捕集器壳体内腔壁上设置所述若干位置可调的不同高度的堰板。

数据采集系统包括压力变送器、差压变送器、马尔文激光粒度仪和计算机；所述压力变送器设置在所述段塞捕集器测试系统的进料管上，用于实时检测所述进料管上的压力信号，并发送到所述计算机；所述差压变送器设置在所述段塞捕集器测试系统的所述气相输出管上，用于实时检测所述气相输出管上的差压信号，并发送到所述计算机；所述马尔文激光粒度仪与所述气相输出管的输出端相连，用于实时检测所述气相出口的砂砾粒径，并发送到所述计算机；所述计算机根据接收到的各数据进行数据处理。

一种基于所述系统的段塞捕集器砂沉积及分离性能测试方法，其特征在于包括以下步骤：1)采用马尔文激光粒度仪湿法测量实验用石英砂的粒径，得到其粒径分布；2)对在线定量加砂系统进行标定，得到电机转速与加砂速度之间的定量关系；3)在段塞捕集器壳体内部加水，使液位高度达到段塞捕集器的安全液位；4)根据实验要求，确定水利条件，包括气相流量、液相流量、加砂速度以及主管路流量；5)启动气相供给系统，气相经缓冲罐进入供气管路，打开气相截止球阀，调节供气管路上的流量调节阀，并观察涡街流量计使得供气管路内气相流量为Q_g；6)启动液相供给系统，并打开液相截止球阀，液相经离心泵进入供水管路，调节供水管路上的液固流量调节阀，并观察电磁流量计使得供水管路内液相流量为Q_l；7)启动在线定量加砂系统，根据加砂速度调节电机转速，使得石英砂与气液相混合，在主管路中形成稳定的气液固三相流；8)打开主流量截止阀，采集段塞捕集器入口压力P_in及出口压力P_out，并发送到计算机；9)根据实验要求调节主流量调节阀，使得气液固三相流进入段塞捕集器测试系统进行分离；10)当段塞捕集器内堰板后的砂床前端到达液相出口处时，关闭气相供给系统、液相供给系统和在线定量加砂系统；11)待段塞捕集器及沉降罐内的流体不再发生沉降时，分别称量段塞捕集器内堰板前后以及随液相流出至沉降罐内的砂沉积量和粒径分布；12)建立段塞捕集器砂砾分离评价指标体系，根据得到的相关数据，计算得到该段塞捕集器在该水利条件下的砂砾分离性能；13)改变段塞捕集器内堰板的高度及位置，并重复步骤5)～12)，根据实验结果得到堰板高度及位置与段塞捕集器内积砂量的关系，进而确定合理的清砂周期或根据清砂周期确定堰板的最优高度及位置。

所述步骤12)中，建立的段塞捕集器砂砾分离评价指标体系包括质量分离效率、分级效率、临界粒径、压降和堆积倾角。

各评价指标的具体计算公式为：

①质量分离效率的表达式为：

式中：m_s、m_in分别为捕获砂砾和入口砂砾的总质量；

②分级效率的表达式为：

式中：m_s(d_i)、m_in(d_i)分别为段塞捕集器内部沉积和入口处直径为d_i的砂子的总质量，G(d_i)指粒度为d_i的砂子的分离效率，d_i指样砂的任一粒度；

③分离临界粒径：是指分级效率G(d_i)为90％时对应的砂砾粒径d_i；

④压降的表达式为：

ΔP＝P_in-P_out，

式中：P_in、P_out分别代表进段塞流捕集器进、出口压力值；

⑤堆积倾角：是指砂砾在段塞捕集器内沉积及迁移形成固定砂床时，当砂床斜坡与水平面达到一定角度时，斜坡上的固体颗粒就不再滑动，沉积至静止砂床，这一角度定义为堆积倾角φ。

所述步骤13)中，堰板高度及位置与段塞捕集器内积砂量的关系为：

式中，M为段塞捕集器内堆积砂量，L为堰板距离，H为堰板高度；

根据积砂量M即得到清砂周期为：

式中，T为清砂周期；η为折算系数；Q_l为液相流量；c为液相含砂浓度，ρ为颗粒密度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1)本发明给出了段塞捕集器砂分离效果的评价指标，包括质量分离效率、粒级分离效率、压降和临界粒径、清砂周期等，对段塞捕集器砂砾分离效果进行全面评价。2)本发明通过研究砂砾在段塞捕集器中的沉积规律，给出段塞捕集器内沉砂质量与堰板高度及位置的关系，并给出清砂周期的确定方式，对指导现场生产具有重大意义。3)本发明由于在线定量加砂系统中连杆下端与有机玻璃管内底盘有互相匹配的圆孔，通过电机驱动连杆，周期性的重合实现了在线、定量、步进式加砂。4)本发明由于在段塞捕集器入口处设置内嵌式旋流器，实现气液固三相的预分离，与外部旋流器相比，更有利于气相中固相及液相的分离。5)本发明由于在段塞捕集器内部增加堰板，堰板前及堰板间的空间为气液固分离提供了缓冲容积，同时起到阻止砂床随液相进一步推移的作用，显著的提高了段塞捕集器的除砂效果。6)本发明中由于段塞捕集器内部的堰板位置和高度在一定范围内可调，可测试堰板高度对捕集器分离效果的影响，并通过测试结果得到最优的堰板高度及位置，以实现最优的分离效果。本发明可以广泛应用于对段塞捕集器砂砾分离效果的性能测试及对段塞捕集器的优化设计中。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明在线加砂系统主视图；

图3为本发明中在线加砂系统底盘结构示意图；

图4为本发明入口旋流器结构示意图，其中，图4(a)为主视图，图4(b)为俯视图；

图5为本发明堆积倾角示意图；

图6为本发明段塞捕集器积砂固定砂床示意图；

图7为本发明段塞捕集器内堰板位置与积沙总质量的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统，包括气相供给系统1、液相供给系统2、在线定量加砂系统3、段塞捕集器测试系统4以及数据采集系统5。其中，在线定量加砂系统1设置在主管路6上，主管路6前端通过三通分别与气相供给系统1和液相供给系统2的输出端相连，主管路6后端与段塞捕集器测试系统4相连，且主管路6后端与段塞捕集器测试系统4之间还设置有主流量截止球阀7、用于调节主管路流量的主流量调节阀8以及泄放阀9。气相供给系统1、液相供给系统2和在线定量加砂系统3内部的气液固三种介质在主管路6后端内汇集形成三相流，三相流进入段塞捕集器测试系统4进行气液相分离，并由数据采集系统5对分离过程中的相关参数进行采集并处理，实现对段塞捕集器砂砾分离效果进行全面评价并优化。

其中，气相供给系统1包括空气压缩机10、带有压力表(图中未示出)和泄压阀111的缓冲罐11、气相截止球阀12、流量调节阀13以及涡街流量计14。其中，空气压缩机10与缓冲罐11的入口端相连，缓冲罐11的出口端与供气管路15一端相连，供气管路15另一端与主管路6前端相连。供气管路15上依次设置有气相截止球阀12、流量调节阀13以及涡街流量计14，且气相截止球阀12用于切断或开启缓冲罐11与供气管路15的气体，流量调节阀13用于调节供气管路15内的气体流量，涡街流量计14用于测量供气管路15内的气体流量。压力表设置在缓冲罐11顶部，泄压阀111设置在缓冲罐11底部，两者用于保证罐内压力在缓冲罐11的压力承受范围之内。

液相供给系统2包括水罐20、离心泵21、液相截止球阀22、止回阀23、液固流量调节阀24、第一阀门25、电磁流量计26、第二阀门27以及调节阀28。水罐底部20的出口端与离心泵21的入口端相连，且二者之间设置有液相截止阀22，用于切断或开启水罐20与离心泵21之间的流体。离心泵21的出口端通过止回阀23与供水管路29的一端相连，供水管路29的另一端与主管路6前端相连。供水管路29上依次设置有液固流量调节阀24、第一阀门25、电磁流量计26、第二阀门27，且第一阀门25、电磁流量计26、第二阀门27及其之间的供水管路29构成液相计量主管路。第一阀门25前端和第二阀门27后端还设置有一旁通管路，且该旁通管路上设置有调节阀28。其中，第一阀门25、第二阀门27及旁通管路用于电磁流量计26故障或维修时保证流程的正常进行。另外，水罐20底部还设置有一液固排空管路201，其通过三通分别与水罐20的出口端和离心泵21的入口端相连，液固排空管路201上设置有一液固排空阀202。

如图2所示，在线定量加砂系统3包括有机玻璃管30、注砂口31、封头32、出砂口33、底盘34、连杆35、电机36和变频器37。有机玻璃管30上部呈圆柱形，侧壁上设置有一与有机玻璃管30内部连通的注砂口31，且有机玻璃管30顶端与注砂口31顶端均设置有一封头32；有机玻璃管30下部为呈锥形的出砂口33，有机玻璃管30下部通过出砂口33外壁设置的螺纹与主管路6连接。有机玻璃管30内上部与下部锥形结构连接处设置有一底盘34，该底盘34直径与有机玻璃管30内径相匹配，且底盘34上还开设有一圆孔341。底盘34上方设置一连杆35，连杆35插设在有机玻璃管30内，连杆35下端的圆盘351位于底盘34上方，且该圆盘351上设置有一与底盘圆孔341相匹配的圆孔352，连杆35上端与电机36相连，电机36由变频器37驱动。

段塞捕集器测试系统4包括段塞捕集器40、进料管41、入口旋流器42、气相输出管43、气体捕雾器44、液相输出管45、液相出口控制阀46、沉降罐47、排砂装置48以及若干堰板49。段塞捕集器40的壳体前端设置有通入壳体内腔的进料管41，进料管41一端与主管路6后端相连，进料管42另一端与壳体内腔入口端内嵌的入口旋流器42相连。段塞捕集器40壳体后端顶壁上设置有气相出口401，气相出口401内插设有与段塞捕集器40壳体内腔连通的气相输出管43。气相输出管43一端与设置在段塞捕集器40壳体内腔的气体捕雾器44相连，另一端与数据采集系统5相连。段塞捕集器40壳体后端底壁上设置有液相出口402，液相出口402内插设有一与段塞捕集器40壳体内腔连通的液相输出管45，液相输出管45另一端通过一液相出口控制阀与沉降罐47下端相连。段塞捕集器40壳体底部设置有排砂口403，排砂口403与排砂装置48连通。排砂口403与液相出口402之间的段塞捕集器40壳体内腔壁上设置有若干位置可调的不同高度的堰板49。

数据采集系统5包括压力变送器、差压变送器、马尔文激光粒度仪51和计算机52。压力变送器设置在段塞捕集器测试系统4的进料管41上，用于实时检测进料管41上的压力信号，并发送到计算机52。差压变送器设置在段塞捕集器测试系统4的气相输出管43上，用于实时检测气相输出管43上的差压信号，并发送到计算机52。马尔文激光粒度仪51与气相输出管43的输出端相连，用于实时检测气相出口401砂砾粒径，并发送到计算机52。计算机52根据接收到的各数据进行处理。

如图3所示，在线定量加砂系统3中底盘直径为50mm，底盘上开设有直径为10mm的圆孔。

上述各实施例中，段塞捕集器壳体40采用有机玻璃材质制作，本发明所采用的段塞捕集器内径为400mm。

如图4所示，段塞捕集器测试系统4中入口旋流器42的结构与常规的柱状旋风分离器相似。入口旋流器42包括一筒体421，筒体421上部设置有与筒体421内腔连通的入口管422，筒体421上部内部设置有一排气口423，筒体421外侧管壁上还均匀设置有圆孔。根据现有技术中的尺寸转换方法，得到本发明所采用的入口旋流器的尺寸，入口旋流器的尺寸如下表1所示：

表1入口旋流器尺寸表

筒体直径/mm	D'＝143
		筒体高度/mm	H'＝271.5
入口管直径/mm	D<sub>in</sub>＝50
		缓冲空间长度/mm	L＝12.5
排气口直径/mm	D<sub>e</sub>′＝43
		排气口插入深度/mm	S'＝71.5

基于上述段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统，本发明还提供一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试方法，包括以下步骤：

1)采用马尔文激光粒度仪湿法测量实验用石英砂的粒径，得到其粒径分布。

2)对在线定量加砂系统3进行标定，得到电机转速与加砂速度之间的定量关系。

3)在段塞捕集器40壳体内部加水，使液位高度达到段塞捕集器的安全液位。

4)根据实验要求，确定水利条件，包括气相流量、液相流量、加砂速度以及主管路流量。

5)启动气相供给系统1，气相经缓冲罐11进入供气管路15，打开气相截止球阀12，调节供气管路15上的流量调节阀13，并观察涡街流量计14使得供气管路15内气相流量为Q_g。

6)启动液相供给系统2，并打开液相截止阀22，液相经离心泵21进入供水管路29，调节供水管路29上的液固流量调节阀24，并观察电磁流量计26使得供水管路29内液相流量为Q_l。

7)启动在线定量加砂系统3，根据实验要求确定加砂速度，使得石英砂与气液相混合，在主管路6中形成稳定的气液固三相流。

根据确定的加砂速度以及步骤2)中确定的转速与加砂速度之间的定量关系，调节电机转速，由变频器带动电机，通过连杆35转动，使连杆35底部圆盘上351的圆孔352与有机玻璃管30内底盘34上的圆孔341周期性重合，砂砾下漏；通过变频器调节电机的转速，进而调节两圆孔的重合周期，从而实现在线定量、步进式加砂。

8)打开主流量截止阀7，采集段塞捕集器40入口压力P_in(即进料管41上的压力)及出口压力P_out(气相输出管43上的压力)，并发送到计算机52。

9)根据实验要求调节主流量调节阀8，使得气液固三相流进入段塞捕集器测试系统4进行分离。

分离过程中，调节液相出口控制阀46，使得段塞捕集器40内部液位在高液位与低液位之间，采取连续排液的方式，保持段塞捕集器40内部液位不变。在段塞捕集器40内，气液固三相流通过进料管41进入段塞捕集器40，在入口旋流器42处得到初步气液固分离，气相沿段塞捕集器40的上部空间，经气体捕雾器44之后由气相出口进入气相输出管43。液相夹带固相在段塞捕集器40内停留，实现固相的沉降及迁移。堰板49前及堰板49间形成的空间，为气液固分离提供缓冲容积。液相越过堰板49，固相大部分在段塞捕集器40内部沉积。大部分大粒砂砾在堰板49前沉积下来，逐渐形成砂床；较小的砂砾随液相越过堰板49，随液相由液相出口402进入沉降罐47。在沉降罐47内，利用重力沉降原理，进一步分离随液体流出的小粒径砂砾。气相输出管43出口连接的马尔文激光粒度仪51，用于实时监测出口处的砂砾粒径，保证出口处携砂量或携砂粒径小，否则需要在气相出口401处增加措施对颗粒进行处理。

10)随实验进行，当段塞捕集器40内堰板49后的砂床前端到达液相出口402处时，关闭气相供给系统1、液相供给系统2和在线定量加砂系统3。

11)待段塞捕集器40及沉降罐47内的流体不再发生沉降时，分别称量段塞捕集器40内堰板49前后以及随液相流出至沉降罐47内的砂沉积量和粒径分布。

首先，将段塞捕集器40内的液相放出至一容器中，之后观察测量段塞捕集器40内砂砾的堆积倾角，然后打开排砂口403将砂排出进行称量。采用重力沉降、真空抽滤等方式，将排出的液相以及沉降罐47内的液相中砂与水分离，然后将砂砾放入鼓风烘干箱，烘干之后，分别称重并利用马尔文激光粒度仪测量其粒径分布，得到段塞捕集器40堰板49前后以及随液相流出至沉降罐47内的砂沉积量和粒径分布。

12)建立段塞捕集器砂砾分离评价指标体系，根据得到的相关数据，计算得到该段塞捕集器40在该水利条件下的砂砾分离性能。

本发明给出的段塞捕集器砂砾分离性能评价指标包括质量分离效率、分级效率、临界粒径、压降、堆积倾角、堆积质量及清砂周期。下面对各评价指标进行详细介绍。

①质量分离效率

质量分离效率是宏观上评价分离设备的重要指标。在控砂测试段，将段塞捕集器内捕捉的砂砾质量同入口进入砂砾的总质量的比值作为总分离效率，采用η_T表示，表达式如下：

式中：m_s、m_in分别为捕获砂砾和入口砂砾的总质量。

②分级效率

分级效率是指悬浮液多分散性固体颗粒群中各级粒度颗粒的分离效率，常用G(d_i)表示。分级效率考虑了各个粒度的分离情况，更完整地从微观描述实验段的分离性能，表达式如下：

式中：m_s、m_in分别为段塞捕集器内部沉积和入口处直径为d_i的砂子的总质量，G(d_i)指粒度为d_i的砂子的分离效率，d_i指样砂的某一粒度。

③分离临界粒径

分离临界粒径是指分级效率G(d_i)为90％时对应的砂砾粒径d_i。

④压降

压降是描述段塞捕集器内部能量损失的重要指标，压降表达式为：

ΔP＝P_in-P_out (3)

式中：P_in、P_out分别代表进段塞流捕集器进、出口压力值。

⑤堆积倾角

如图5、图6所示，实验证明，砂砾在段塞捕集器内沉积及迁移形成固定砂床时，当砂床斜坡与水平面达到一定角度时，斜坡上的固体颗粒就不再滑动，沉积至静止砂床。这一角度定义为堆积倾角φ。

13)改变段塞捕集器40内堰板49的高度及位置，并重复步骤5)～12)，根据实验结果得到堰板高度及位置与段塞捕集器内积砂量的关系，进而确定合理的清砂周期或根据清砂周期确定堰板的最优高度及位置。

如图7所示，随着堰板高度和距离的增加，段塞捕集器内部积砂总量逐渐增加，且上游砂砾占积砂量的主要部分。段塞捕集器内的积砂量M是关于堰板高度H和距离L的函数，即M＝f(H,L)。根据实验数据，拟合得到段塞捕集器积砂量M的表达式为：

根据上述积砂量M的公式可知，在堰板高度及位置确定的情况下，段塞捕集器内可以容纳的砂砾质量一定。通过现场液相流量及含砂浓度，即可以确定清砂周期或是在清砂周期一定的情况下，确定合理的堰板高度及位置参数。

式中，T为清砂周期；M为段塞捕集器内堆积砂量；η为折算系数；Q_l为液相流量；c为液相含砂浓度，ρ为颗粒密度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统，其特征在于：其包括气相供给系统、液相供给系统、在线定量加砂系统、段塞捕集器测试系统以及数据采集系统；

所述在线定量加砂系统设置在主管路上，所述主管路前端通过三通分别与所述气相供给系统和液相供给系统的输出端相连，所述主管路后端与所述段塞捕集器测试系统相连，且所述主管路后端与所述段塞捕集器测试系统之间还设置有主流量截止球阀和主流量调节阀；所述气相供给系统、液相供给系统和在线定量加砂系统内部的气液固三种介质在所述主管路后端内汇集形成气液固三相流，所述气液固三相流进入所述段塞捕集器测试系统进行气液固相分离，并由所述数据采集系统对分离过程中的相关参数进行采集并处理，实现对段塞捕集器分离效果进行全面评价并优化。

2.如权利要求1所述的一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统，其特征在于：所述气相供给系统包括空气压缩机、带有压力表和泄压阀的缓冲罐、气相截止球阀、流量调节阀以及涡街流量计；

所述空气压缩机与所述缓冲罐的入口端相连，所述缓冲罐的出口端与供气管路一端相连，所述供气管路另一端与所述主管路前端相连；所述气相截止球阀、流量调节阀以及涡街流量计依次设置在所述供气管路上，且所述气相截止球阀用于切断或开启所述缓冲罐与所述供气管路的气体；所述流量调节阀用于调节所述供气管路内的气体流量，所述涡街流量计用于测量所述供气管路内的气体流量。

3.如权利要求1所述的一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统，其特征在于：所述液相供给系统包括水罐、离心泵、液相截止球阀、止回阀、液固流量调节阀、第一阀门、电磁流量计、第二阀门以及调节阀；

所述水罐底部的出口端与所述离心泵的入口端相连，且二者之间设置所述液相截止球阀；所述离心泵的出口端通过所述止回阀与供水管路的一端相连，所述供水管路的另一端与所述主管路前端相连；所述液固流量调节阀、第一阀门、电磁流量计、第二阀门依次设置在所述供水管路上，且所述第一阀门、电磁流量计、第二阀门及其之间的供水管路构成液相计量主管路；所述第一阀门前端和第二阀门后端还设置有一旁通管路，所述旁通管路上设置所述调节阀。

4.如权利要求1所述的一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统，其特征在于：所述在线定量加砂系统包括有机玻璃管、注砂口、封头、出砂口、底盘、连杆、电机和变频器；

所述有机玻璃管上部呈圆柱形，侧壁上设置有一与所述有机玻璃管内部连通的所述注砂口，且所述有机玻璃管顶端与所述注砂口顶端均设置有一所述封头；所述有机玻璃管下部为呈锥形的所述出砂口，所述有机玻璃管下部通过所述出砂口外壁设置的螺纹与所述主管路连接；所述有机玻璃管内上部与下部锥形结构连接处设置所述底盘，所述底盘直径与所述有机玻璃管内径相匹配，且所述底盘上还开设有一圆孔；所述底盘上方设置所述连杆，所述连杆插设在所述有机玻璃管内，所述连杆下端的圆盘位于所述底盘上方，且所述圆盘上设置有一与所述底盘圆孔相匹配的另一圆孔，所述连杆上端与所述电机相连，所述电机由所述变频器驱动。

5.如权利要求1所述的一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统，其特征在于：所述段塞捕集器测试系统包括段塞捕集器、进料管、入口旋流器、气相输出管、气体捕雾器、液相输出管、液相出口控制阀、沉降罐、排砂装置以及若干堰板；

所述段塞捕集器的壳体前端设置通入壳体内腔的所述进料管，所述进料管一端与所述主管路后端相连，所述进料管另一端与壳体内腔入口端内嵌的所述入口旋流器相连；所述段塞捕集器壳体后端顶壁上设置有气相出口，所述气相出口内插设与段塞捕集器壳体内腔连通的所述气相输出管；所述气相输出管一端与设置在所述段塞捕集器壳体内腔的所述气体捕雾器相连，另一端与所述数据采集系统相连；所述段塞捕集器壳体后端底壁上设置有液相出口，所述液相出口内插设与所述段塞捕集器壳体内腔连通的所述液相输出管，所述液相输出管另一端通过所述液相出口控制阀与所述沉降罐下端相连；所述段塞捕集器壳体底部设置有排砂口，所述排砂口与所述排砂装置连通；所述排砂口与所述液相出口之间的所述段塞捕集器壳体内腔壁上设置若干位置可调的不同高度的所述堰板。

6.如权利要求5所述的一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试系统，其特征在于：数据采集系统包括压力变送器、差压变送器、马尔文激光粒度仪和计算机；

所述压力变送器设置在所述段塞捕集器测试系统的进料管上，用于实时检测所述进料管上的压力信号，并发送到所述计算机；所述差压变送器设置在所述段塞捕集器测试系统的所述气相输出管上，用于实时检测所述气相输出管上的差压信号，并发送到所述计算机；所述马尔文激光粒度仪与所述气相输出管的输出端相连，用于实时检测所述气相出口的砂砾粒径，并发送到所述计算机；所述计算机根据接收到的各数据进行数据处理。

7.一种基于如权利要求1～6任一项所述系统的段塞捕集器砂沉积及分离性能测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用马尔文激光粒度仪湿法测量实验用石英砂的粒径，得到其粒径分布；

2)对在线定量加砂系统进行标定，得到电机转速与加砂速度之间的定量关系；

3)在段塞捕集器壳体内部加水，使液位高度达到段塞捕集器的安全液位；

4)根据实验要求，确定水利条件，包括气相流量、液相流量、加砂速度以及主管路流量；

5)启动气相供给系统，气相经缓冲罐进入供气管路，打开气相截止球阀，调节供气管路上的流量调节阀，并观察涡街流量计使得供气管路内气相流量为Q_g；

6)启动液相供给系统，并打开液相截止球阀，液相经离心泵进入供水管路，调节供水管路上的液固流量调节阀，并观察电磁流量计使得供水管路内液相流量为Q_l；

7)启动在线定量加砂系统，根据加砂速度调节电机转速，使得石英砂与气液相混合，在主管路中形成稳定的气液固三相流；

8)打开主流量截止阀，采集段塞捕集器入口压力P_in及出口压力P_out，并发送到计算机；

9)根据实验要求调节主流量调节阀，使得气液固三相流进入段塞捕集器测试系统进行分离；

10)当段塞捕集器内堰板后的砂床前端到达液相出口处时，关闭气相供给系统、液相供给系统和在线定量加砂系统；

11)待段塞捕集器及沉降罐内的流体不再发生沉降时，分别称量段塞捕集器内堰板前后以及随液相流出至沉降罐内的砂沉积量和粒径分布；

12)建立段塞捕集器砂砾分离评价指标体系，根据得到的相关数据，计算得到该段塞捕集器在该水利条件下的砂砾分离性能；

13)改变段塞捕集器内堰板的高度及位置，并重复步骤5)～12)，根据实验结果得到堰板高度及位置与段塞捕集器内积砂量的关系，进而确定合理的清砂周期或根据清砂周期确定堰板的最优高度及位置。

8.如权利要求7所述的一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试方法，其特征在于：所述步骤12)中，建立的段塞捕集器砂砾分离评价指标体系包括质量分离效率、分级效率、临界粒径、压降和堆积倾角。

9.如权利要求8所述的一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试方法，其特征在于：各评价指标的具体计算公式为：

①质量分离效率的表达式为：

式中：m_s、m_in分别为捕获砂砾和入口砂砾的总质量；

②分级效率的表达式为：

式中：m_s(d_i)、m_in(d_i)分别为段塞捕集器内部沉积和入口处直径为d_i的砂子的总质量，G(d_i)指粒度为d_i的砂子的分离效率，d_i指样砂的任一粒度；

③分离临界粒径：是指分级效率G(d_i)为90％时对应的砂砾粒径d_i；

④压降的表达式为：

△P＝P_in-P_out，

式中：P_in、P_out分别代表进段塞流捕集器进、出口压力值；

⑤堆积倾角：是指砂砾在段塞捕集器内沉积及迁移形成固定砂床时，当砂床斜坡与水平面达到一定角度时，斜坡上的固体颗粒就不再滑动，沉积至静止砂床，这一角度定义为堆积倾角φ。

10.如权利要求7所述的一种段塞捕集器砂沉积及分离性能测试方法，其特征在于：所述步骤13)中，堰板高度及位置与段塞捕集器内积砂量的关系为：

式中，M为段塞捕集器内堆积砂量，L为堰板距离，H为堰板高度；

根据积砂量M即得到清砂周期为：

式中，T为清砂周期；η为折算系数；Q_l为液相流量；c为液相含砂浓度，ρ为颗粒密度。