CN107781156A - 水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及一种水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统及方法包括地下模拟井筒、水箱、空气压缩机、离心泵、数据处理系统和数据采集系统。本发明的水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统及方法可实现水合物开采过程中，气体对离心泵性能影响的测试。此系统建立地下模拟井筒，向井筒注入一定含气比例的水，可以模拟水合物开采过程中井筒中气水两相流动状态，模拟离心泵在不同含气比例的下的特性曲线，分析气体对离心泵性能的影响，为水合物开采人工举升泵的测试提供新的方法。

Description

水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统及方法
技术领域
本发明涉及海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及一种水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统及方法。
背景技术
天然气水合物是一种潜在的能源，其具有分布范围广，资源量巨大，能量密度高的特点。天然气水合物的开采是目前能源研究的热点，我国于2017年成功进行了首次的海域天然气水合物的试采，本次试采稳产60天，累积产气量超过30万立方米。
人工举升是天然气水合物开采过程中的重要环节，目前水合物试采最常用的人工举升方式是电潜离心泵。反映离心泵性能的是其特性曲线，即泵的扬程、排量、效率随流量的曲线。在人工举升设计中，需要根据预测的产气量和产水量，储层深度等数据选择合适性能的离心泵，以确保人工举升的效率，延长泵的使用寿命。然而，开采过程中水合物的分解会产生甲烷和水，其中甲烷气体对离心泵的性能具有较大影响：当离心泵举升的液体中含有气体时，泵的扬程、效率均下降，且含气量越大，影响越大；气体的存在使得离心泵产生水力脉动，影响径向的力平衡使泵轴承超载，影响泵的寿命。一般离心泵要求的最大含气量不超过5％，当含气量达到15％时则可能出现断流。因此，离心泵的入口前通常安装气体分离器，但气体分离器的分离效率不可能达到100％，必定会有一定含量的气体进入到离心泵中，对泵的性能产生影响。因此，为确保人工举升的成功，延长泵的使用寿命，必须要确定水合物开采中气体对离心泵性能的影响程度。
研究气体对离心泵性能的影响，为离心泵参数设计和气体分离器的设计提供依据，开展气体对离心泵性能影响的模拟实验是解决上述问题的有效手段之一。“井下气液混输泵试验台架设计及试验(赵新学,李增亮.石油机械,2007,35(4):1-4.)”一文公开了一种井下气液混输泵的试验台，开展了气液混输条件下泵的特性试验，得到了不同含气量条件下的泵的特性曲线。但该试验台是将气液通过气液混合器混合后利用管路直接连接到泵的吸入口，其模拟的环境与井下离心泵工作的状况具有一定差别，模拟结果能否反映气体对离心泵实际工作时性能的影响仍有待进一步研究。
因此，为满足水合物开采人工举升设计的需求，研究实际工作状况下气体对离心泵性能的影响，本发明公开一种能模拟离心泵真实工作的井筒环境和流体环境、进行离心泵气液两相流举升实验的测试装置及气体对离心泵性能影响的测试方法。
发明内容
本发明针对由于当前试验装置模拟的环境与井下离心泵工作的状况具有一定差别，导致模拟结果不能够真实反映离心泵实际工作性能的问题，提出一种能模拟离心泵真实工作的井筒环境和流体环境、进行离心泵气液两相流举升实验的测试装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统，包括地下模拟井筒、水箱、空气压缩机、离心泵、数据处理系统和数据采集系统；其中，水箱和空气压缩机位于地面；所述水箱通过水注入管线通向地下模拟井筒中，所述水注入管线上设置有第一管道泵、第一流量计和第一球阀；所述空气压缩机通过气注入管线通向地下模拟井筒中，所述气注入管线上设置有第二流量计和第二球阀；所述地下模拟井筒的底部设置有离心泵，离心泵的出口通过油管连接到水箱，所述油管上设置有第三流量计和第二管道泵；
所述数据采集系统包括控制器、第一压力计、第二压力计、功率计和转速表，所述第一压力计设置在离心泵的入口处，所述第二压力计设置在离心泵的出口处，功率计和转速表分别安装在离心泵的电机上；所述第一压力计、第二压力计、功率计和转速表分别与控制器电连接，所述控制器与数据处理系统电连接。
进一步地，所述气注入管线上靠近空气压缩机的位置设置有储气罐。
进一步地，所述油管上设置有减压阀。
进一步地，所述离心泵设置在地下模拟井筒中的位置高于水注入管线出口和气注入管线出口。
进一步地，所述气注入管线出口的位置低于水注入管线出口的位置。
进一步地，所述数据处理系统为PC机。
本发明的另一个目的还在于提供一种水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试方法，包括以下步骤：
S1.向水箱内注满水，调节水以固定流速向地下模拟井筒中注满水，并记录水的注入量；
S2.开启空气压缩机以固定流速向地下模拟井筒中注入气，并记录气的注入量；
S3.开启离心泵将地下模拟井筒中的气水混合物举升到水箱中，同时采集离心泵入口和出口处的压力、泵电机功率、泵转速和泵流量，并对采集到的数据进行处理，实时计算泵的扬程、效率和功率；
S4.调节离心泵的排量，变换多个工况，重复采集数据并处理计算，绘制泵特性曲线；
S5.调节气的注入量，重复上述步骤，测试得到不同含气量下的泵特性曲线，分析含气量对泵性能的影响。
进一步地，所述步骤S2中，气的注入量小于水注入量的15％。
本发明的水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统及方法可实现水合物开采过程中，气体对离心泵性能影响的测试。此系统建立地下模拟井筒，向井筒注入一定含气比例的水，可以模拟水合物开采过程中井筒中气水两相流动状态，模拟离心泵在不同含气比例的下的特性曲线，分析气体对离心泵性能的影响，为水合物开采人工举升泵的测试提供新的方法。
附图说明
图1为本发明的系统的结构组成示意图；
图2为本发明的模块连接示意图；
上述图中：1-地下模拟井筒；2-水箱；3-第一管道泵；4-第一流量计；5-第一球阀；6-水注入管线；7-空气压缩机；8-储气罐；9-第二流量计；10-第二球阀；11-气注入管线；12-离心泵；13-油管；14-减压阀；15-第三流量计；16-第二管道泵；17-数据处理系统；18-数据采集系统；19-控制器；20-第一压力计；21-第二压力计；22-功率计；23-转速表。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
实施例1提供一种水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统，如图1所示，包括地下模拟井筒1、水箱2、空气压缩机7、离心泵12、数据处理系统17和数据采集系统18。其中，地下模拟井筒1深200米，水箱2和空气压缩机7位于地面。
所述水箱2通过水注入管线6通向地下模拟井筒1中，所述水注入管线6上设置有第一管道泵3、第一流量计4和第一球阀5；其中，第一管道泵3用于将水注入到模拟井筒1内，第一流量计4用于计量水的注入量，第一球阀5用于调节水的注入量。
所述空气压缩机7通过气注入管线11通向地下模拟井筒1中，所述气注入管线11上设置有储气罐8、第二流量计9和第二球阀10；其中，储气罐8的设置是为了起到缓冲的作用，第二流量计9用于计量气的注入量，第二球阀10用于调节气的注入量。
所述地下模拟井筒1的底部设置有离心泵12，在地下模拟井筒1中，气注入管线11的出口低于水注入管线6的出口，这样能够保证气液的混合效果。离心泵12设置的位置高于水水注入管线6的出口和气注入管线11的出口，这样才能保证离心泵12举升的是混合好后的气水混合物。
离心泵12的出口通过油管13连接到水箱2，所述油管13上设置有第三流量计15、第二管道泵16和减压阀14；其中，第三流量计15用于计量气水混合物的流出量，第二管道泵16用于调节气水混合物的流出量，减压阀14起到缓冲的作用。
如图2所示，所述数据采集系统18包括控制器19、第一压力计20、第二压力计21、功率计22和转速表23，所述第一压力计20设置在离心泵12的入口处，用于采集离心泵12入口处的压力；所述二压力计21设置在离心泵12的出口处，用于采集离心泵12出口处的压力；功率计22和转速表23分别安装在离心泵12的电机上，功率计22用于采集离心泵电机的功率，转速表23用于采集离心泵电机的转速；所述第一压力计20、第二压力计21、功率计22和转速表23分别与控制器19电连接，所述控制器19与数据处理系统17电连接，其中，数据处理系统17为PC机。
本实施例的测试系统可实现水合物开采过程中，气体对离心泵性能影响的测试。此系统建立地下模拟井筒，向井筒注入一定含气比例的水，可以模拟水合物开采过程中井筒中气水两相流动状态，模拟离心泵在不同含气比例的下的特性曲线，分析气体对离心泵性能的影响，为水合物开采人工举升泵的测试提供新的方法。
实施例2
对应实施例1的装置，实施例2提供一种水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.向水箱内注满水，调节水以固定流速向地下模拟井筒中注满水，并记录水的注入量；
具体为：向水箱内2内注满水，开启第一管道泵3，调节第一球阀5以固定流速向地下模拟井筒1中注满水，记录第一流量计4计量的水的注入量；
S2.开启空气压缩机以固定流速向地下模拟井筒中注入气，并记录气的注入量；
具体为：开启空气压缩机7和第二球阀10以固定流速向地下模拟井筒1中注入气，记录第二流量计9计量的气的注入量；其中，气的注入量小于水注入量的15％；
S3.开启离心泵将地下模拟井筒中的气水混合物举升到水箱中，同时采集离心泵入口和出口处的压力、泵电机功率、泵转速和泵流量，并对采集到的数据进行处理，实时计算泵的扬程、效率和功率；
具体为：开启离心泵12将地下模拟井筒1内的气水混合液举升到地面，通过减压阀14后，气水混合液通过第二管道泵16重新返回到水箱2中；同时，数据采集系统18实时采集离心泵12入口和出口处的压力、泵电机功率、泵转速，通过第三流量计15离心泵12的流量，数据处理系统17对采集的数据进行处理，实时计算泵的扬程、效率、功率；
S4.调节离心泵的排量，变换多个工况，重复采集数据并处理计算，绘制泵特性曲线；
S5.调节气的注入量，重复上述步骤，测试得到不同含气量下的泵特性曲线，分析含气量对泵性能的影响。
具体为：调节空气压缩机7和第二球阀10，改变气的注入量，模拟水合物开采过程中离心泵吸入的不同含气比例的液体，重复以上步骤，测试得到不同含气量下的泵特性曲线，分析含气量对泵性能的影响。
本实施例的测试方法可实现水合物开采过程中，气体对离心泵性能影响的测试。通过向井筒注入一定含气比例的水，可以模拟水合物开采过程中井筒中气水两相流动状态，模拟离心泵在不同含气比例的下的特性曲线，分析气体对离心泵性能的影响，为水合物开采人工举升泵的测试提供新的方法。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统，其特征在于，包括地下模拟井筒(1)、水箱(2)、空气压缩机(7)、离心泵(12)、数据处理系统(17)和数据采集系统(18)；其中，水箱(2)和空气压缩机(7)位于地面；所述水箱(2)通过水注入管线(6)通向地下模拟井筒(1)中，所述水注入管线(6)上设置有第一管道泵(3)、第一流量计(4)和第一球阀(5)；所述空气压缩机(7)通过气注入管线(11)通向地下模拟井筒(1)中，所述气注入管线(11)上设置有第二流量计(9)和第二球阀(10)；所述地下模拟井筒(1)的底部设置有离心泵(12)，离心泵(12)的出口通过油管(13)连接到水箱(2)，所述油管(13)上设置有第三流量计(15)和第二管道泵(16)；
所述数据采集系统(18)包括控制器(19)、第一压力计(20)、第二压力计(21)、功率计(22)和转速表(23)，所述第一压力计(20)设置在离心泵(12)的入口处，所述二压力计(21)设置在离心泵(12)的出口处，功率计(22)和转速表(23)分别安装在离心泵(12)的电机上；所述第一压力计(20)、第二压力计(21)、功率计(22)和转速表(23)分别与控制器(19)电连接，所述控制器(19)与数据处理系统(17)电连接。
2.根据权利要求1所述的水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统，其特征在于：所述气注入管线(11)上靠近空气压缩机(7)的位置设置有储气罐(8)。
3.根据权利要求1所述的水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统，其特征在于：所述油管(13)上设置有减压阀(14)。
4.根据权利要求1所述的水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统，其特征在于：所述离心泵(12)设置在地下模拟井筒(1)中的位置高于水注入管线(6)出口和气注入管线(11)出口。
5.根据权利要求1所述的水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统，其特征在于：所述气注入管线(11)出口的位置低于水注入管线(6)出口的位置。
6.根据权利要求1所述的水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试系统，其特征在于：所述数据处理系统(17)为PC机。
7.一种水合物开采过程中气体对离心泵性能影响的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.向水箱内注满水，调节水以固定流速向地下模拟井筒中注满水，并记录水的注入量；
S2.开启空气压缩机以固定流速向地下模拟井筒中注入气，并记录气的注入量；
S3.开启离心泵将地下模拟井筒中的气水混合物举升到水箱中，同时采集离心泵入口和出口处的压力、泵电机功率、泵转速和泵流量，并对采集到的数据进行处理，实时计算泵的扬程、效率和功率；
S4.调节离心泵的排量，变换多个工况，重复采集数据并处理计算，绘制泵特性曲线；
S5.调节气的注入量，重复上述步骤，测试得到不同含气量下的泵特性曲线，分析含气量对泵性能的影响。
8.根据权利要求7所述的水合物开采人工举升离心泵特性曲线测试方法，其特征在于：所述步骤S2中，气的注入量小于水注入量的15％。
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