CN107816439B - 模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置及方法 - 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，具体涉及一种模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置及方法，包括地下模拟井筒、水箱、空气压缩机、真空除气器和离心泵控制与数据采集器。此系统和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，模拟真实工作环境中，离心泵在不同含气比例下的气液分离效率的特性曲线，为水合物开采人工举升的设计提供依据。

Description

模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置及 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，具体涉及一种模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置及方法。
背景技术
天然气水合物分布范围广，资源量巨大，能量密度高，是有望成为满足未来人类能源需求的高效清洁能源。
天然气水合物的试采表明，电潜离心泵是水合物降压开采一种有效的人工举升方式，但水合物分解产生的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。离心泵的入口前通常安装气体分离器，减少进入泵内的气体，保证离心泵的良好性能。因此，离心泵的气液分离效率是十分重要的指标，直接影响离心泵的性能和举升效率。
目前气液分离器的研究方法主要有两种：一种是利用计算流体力学的方法用数值模拟的手段模拟分离器内流体的运动规律；另一种是直接通过模拟实验的方法对气液分离器的分离效果进行测量。数值模拟的方法由于建模复杂，考虑的因素相对单一而使得模拟结果不够准确，因此，模拟实验的方法是测量气液分离器分离效率最有效的手段。实际的气液分离器通常与离心泵封装在一起运行，气体分离器分离的气体无法收集计量，且目前的实验研究均是在室内单独测量气液分离器的分离效率，无法模拟离心泵和气液分离器的真实工作环境。
因此，为满足水合物开采人工举升的设计需求，确保离心泵的高效、安全工作，本发明公开一种能模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置和测试相应的测试方法。
发明内容
本发明针对在当前离心泵的气液分离效率的实验研究中，由于无法模拟离心泵和气液分离器的真实工作环境，而导致模拟结果不够准确的问题，提出一种模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置，该系统可以模拟水合物开采过程井筒中气和水两相流动状态，测试在不同气体含量下的气液分离效率，为水合物开采人工举升方案的优化设计提供依据。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置，包括地下模拟井筒、水箱、空气压缩机、真空除气器和离心泵控制与数据采集器；
所述地下模拟井筒的井口采用井口环板密封，所述地下模拟井筒内从内至外依次设置有第二套管和第一套管，第一套管紧贴地下模拟井筒的内壁设置，第一套管和第二套管之间形成环空，第一套管和第二套管的顶部分别与井口环板密封连接；
所述水箱上连接有水注入管线，所述水注入管线穿过井口环板进入到地下模拟井筒中环空内，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；所述空气压缩机的出口连接有气注入管线，所述气注入管线穿过井口环板进入到地下模拟井筒中环空内，所述气注入管线上设置有第一气体流量计和第二球阀；所述地下模拟井筒内还设置有气液分离器和离心泵，所述气液分离器和离心泵设置在第二套管内，位于第二套管底部上方，所述气液分离器与离心泵的入口相连，所述离心泵的出口通过油管连接到真空除气器，所述真空除气器的出液口通过管道连接到水箱，所述真空除气器和水箱之间的管道上设置有第二流量计和第二管道泵；所述真空除气器的出气口通过第二气体流量计通到外界；所述第二套管与井口环板围成的空间内还连接有通向外界的排气管，所述排气管上设置有第二气体流量计；
所述离心泵通过机组电缆连接到离心泵控制与数据采集器。
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，所述排气管上设置有阀门。
进一步地，所述第一套管采用16”套管，所述第二套管采用9-5/8”套管。
本发明的另一个目的在于提供一种模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试方法，包括以下步骤：S1.检查、校准各仪器设备，使其处于正常工作状态；
S2.向水箱中注满水，开启管道泵，向地下模拟井筒中注满水；
S3.开启空气压缩机，以固定流速向地下模拟井筒中注气；
S4.开启离心泵，地下模拟井筒中的气液混合液经气液分离器后，由离心泵举升到地面，经由真空除气器后，水返回水箱，气排放到外界；
S5.计量气液分离器分离出的气的量，以及真空除气器分离出的气的量；
S6.改变注入到地下模拟井筒中的气体流量，重复上述步骤，获取不同含气条件下的气液分离器的分离效率。
本发明的模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置及方法，通过建立的地下模拟井筒下入9-5/8”套管，形成环空，模拟真实井筒，下入的9-5/8”套管可以收集气体分离器分离的气体，方便计量；通过向地下模拟井筒中注入水和空气模拟水合物开采井筒中气水两相流动状态，实现真实工况下离心泵气液分离效率的测试；离心泵举升到地面的水重新回到水箱中，实现自循环的长时间测试；数据采集系统实时采集分析数据，可实现离心泵气液分离效率的在线实时检测。
此系统和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，模拟真实工作环境中，离心泵在不同含气比例下的气液分离效率的特性曲线，为水合物开采人工举升的设计提供依据。
附图说明
图1为本发明的系统的结构组成示意图；
图2为地下模拟井筒的结构设置示意图；
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-第一气体流量计；10-第二球阀；11-气注入管线；12-空压机；13-离心泵；14-油管；15-减压阀；16-真空除气器；17-第二气体流量计；18-减压阀；19-第二管道泵；20-阀门；21-第三气体流量计；22-机组电缆；23-离心泵控制与数据采集器；24-第一套管；25-第二套管；26-井口环板；27-环空。
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提供一种模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置，如图1和2所示，包括地下模拟井筒1、水箱2、空气压缩机7、真空除气器16和离心泵控制与数据采集器23。
所述地下模拟井筒1的井口采用井口环板26密封，所述地下模拟井筒1内从内至外依次设置有第二套管25和第一套管24，第一套管24紧贴地下模拟井筒1的内壁设置，第一套管24和第二套管25之间形成环空27，第一套管24和第二套管25的顶部分别与井口环板26密封连接。其中，所述第一套管24采用16”套管，所述第二套管25采用9-5/8”套管。
所述水箱2上连接有水注入管线6，所述水注入管线6穿过井口环板26进入到地下模拟井筒1中环空27内，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用于将水注入到地下模拟井筒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的出口连接有气注入管线11，所述气注入管线11穿过井口环板26进入到地下模拟井筒1中环空27内，所述气注入管线11上设置有储气罐8、第一气体流量计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，第一气体流量计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内还设置有气液分离器12和离心泵13，所述气液分离器12和离心泵13设置在第二套管25内，位于第二套管25底部上方。
所述气液分离器12与离心泵13的入口相连，所述离心泵13的出口通过油管14连接到真空除气器16，其中，油管14上设置有减压阀15，减压阀15对离心泵13举升的气液混合物起到减压缓冲的作用，从而保证真空除气器16正常的工作。
真空除气器16将气液分离后，分别由出液口和出气口排出，其中，所述真空除气器16的出液口通过管道连接到水箱2，所述真空除气器16和水箱2之间的管道上设置有第二流量计18和第二管道泵19；其中，第二管道泵19用于将水注入到水箱2中，第二流量计18用于计量水的注入量。所述真空除气器16的出气口通过第二气体流量计17通到外界；第二气体流量计17用于计量由离心泵举升至地面上的气液混合物中的气体的量。
所述第二套管25与井口环板26围成的空间内还连接有通向外界的排气管，所述排气管与井口环板26之间密封连接，所述排气管上设置有阀门20和第二气体流量计21，其中，阀门20用于开启或关闭排气管道；第二气体流量计21用于计量气液分离器分离的气体的量。
所述离心泵13通过机组电缆22连接到离心泵控制与数据采集器23，离心泵控制与数据采集器23用于控制并记录离心泵13的吸入口的流量。
在本实施例中，地下模拟井筒1分别设置了第一套管24和第二套管25，第一套管24和第二套管25之间形成环空27，设置的时候，水注入管线6和气注入管线11由环空27内向地下模拟井筒1中注水和注气，这样没有溶解到水中的气体只会上升到环空27的上方；而气液分离器12是设置在第二套管25中的，其分离的气体会上升到第二套管25的上方，可以通过第三气体流量计21进行计量，这样由气注入管线注入水中的气体，即使没有溶解到水中也不会对气液分离器12分离效果产生影响。
本发明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，模拟真实工作环境中，离心泵在不同含气比例下的气液分离效率的特性曲线，为水合物开采人工举升的设计提供依据。
实施例2
对应实施例1的装置，实施例2提供一种模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试方法，包括以下步骤：
S1.检查、校准各仪器设备，使其处于正常工作状态；
S2.向水箱中注满水，开启管道泵，向地下模拟井筒中注满水；
S3.开启空气压缩机，以固定流速向地下模拟井筒中注气；
S4.开启离心泵，地下模拟井筒中的气液混合液经气液分离器后，由离心泵举升到地面，经由真空除气器后，水返回水箱，气排放到外界；
S5.计量气液分离器分离出的气的量，以及真空除气器分离出的气的量；
S6.改变注入到地下模拟井筒中的气体流量，重复上述步骤，获取不同含气条件下的气液分离器的分离效率。
本发明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。通过向地下模拟井筒中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，模拟真实工作环境中，离心泵在不同含气比例下的气液分离效率的特性曲线，为水合物开采人工举升的设计提供依据。
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 (5)

1.模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置，其特征在于，包括地下模拟井筒(1)、水箱(2)、空气压缩机(7)、真空除气器(16)和离心泵控制与数据采集器(23)；
所述地下模拟井筒(1)的井口采用井口环板(26)密封，所述地下模拟井筒(1)内从内至外依次设置有第二套管(25)和第一套管(24)，第一套管(24)紧贴地下模拟井筒(1)的内壁设置，第一套管(24)和第二套管(25)之间形成环空(27)，第一套管(24)和第二套管(25)的顶部分别与井口环板(26)密封连接；
所述水箱(2)上连接有水注入管线(6)，所述水注入管线(6)穿过井口环板(26)进入到地下模拟井筒(1)中环空(27)内，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)的出口连接有气注入管线(11)，所述气注入管线(11)穿过井口环板(26)进入到地下模拟井筒(1)中环空(27)内，所述气注入管线(11)上设置有第一气体流量计(9)和第二球阀(10)；所述地下模拟井筒(1)内还设置有气液分离器(12)和离心泵(13)，所述气液分离器(12)和离心泵(13)设置在第二套管(25)内，位于第二套管(25)底部上方，所述气液分离器(12)与离心泵(13)的入口相连，所述离心泵(13)的出口通过油管(14)连接到真空除气器(16)，所述真空除气器(16)的出液口通过管道连接到水箱(2)，所述真空除气器(16)和水箱(2)之间的管道上设置有第二流量计(18)和第二管道泵(19)；所述真空除气器(16)的出气口通过第二气体流量计(17)通到外界；所述第二套管(25)与井口环板(26)围成的空间内还连接有通向外界的排气管，所述排气管上设置有第三气体流量计(21)；
所述离心泵(13)通过机组电缆(22)连接到离心泵控制与数据采集器(23)。
2.根据权利要求1所述的模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置，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所述的模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置，其特征在于：所述油管(14)上设置有减压阀(15)。
4.根据权利要求1所述的模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置，其特征在于：所述排气管上设置有阀门(20)。
5.一种采用权利要求1所述的模拟井下真实环境进行离心泵气液分离效率的测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.检查、校准各仪器设备，使其处于正常工作状态；
S2.向水箱中注满水，开启管道泵，向地下模拟井筒中注满水；
S3.开启空气压缩机，以固定流速向地下模拟井筒中注气；
S4.开启离心泵，地下模拟井筒中的气液混合液经气液分离器后，由离心泵举升到地面，经由真空除气器后，水返回水箱，气排放到外界；
S5.计量气液分离器分离出的气的量，以及真空除气器分离出的气的量；
S6.改变注入到地下模拟井筒中的气体流量，重复上述步骤，获取不同含气条件下的气液分离器的分离效率。
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