CN108519122A - 一种测量密闭环空中流体性质的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种测量密闭环空中流体性质的实验装置，包括：压力容器，呈竖向放置，其上端为开口端，其下端为封闭端，开口端处嵌设固定有一密封元件；加热圈，套设在压力容器的外侧面上；保温层，包覆于加热圈的外侧及压力容器的封闭端；温压感测元件，外端固定在压力容器上，其内端位于压力容器的内腔底部处；泄压阀，其位于保温层的外侧，并与压力容器的内腔相连通；注入口及加压口，分别位于密封元件上，两者的上端口处分别安装有一阀门，两者的下端口分别与压力容器的内腔相连通。本发明通过准确记录密闭空间中流体的温度‑压力关系，以此获取符合真实环空条件的流体性质，为环空增压预测中流体性质的确定提供指导。

Description

一种测量密闭环空中流体性质的实验装置

技术领域

本发明属于石油开采领域，具体而言，涉及一种测量密闭环空中流体性质的实验装置。

背景技术

随着世界经济的发展，对于油气资源的需求日益增加。在全球范围内，陆上油气田日益枯竭，并呈现出非常激烈的竞争格局，因此开发者将探索油气资源的目光由陆地向海洋转变。但是，由于自然环境等条件的限制，海上油气资源的开发存在许多难题和挑战。其中，环空增压就是一种引发广泛关注的工程难题。

在深水油气井中，环空中的水泥浆通常因为工程技术等原因不会返到井口，因此没有被水泥封固的部分会形成一个密闭空间，且充满着完井液。在油气生产过程中，井底产液带来的高温会使密闭环空中的液体温度升高，发生热膨胀。由于环空是一个密闭空间，所以环空中的压力也会相应地升高，这种现象叫做环空增压，或者圈闭压力。过大的环空增压可能会挤毁套管、油管，对井筒造成严重损害。

目前，对于环空增压的预测主要基于理论计算，但是这种方法仅仅停留在理论预测上，精度不能保证，所以需要相关实验来支持或验证。然而，因为真实的密闭环空深度达上百米，且温度随深度变化，现有的实验条件很难获取到符合真实条件的环空增压。这些问题都使得目前对于环空增压研究存在一些局限性，所以目前亟需一种可行的方案提高环空预测的准确性。

在理论预测中，影响预测精度的主要因素在于流体的性质，特别是流体的温度-压力非线性性质。在环空增压的过程中，流体的膨胀系数和压缩系数不是恒定的常数，而是随着温度、压力的变化而变化，这种变化直接体现在压力随温度的非线性增加。并且，目前没有一种工程上可行的方法来具体描述流体的非线性性质。所以，目前对于流体性质的研究不够充分，严重影响着环空增压的预测准确度。考虑到从理论上很难直接得到流体的非线性性质，有必要提出一个实验装置来确定流体的这种非线性行为。

有鉴于此，本发明人根据从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出一种测量密闭环空中流体性质的实验装置，以期解决现有技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种测量密闭环空中流体性质的实验装置，通过准确记录密闭空间中流体的温度-压力关系，以此获取符合真实环空条件的流体性质，为环空增压预测中流体性质的确定提供指导。

为此，本发明提出一种测量密闭环空中流体性质的实验装置，包括：

压力容器，呈竖向放置，其上端为开口端，其下端为封闭端，所述开口端处嵌设固定有一密封元件；

加热圈，套设在所述压力容器的外侧面上；

保温层，包覆于所述加热圈的外侧及所述压力容器的封闭端；

温压感测元件，外端固定在所述压力容器上，其内端位于所述压力容器的内腔底部处；

泄压阀，其位于所述保温层的外侧，并与所述压力容器的内腔相连通；

注入口及加压口，分别位于所述密封元件上，两者的上端口处分别安装有一阀门，两者的下端口分别与所述压力容器的内腔相连通。

如上所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其中，所述泄压阀安装于一泄压管的外端口处，所述泄压管穿设于所述保温层、加热圈以及压力容器的侧壁，其内端口位于所述压力容器的内腔底部。

如上所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其中，所述注入口为一注入管，所述注入管密封插接于所述密封元件上形成的注入通道处；

所述加压口为一加压管，所述加压管密封插接于所述密封元件上形成的加压通道处，其中，所述注入管及加压管的上端口处分别安装有一所述阀门。

如上所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其中，所述温压感测元件包括一测温探头及一压力传感器，所述测温探头及压力传感器的感测端位于所述内腔的底部处，两者的固定端安装于所述封闭端处。

如上所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其中，另包括一控制系统，所述控制系统与所述加热圈、所述测温探头及所述压力传感器分别电连接。

如上所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其中，所述泄压阀为一电磁阀，其与所述控制系统电连接。

如上所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其中，另包括一加压系统，所述加压系统通过管线与所述加压口的阀门相连接。

本发明提出的测量密闭环空中流体性质的实验装置，通过分析大量实验数据，能准确记录密闭空间中流体的温度-压力非线性关系，可以得到流体非线性性质，以此获取符合真实环空条件的流体性质，为环空增压预测中流体性质的确定提供指导，从而有助于环空增压的准确预测。

本发明提出的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其记录的流体温度、压力更准确，能达到承受130MPa以上的超高压能力；温度、压力范围足够大，能够反映真实环空中的温度压力环境，提高实验精度；温压感测元件直接与流体接触，记录的数据更真实，且记录的温度、压力直接由电子仪表显示；压力容器的容积大，壁厚，能克服鼓胀效应(由压力升高导致的容器体积变化)引起的误差。

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1为本发明的测量密闭环空中流体性质的实验装置的组成结构示意图。

主要元件标号说明：

1 压力容器 11 密封元件

111 注入通道 112 加压通道

2 加热圈 3 保温层

4 温压感测元件 5 泄压阀

51 泄压管 6 注入口

7 加压口 8 阀门

91 控制系统 92 加压系统

921 管线

具体实施方式

本发明提出一种测量密闭环空中流体性质的实验装置，包括：压力容器，呈竖向放置，其上端为开口端，其下端为封闭端，开口端处嵌设固定有一密封元件；加热圈，套设在压力容器的外侧面上；保温层，包覆于加热圈的外侧及压力容器的封闭端；温压感测元件，外端固定在压力容器上，其内端位于压力容器的内腔底部处；泄压阀，其位于保温层的外侧，并与压力容器的内腔相连通；注入口及加压口，分别位于密封元件上，两者的上端口处分别安装有一阀门，两者的下端口分别与压力容器的内腔相连通。

本发明的测量密闭环空中流体性质的实验装置，通过准确记录密闭空间中流体的温度-压力关系，以此获取符合真实环空条件的流体性质，为环空增压预测中流体性质的确定提供指导。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本发明提出的测量密闭环空中流体性质的实验装置，的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。另外，通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

图1为本发明的测量密闭环空中流体性质的实验装置的组成结构示意图。

如图1所示，本发明提出的测量密闭环空中流体性质的实验装置，包括压力容器1、加热圈2、保温层3、温压感测元件4、泄压阀5、注入口6及加压口7，其中：

所述压力容器1呈竖向放置，其上端为开口端，其下端为封闭端，所述开口端处嵌设固定有一密封元件11，在实际应用时，该类压力容器通常可选用由环形的高抗压级别钢材制成，其内径160mm，外径324mm，高度994mm；钢材的壁厚达到80mm，这样的壁厚足以承受实验过程中的高压(130MPa)，且可以减少鼓胀效应对实验数据的影响；压力容器的容积可达20L，这样大的容积有助于减少实验中的误差，以满足多样化的要求；

所述加热圈2套设在所述压力容器1的外侧面上，如图所示，所述加热圈2呈套筒状，均匀包围在所述压力容器1的周围，可对所述压力容器1均匀加热，其加热功率可根据需要选定，比如9KW，能将所述压力容器1内的液体加热到180℃，足以反映大多数真实环空条件下的温度范围；

所述保温层3，包覆于所述加热圈2的外侧及所述压力容器1的封闭端，可以保证加热的效率，避免热量向空气散失，同时，所述保温层3可以保证外部实验环境的安全，避免所述加热圈2烫伤工作人员；

所述温压感测元件4的外端固定在所述压力容器1上，其内端位于所述压力容器1的内腔底部处，能直接与容器内的流体接触，确保所测得温度和压力的准确性；

所述泄压阀5，位于所述保温层3的外侧，并与所述压力容器1的内腔相连通，在实验完成后，打开该泄压阀5，可以释放容器内的高压；

所述注入口6及加压口7，分别位于所述密封元件11上，两者的上端口处分别安装有一阀门8，两者的下端口分别与所述压力容器1的内腔相连通，其中，液体从所述注入口6注入所述压力容器1，在液体注入完毕后，关闭所述阀门8，可以承受实验过程中的高压，使所述压力容器1形成一个密闭环境。

较佳地，所述泄压阀5安装于一泄压管51的外端口处，所述泄压管51穿设于所述保温层3、加热圈2以及压力容器1的侧壁，其内端口位于所述压力容器1的内腔底部。

如图1所示，优选所述注入口6为一注入管，所述注入管密封插接于所述密封元件11上形成的注入通道111处；

所述加压口7为一加压管，所述加压管密封插接于所述密封元件上形成的加压通道112处，其中，所述注入管及加压管的上端口处分别安装有一所述阀门8。

优选的实施方式中，所述温压感测元件4包括一测温探头及一压力传感器(图中未标示)，所述测温探头及压力传感器的感测端位于所述内腔的底部处，两者的固定端安装于所述封闭端处。

进一步地，另包括一控制系统91，所述控制系统与所述加热圈、所述测温探头及所述压力传感器分别电连接。其中，该控制系统可以是电脑等公知技术，它与所述加热圈2电连接，控制所述加热圈2的开启与关闭；同时，它也与测温探头及所述压力传感器相连，使测得的温度、压力可以直接通过电脑显示。

其中，所述泄压阀5优选为一电磁阀，其与所述控制系统91电连接，当压力容器内的压力达到最高压力极限时，所述控制系统91可以直接远程打开泄压阀5进行泄压，保证实验安全。

请参见图1，另包括一加压系统92，所述加压系统92通过管线921与所述加压口7的阀门相连接。在实验开始前，通过所述加压口7向容器内预施加一个压力，模拟真实环空下的静液压力。

本发明提出的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其具体工作过程如下：

(1)保持所述泄压阀5处于关闭状态，开启各所述阀门8，以打开所述注入口6和加压口7；从所述注入口6向所述压力容器1内注入液体，当液体灌满所述压力容器1时，液体会从所述注入口6或加压口7溢出，此时可判断出液体已经充满所述压力容器1；

(2)继续保持所述注入口6和加压口7处于开启状态，通过所述控制系统91打开所述加热圈2进行加热，将所述压力容器1内液体加热到某一初始温度后，关闭所述加热圈2，观察热膨胀的液体从注入口6或加压口7溢出状况；

(3)关闭所述注入口6的阀门8，将所述加压口7与所述加压系统92连接，从所述加压系统92往所述压力容器1内注入液体，加至某一初始压力；之后，关闭所述加压口7的阀门8，确保所述压力容器1处于密闭的状态，此时，所述压力容器1内液体通过前述步骤处在设定的初始温度和初始压力下；

(4)开启所述加热圈2，对液体进行加热，此时，液体压力随之开始升高，同时，通过所述温压感测元件4、控制系统91记录试验过程中的温度和压力；当温度升至某一终点温度后，关闭所述加热圈2，最后，打开所述泄压阀5，释放所述压力容器1内的高压，实验结束。

由此，经过以上过程，可以得到一组设定某初始温度、压力后，在加热情况下的流体温度-压力关系。其中，改变第(2)、(3)步中的初始温度、压力，可以得到不同初始温度、压力下的流体温度-压力关系。此外，该实验中的液体可以任意更换为符合现场实际的流体，比如不同类型的钻井液、完井液。

另外，在实际应用时，本发明除了研究某种液体的非线性关系，还可以研究气液混合物的非线性性质。比如，在现场中，为了预防环空增压带来的危害，常常将氮气和液体的混合物填入环空，来缓解环空压力的增加。为了准确设计该预防措施，有必要获取准确的氮气和液体混合物的流体性质，对此，本发明可实现上述目的，具体工作过程如下：

(1)保持所述泄压阀5处于关闭，开启各所述阀门8，打开所述注入口6和加压口7；从所述注入口6向所述压力容器1内注入液体，当液体灌满所述压力容器1时，液体会从所述注入口6或加压口7溢出，此时可判断出液体已经充满所述压力容器1；

(2)保持所述注入口6和加压口7处于开启状态，通过所述控制系统91打开所述加热圈2进行加热，将所述压力容器1内液体加热到某一初始温度后，关闭所述加热圈2，

(3)打开所述泄压阀5，释放定量体积的液体后，关闭所述泄压阀5，此时，所述压力容器1里包含该定量体积的空气，其余部分为液体；随后，由所述注入口6连接氮气瓶，向所述压力容器1内注入氮气，置换出容器内的空气，空气从所述加压口7流出，此时容器内为该定量氮气和液体的气液混合物；

(4)关闭所述注入口6的阀门8，将所述加压口7与所述加压系统92连接，从所述加压系统92往所述压力容器1内注入液体，加至某一初始压力；之后，关闭所述加压口7的阀门8，确保所述压力容器1处于密闭的状态，此时，所述压力容器1内气液混合物通过前述步骤处在设定的初始温度和初始压力下；

(5)开启所述加热圈2，对气液混合物进行加热，此时，气液混合物压力随之开始升高，同时，通过所述温压感测元件4、控制系统91记录试验过程中的温度和压力；当温度升至某一终点温度后，关闭所述加热圈2，最后，打开所述泄压阀5，释放所述压力容器1内的高压，实验结束。

经过以上过程，可以得到一组某定量体积的氮气量的气液混合物，当设定某初始温度、压力时，在加热情况下的流体温度-压力关系。其中，改变第(3)步中的氮气体积、第(2)(3)步中的初始温度、压力，可以得到不同氮气量的气液混合物，在不同初始温度、压力下的流体温度-压力关系。

本发明提出的测量密闭环空中流体性质的实验装置，能准确反映实验流体在密闭空间内的温度-压力非线性关系，通过分析大量实验数据，可以得到流体非线性性质，从而有助于环空增压的准确预测。

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的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种测量密闭环空中流体性质的实验装置，其特征在于，所述测量密闭环空中流体性质的实验装置包括：

压力容器，呈竖向放置，其上端为开口端，其下端为封闭端，所述开口端处嵌设固定有一密封元件；

加热圈，套设在所述压力容器的外侧面上；

保温层，包覆于所述加热圈的外侧及所述压力容器的封闭端；

温压感测元件，外端固定在所述压力容器上，其内端位于所述压力容器的内腔底部处；

泄压阀，其位于所述保温层的外侧，并与所述压力容器的内腔相连通；

注入口及加压口，分别位于所述密封元件上，两者的上端口处分别安装有一阀门，两者的下端口分别与所述压力容器的内腔相连通。

2.如权利要求1所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其特征在于，所述泄压阀安装于一泄压管的外端口处，所述泄压管穿设于所述保温层、加热圈以及压力容器的侧壁，其内端口位于所述压力容器的内腔底部。

3.如权利要求2所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其特征在于，所述注入口为一注入管，所述注入管密封插接于所述密封元件上形成的注入通道处；

所述加压口为一加压管，所述加压管密封插接于所述密封元件上形成的加压通道处，其中，所述注入管及加压管的上端口处分别安装有一所述阀门。

4.如权利要求3所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其特征在于，所述温压感测元件包括一测温探头及一压力传感器，所述测温探头及压力传感器的感测端位于所述内腔的底部处，两者的固定端安装于所述封闭端处。

5.如权利要求4所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其特征在于，另包括一控制系统，所述控制系统与所述加热圈、所述测温探头及所述压力传感器分别电连接。

6.如权利要求5所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其特征在于，所述泄压阀为一电磁阀，其与所述控制系统电连接。

7.如权利要求1或6所述的测量密闭环空中流体性质的实验装置，其特征在于，另包括一加压系统，所述加压系统通过管线与所述加压口的阀门相连接。