CN109030300B - 一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，包括实验管路、储水罐、计量罐、空气储罐、恒液位水箱和井筒模拟器，所述实验管路包括垂直实验管路和螺旋实验管路，所述垂直实验管路的出口通过第二管路与所述计量罐连通，所述螺旋实验管路的出口通过第三管路与所述计量罐连通，所述垂直实验管路的顶部设置有第一加砂漏斗，所述第一加砂漏斗与所述垂直实验管路连通，所述螺旋实验管路的顶部设置有第二加砂漏斗，所述第二加砂漏斗与所述螺旋实验管路连通；所述储水罐通过第一管路与所述井筒模拟器的进口连通，所述垂直实验管路的进口和螺旋实验管路的进口分别与所述井筒模拟器的出口连通。
Description
技术领域
本发明涉及小粒径砂沉积实验装置领域，尤其涉及一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置。
背景技术
在进行水合物试采过程中，有砂会进入到井筒或管道的内部，砂在井筒或管道内可能会造成沉积或堵塞井筒或管道，所以需要根据开采现场的情况需要开展临界砂沉积水速实验、砂塞重启、停输时砂沉积规律分析，从而得到更准确的数据，为水合物开采提供更好的参考数据。但由于水合物试采过程中采用的井筒与管道与普通的井筒与管道有较大的差异，而且地层砂的粒径较小，远小于油气行业中研究的范围，由于砂粒径小，在沉积实验中需要的水速较小，而现有的实验装置大多针对大粒径砂粒，使用的水速较大，而粒径小的砂粒所需要的水速更小，因此实验装置需要对水速进行更准确、稳定的控制，现有的实验装置无法更准确、稳定地控制水速，从而无法很好地去模拟开采现场的实际情况。
对于低流量控制，一般采用阀门调节和变频泵调频，但是在流速降低到很低时，在流量达变频到泵的下限时，难以精确、稳定地控制流量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置及方法，其针对水合物开采实际现场采用的管道与井筒进行整体的模拟，能够实现不同的流量的精确控制。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，包括实验管路、储水罐、计量罐、空气储罐、恒液位水箱和井筒模拟器，所述实验管路包括垂直实验管路和螺旋实验管路，所述垂直实验管路的出口通过第二管路与所述计量罐连通，所述螺旋实验管路的出口通过第三管路与所述计量罐连通，所述垂直实验管路的顶部设置有第一加砂漏斗，所述第一加砂漏斗与所述垂直实验管路连通，所述螺旋实验管路的顶部设置有第二加砂漏斗，所述第二加砂漏斗与所述螺旋实验管路连通；所述储水罐通过第一管路与所述井筒模拟器的进口连通，所述垂直实验管路的进口和螺旋实验管路的进口分别与所述井筒模拟器的出口连通，所述第一管路上设置有变频泵、调节阀、主液体流量计和压力传感器，所述井筒模拟器的顶部设置有第三加砂漏斗，所述第三加砂漏斗与所述井筒模拟器连通，所述空气储罐通过第四管路与所述第一管路连通，所述第四管路上设置有气体调节阀和气体流量计；所述恒液位水箱的底部连接有升降台，所述恒液位水箱通过第五管路与所述第一管路连通，所述第五管路上设置有恒液位水箱阀，所述恒液位水箱通过第六管路与所述储水罐连通。
进一步地，所述储水罐通过旁通管路与所述第一管路连通，所述旁通管路上设置有旁通阀和旁通液体流量计。
进一步地，还包括第一压差传感器和第二压差传感器，第一压差传感器用于检测垂直实验管路的进口与出口之间的压差；第二压差传感器用于检测螺旋实验管路的进口与出口之间的压差。
进一步地，所述垂直实验管路为透明垂直实验管路，所述螺旋实验管路为透明螺旋实验管路。
进一步地，还包括第三压差传感器，第三压差传感器用于检测井筒模拟器的进口与出口之间的压差。
进一步地，所述井筒模拟器包括井筒和油管，所述井筒和油管为同心圆管，所述油管设置于所述井筒内，所述井筒与所述油管形成环形空间，所述环形空间的进口通过第一管路与所述储水罐连通，所述垂直实验管路的进口和螺旋实验管路的进口分别与所述环形空间的出口连通。
进一步地，所述井筒模拟器为透明井筒模拟器。
一种井筒与管道小粒径砂沉积实验方法，包括井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，所述井筒与管道小粒径砂沉积实验装置包括4种流量控制模式，分别为大流量控制模式、中流量控制模式、小流量控制模式和极小流量控制模式，流经实验管路的水量的值由大到小依次为大流量、中流量、小流量和极小流量；
大流量控制模式为将调节阀调节为全开模式，再去调节变频泵的频率，从而使流经实验管路的水量为最大流量；
中流量控制模式为在变频泵频率一定的情况下，调节调节阀的开度，从而使流经实验管路的水量为中流量；
小流量控制模式为打开旁通管路的旁通阀，使部分水回流至储水罐内，进一步减少流入实验管路的水量；
极小流量控制模式为关闭旁通阀，打开恒液位水箱阀，恒液位水箱中的水在重力的作用下进入实验管路，通过调整恒液位水箱的高度来控制进入实验管路中的水量。
相比现有技术，本发明的有益效果在于，本实验装置包括4种流量控制模式，分别为大流量控制模式、中流量控制模式、小流量控制模式和极小流量控制模式，目的是为了更精确地对液体的流量进行控制，实现大变化范围的流量控制；大流量控制模式为将调节阀调节为全开模式，再去调节变频泵的频率，从而使流经实验管路的水量为最大流量；中流量控制模式为在变频泵频率一定的情况下，调节调节阀的开度，从而使流经实验管路的水量为中流量；小流量控制模式为打开旁通阀，使部分水回流至储水罐内，进一步减少流入实验管路的水量；极小流量控制模式为关闭旁通阀，打开恒液位水箱阀，恒液位水箱中的水在重力的作用下进入实验管路，通过调整恒液位水箱的高度来控制进入实验管路中的水量；恒液位水箱中的水位恒定，恒液位水箱中的水在重力的作用下流入实验管路，流速稳定，通过调整升降台的高度，可以调整恒液位水箱的液位与实验管路之间的高度差，在实验前，对不同高度下实验管路中的流量进行标定，使实验时能更方便地去调整水的流量。
此外，本实验装置针对水合物开采的实际现场采用的井筒和管道，按照一定的比例去设计模拟井筒和模拟管道的尺寸和进口管路与出口管路的位置，采用软管进行螺旋布置并固定，能较好地反映现场的井筒与管道情况，从而进行整体的模拟，可以实现井筒和管道中的砂沉积的实验分析，满足现场各种工况的模拟需要。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明的结构示意图。
图中：1-实验管路、2-储水罐、3-计量罐、4-空气储罐、5-恒液位水箱、7-井筒模拟器、8-变频泵、11-垂直实验管路、12-螺旋实验管路、51-升降台、61-第一管路、62-第二管路、63-第三管路、64-第四管路、65-第五管路、66-第六管路、67-旁通管路、71-第三加砂漏斗、72-第三压差传感器、111-第一加砂漏斗、112-第一压差传感器、121-第二加砂漏斗、122-第二压差传感器、611-调节阀、612-压力传感器、613-主液体流量计、641-气体调节阀、642-气体流量计、651-恒液位水箱阀、671-旁通阀、672-旁通液体流量计。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，包括实验管路1、储水罐2、计量罐3、空气储罐4、恒液位水箱5和井筒模拟器7，所述实验管路1包括垂直实验管路11和螺旋实验管路12，所述垂直实验管路11的出口通过第二管路62与所述计量罐3连通，所述螺旋实验管路12的出口通过第三管路63与所述计量罐3连通，所述垂直实验管路11的顶部设置有第一加砂漏斗111，所述第一加砂漏斗111与所述垂直实验管路11连通，所述螺旋实验管路12的顶部设置有第二加砂漏斗121，所述第二加砂漏斗121与所述螺旋实验管路12连通；从第一加砂漏斗111可以对垂直实验管路11进行加砂，从第二加砂漏斗121可以对螺旋实验管路12进行加砂，从而能更好地模拟水合物开采的实际生产情况。
由于砂粒的流动性较差，将第一加砂漏斗111设置在垂直实验管路11的顶部和第二加砂漏斗121设置在螺旋实验管路12的顶部，砂粒很容易垂直向下运动至垂直实验管路11和螺旋实验管路12内。
优选地，所述井筒模拟器7包括井筒和油管，所述井筒和油管为同心圆管，所述油管设置于所述井筒内，所述井筒与所述油管形成环形空间，所述环形空间的进口通过第一管路61与所述储水罐2连通，所述垂直实验管路11的进口和螺旋实验管路12的进口分别与所述环形空间的出口连通。
具体地，所述储水罐2通过第一管路61与所述井筒模拟器7的进口连通，所述垂直实验管路11的进口和螺旋实验管路12的进口分别与所述井筒模拟器7的出口连通，所述第一管路61上设置有变频泵8、调节阀611、主液体流量计613和压力传感器612，所述井筒模拟器7的顶部设置有第三加砂漏斗71，所述第三加砂漏斗71与所述井筒模拟器7连通。优选地，所述第一管路61上从储水罐2到井筒模拟器7设置有变频泵8、调节阀611、主液体流量计613和压力传感器612，主液体流量计613可以测量通过第一管路61的液体的流量，可以通过调节调节阀611的开启的程度和调节变频泵8的频率来控制第一管路61内液体的流量，此外，从第三加砂漏斗71可以对井筒模拟器7进行加砂，从而能更好地模拟水合物开采的实际生产情况。
如图1所示，所述空气储罐4通过第四管路64与所述第一管路61连通，所述第四管路64上设置有气体调节阀641和气体流量计642；具体地，第四管路64与位于压力传感器612和主液体流量计613的第一管路61连通，气体调节阀641可以调节通过第四管路64的气体流量，气体流量计642能准确测量通过第四管路64的气体流量，工作人员可以通过调节气体流量计642的开启程度来调节通过第四管路64的气体流量。
具体地，所述恒液位水箱5的底部连接有升降台51，所述恒液位水箱5通过第五管路65与所述第一管路61连通，具体地，第五管路65与位于压力传感器612和主液体流量计613的第一管路61连通，所述第五管路65上设置有恒液位水箱阀651，所述恒液位水箱5通过第六管路66与所述储水罐2连通。通过调整升降台51的高度，可以调整恒液位水箱5的液位与实验管路1之间的高度差。
具体地，所述储水罐2通过旁通管路67与所述第一管路61连通，所述旁通管路67上设置有旁通阀671和旁通液体流量计672，旁通液体流量计672可以测量通过旁通管路67的液体的流量。
本实施例设置了一系列流量控制措施，能够实现不同流量范围下的精确控制，尤其是针对小流量，通过调整恒液位水箱5的高度来控制水的流速，保持水速的恒定，可以实现流量的准确、稳定控制。
具体地，本实验装置还包括第一压差传感器112和第二压差传感器122，第一压差传感器112用于检测垂直实验管路11的进口与出口之间的压差；第二压差传感器122用于检测螺旋实验管路12的进口与出口之间的压差，设置有第一压差传感器112和第二压差传感器122能更好地检测垂直实验管路11和螺旋实验管路12中压差的变化。
具体地，本实验装置还包括第三压差传感器72，第三压差传感器72用于检测井筒模拟器7的进口与出口之间的压差，通过设置有第三压差传感器72，能更好地检测井筒模拟器7中压差的变化。
具体地，所述垂直实验管路11为透明垂直实验管路，所述螺旋实验管路12为透明螺旋实验管路，所述井筒模拟器7为透明井筒模拟器。工作人员可以观察井筒模拟器7、垂直实验管路11和螺旋实验管路12内水和砂的流动情况，并可对其进行拍照和录像，记录下珍贵的实验数据。
本实施例针对水合物开采的实际现场采用的井筒和管道，按照一定的比例去设计模拟井筒和模拟管道的尺寸和进口管路与出口管路的位置，采用软管进行螺旋布置并固定，能较好地反映现场的井筒与管道情况，从而进行整体的模拟，可以实现井筒和管道中的砂沉积的实验分析，满足现场各种工况的模拟需要。
本实施例的具体实施步骤：
垂直实验管路11和螺旋实验管路12是分开工作的，即使用垂直实验管路11时，关闭螺旋实验管路12，使用螺旋实验管路12时，关闭垂直实验管路11。
实验开始之前，将水储存于储水罐2中；实验开始后，通过变频泵8将储水罐2内的水输入至实验管路1；储水罐2内的水经过井筒模拟器7进入垂直实验管路11和螺旋实验管路12，从垂直实验管路11顶部的第一加砂漏斗111、螺旋实验管路12顶部的第二加砂漏斗121和井筒模拟器7顶部的第三加砂漏斗71可以进行加砂；由于井筒模拟器7为透明井筒模拟器，垂直实验管路11为透明垂直实验管路，螺旋实验管路12为透明螺旋实验管路，工作人员可以观察井筒模拟器7、垂直实验管路11和螺旋实验管路12内水和砂的流动情况，并可对其进行拍照和录像，记录下珍贵的实验数据；垂直实验管路11的两端设置有第一压差传感器112，螺旋实验管路12的两端设置有第二压差传感器122，井筒模拟器7的两端设置有第三压差传感器72，可以实时检测垂直实验管路11、螺旋实验管路12和井筒模拟器7中压差的变化；水和砂从实验管路1流出后，进入计量罐3内，在计量罐3内可计量水量和砂量；打开气体调节阀641，向实验管路1内注入压缩空气，从而实现气水砂三相流动条件下的沉积实验。
本实施例可以通过调整实验管路1中的水速，观察实验管路1中砂的运动情况，在砂不发生沉积时的水速为临界水速；通过调整实验管路1中的砂量，检测不同含砂量下，水和砂在实验管路1中的压差，可以得到摩阻特性；此外，在实验管路1中放置一定高度的砂塞，然后开启变频泵8，在砂塞重启时的压力即为砂塞重启压力，根据砂塞的高度、粒径分布等参数可获得重启压力计算所需的关键参数。
一种井筒与管道小粒径砂沉积实验方法，包括井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，所述井筒与管道小粒径砂沉积实验装置包括4种流量控制模式，分别为大流量控制模式、中流量控制模式、小流量控制模式和极小流量控制模式，流经实验管路1的水量的值由大到小依次为大流量、中流量、小流量和极小流量，目的是为了更精确地对液体的流量进行控制，实现大变化范围的流量控制。
大流量控制模式为将调节阀611调节为全开模式，再去调节变频泵8的频率，从而使流经实验管路1的水量为最大流量；
中流量控制模式为在变频泵8频率一定的情况下，调节调节阀611的开度，从而使流经实验管路1的水量为中流量；
小流量控制模式为打开旁通管路67的旁通阀671，使部分水回流至储水罐2内，进一步减少流入实验管路1的水量；
极小流量控制模式为关闭旁通阀671，打开恒液位水箱阀651，恒液位水箱5中的水在重力的作用下进入实验管路1，通过调整恒液位水箱5的高度来控制进入实验管路1中的水量；
具体地，恒液位水箱5中的水位恒定，恒液位水箱5中的水在重力的作用下流入实验管路1，流速稳定，通过调整升降台51的高度，可以调整恒液位水箱5的液位与实验管路1之间的高度差，在实验前，对不同高度下实验管路1中的流量进行标定，使实验时能更方便地去调整流量。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，其特征在于：包括实验管路（1）、储水罐（2）、计量罐（3）、空气储罐（4）、恒液位水箱（5）和井筒模拟器（7），所述实验管路（1）包括垂直实验管路（11）和螺旋实验管路（12），所述垂直实验管路（11）的出口通过第二管路（62）与所述计量罐（3）连通，所述螺旋实验管路（12）的出口通过第三管路（63）与所述计量罐（3）连通，所述垂直实验管路（11）的顶部设置有第一加砂漏斗（111），所述第一加砂漏斗（111）与所述垂直实验管路（11）连通，所述螺旋实验管路（12）的顶部设置有第二加砂漏斗（121），所述第二加砂漏斗（121）与所述螺旋实验管路（12）连通；所述储水罐（2）通过第一管路（61）与所述井筒模拟器（7）的进口连通，所述垂直实验管路（11）的进口和螺旋实验管路（12）的进口分别与所述井筒模拟器（7）的出口连通，所述第一管路（61）上设置有变频泵（8）、调节阀（611）、主液体流量计（613）和压力传感器（612），所述井筒模拟器（7）的顶部设置有第三加砂漏斗（71），所述第三加砂漏斗（71）与所述井筒模拟器（7）连通，所述空气储罐（4）通过第四管路（64）与所述第一管路（61）连通，所述第四管路（64）上设置有气体调节阀（641）和气体流量计（642）；所述恒液位水箱（5）的底部连接有升降台（51），所述恒液位水箱（5）通过第五管路（65）与所述第一管路（61）连通，所述第五管路（65）上设置有恒液位水箱阀（651），所述恒液位水箱（5）通过第六管路（66）与所述储水罐（2）连通。
2.根据权利要求1所述的一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，其特征在于：所述储水罐（2）通过旁通管路（67）与所述第一管路（61）连通，所述旁通管路（67）上设置有旁通阀（671）和旁通液体流量计（672）。
3.根据权利要求1所述的一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括第一压差传感器（112）和第二压差传感器（122），第一压差传感器（112）用于检测垂直实验管路（11）的进口与出口之间的压差；第二压差传感器（122）用于检测螺旋实验管路（12）的进口与出口之间的压差。
4.根据权利要求1所述的一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，其特征在于：所述垂直实验管路（11）为透明垂直实验管路，所述螺旋实验管路（12）为透明螺旋实验管路。
5.根据权利要求1所述的一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括第三压差传感器（72），第三压差传感器（72）用于检测井筒模拟器（7）的进口与出口之间的压差。
6.根据权利要求1所述的一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，其特征在于：所述井筒模拟器（7）包括井筒和油管，所述井筒和油管为同心圆管，所述油管设置于所述井筒内，所述井筒与所述油管形成环形空间，所述环形空间的进口通过第一管路（61）与所述储水罐（2）连通，所述垂直实验管路（11）的进口和螺旋实验管路（12）的进口分别与所述环形空间的出口连通。
7.根据权利要求1所述的一种井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，其特征在于：所述井筒模拟器（7）为透明井筒模拟器。
8.一种井筒与管道小粒径砂沉积实验方法，其特征在于：使用如权利要求1至权利要求7任一项所述的井筒与管道小粒径砂沉积实验装置，且所述储水罐（2）通过旁通管路（67）与所述第一管路（61）连通，所述旁通管路（67）上设置有旁通阀（671）和旁通液体流量计（672）；
所述井筒与管道小粒径砂沉积实验装置包括4种流量控制模式，分别为大流量控制模式、中流量控制模式、小流量控制模式和极小流量控制模式，流经实验管路（1）的水量的值由大到小依次为大流量、中流量、小流量和极小流量；
大流量控制模式为将调节阀（611）调节为全开模式，再去调节变频泵（8）的频率，从而使流经实验管路（1）的水量为最大流量；
中流量控制模式为在变频泵（8）频率一定的情况下，调节调节阀（611）的开度，从而使流经实验管路（1）的水量为中流量；
小流量控制模式为打开旁通管路（67）的旁通阀（671），使部分水回流至储水罐（2）内，进一步减少流入实验管路（1）的水量；
极小流量控制模式为关闭旁通阀（671），打开恒液位水箱阀（651），恒液位水箱（5）中的水在重力的作用下进入实验管路（1），通过调整恒液位水箱（5）的高度来控制进入实验管路（1）中的水量。
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