CN109282975A - 一种两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，包括实验管路、模拟压裂管柱、两相流供给机构、两相流调节机构及管柱振动监测机构；所述模拟压裂管柱，连接在所述实验管路中；所述两相流供给机构，用于向所述实验管路提供混砂液；所述混砂液，用于模拟压裂液；所述两相流调节机构，用于调节所述混砂液的流量、流速及水砂混合比；所述两相流调节机构、两相流供给机构及实验管路为所述模拟压裂管柱提供压裂环境；所述管柱振动监测机构，用于监测模拟压裂管柱振动数据，从而为管柱振动和轴向力研究提供数据支持。解决了高砂比、高压力、高流速的两相流诱导管柱振动研究没有配套实验装置，无法进行有效的实验研究的问题。

Description

一种两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统

技术领域

本发明涉及一种两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统。

背景技术

随着压裂技术水平的不断提升，促进了难采油气藏的有效动用。为提高压裂效果，增加产能，压裂技术总的发展趋势是高砂比、高压力、高流速（砂比：0-60%；压力：0-60mpa；流速：0-250m/s）。在压裂施工过程中，高速的两相流会诱导管柱发生剧烈振动，从而导致管柱断裂等事故发生，也常有管柱起下困难等问题，延误工期，造成巨大经济损失。

目前，高砂比、高压力、高流速的两相流诱导管柱振动研究，相关研究成果均无配套的实验装置的支撑，现场实验也很难开展，理论研究成果很难转化为现场技术指导。为此，需要为两相流诱导管柱振动模拟研究和轴向力传递效率研究提供基本的实验平台。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统。解决了高砂比、高压力、高流速的两相流诱导管柱振动研究没有配套实验装置，无法进行有效的实验研究的问题。

为实现上述发明目的，所述的一种两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，其特征在于，包括：

实验管路、模拟压裂管柱、两相流供给机构、两相流调节机构及管柱振动监测机构；

所述实验管路，用于模拟压裂管道；

所述模拟压裂管柱，连接在所述实验管路中；

所述两相流供给机构，与所述实验管路连接，用于向所述实验管路提供混砂液；

所述混砂液，用于模拟压裂液；

所述两相流调节机构，与所述实验管路连接，用于调节所述混砂液的流量、流速及水砂混合比；

所述两相流调节机构、所述两相流供给机构及所述实验管路为所述模拟压裂管柱提供压裂环境；

所述管柱振动监测机构，连接在实验管路中，用于监测模拟压裂管柱振动数据，为两相流诱导管柱振动和轴向力研究提供数据支持。

优选地，所述模拟压裂管柱，为直管、变径管、弯管或T型管。

优选地，所述两相流供给机构，包括加水机构及加砂机构；

所述加水机构，用于向所述实验管路提供清水；

所述加砂机构，用于向所述实验管路提供砂子；

所述清水与所述砂子在所述实验管路中混合后成为混砂液。

优选地，所述两相流供给机构，还包括：

混砂液箱；

所述混砂液箱，连接在所述实验管路的末端，用于所述实验管路内的所述混砂液的水、砂分离，便于循环利用。

优选地，所述实验管路上设置卸压筒；

所述卸压筒，用于释放所述混砂液的压力，保护所述实验管路及所述实验管路上连接的仪器和/或设备。

优选地，所述两相流调节机构，包括两相流流量调节机构、两相流压力调节机构；

所述两相流流量调节机构为电控球阀；

所述电控球阀，用于调节所述实验管路中的所述混砂液流量，模拟地层裂缝拓展时的压力波动；

所述两相流压力调节机构，包括第一压力计及第二压力计；

所述第一压力计及所述第二压力计，分别安装在所述模拟压裂管柱的两端，用于测量所述混砂液在经过所述模拟压裂管柱前后的压力变化。

优选地，所述模拟压裂管柱通过管柱夹具机构连接在所述实验管路中；

所述管柱夹具机构，包括四个光轴夹具，每个所述光轴夹具具有三个夹口，所述三个夹口具有一个中心夹口和两个侧面夹口，所述中心夹口内设置直线轴承；

四个所述光轴夹具分为两组，每组的两个所述光轴夹具的两个所述中心夹口之间连接支撑管，两组的两个所述支撑管之间连接所述模拟压裂管柱；

四个所述光轴夹具的每一单侧的所述侧面夹口之间连接夹具扶正杆。

优选地，所述管柱夹具机构上还具有液压推进器；

所述液压推进器，用于向所述模拟压裂管柱施加轴向力；

所述轴向力，用于所述模拟压裂管柱轴向力传递效率测试提供动力。

优选地，所述管柱振动监测机构，包括拉压传感器和加速度传感器；

所述拉压传感器，包括第一拉压传感器和第二拉压传感器；

所述第一拉压传感器和第二拉压传感器分别安装在所述模拟压裂管柱两端的所述实验管路上，用于测量所述模拟压裂管柱两端轴向力，为计算轴向力传递效率提供测试数据；

所述加速度传感器，安装在模拟压裂管柱的不同位置上，用于测试模拟压裂管柱振动时产生的位移变化；

所述位移变化，用于监测加速度频率；

所述加速度频率，用于研究所述模拟压裂管柱的振动特性。

优选地，所述模拟压裂管柱的下方设置有摩阻箱；

所述摩阻箱内具有沙土；

所述沙土的成分和湿度不同，用于模拟研究不同地层下所述模拟压裂管柱的轴向力传递效率。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明建立了可以提供高砂比、高压力、高流速两相流诱导管柱振动研究的实验平台，拟补了地面缺少模拟高压力、高砂比压裂测试平台的不足，为两相流诱导管柱振动的规律研究提供了基础设备。

2、本发明装置可输送单相流、固液两相流，用以模拟不同流体介质对管道振动的影响；模拟压裂管柱可以是变径管、T型管和弯管等，用以模拟不同管柱类型对振动的影响；两相流中的固体颗粒可以为砂粒、金属颗粒等，其固相浓度可任意调节。

3、本发明可在两相流诱导两相流振动的情况下，通过设置的摩阻箱，研究管柱在不同外部摩擦介质条件下轴向力传递效率。

4、本发明通过电控球阀开度的周期性变化，来模拟压裂施工时，地层开裂导致的管道压力波动，尽可能的真实模拟真实压裂施工的流体压力、流速变化。

附图说明

通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统整体结构示意图；

图2是本发明实施例的加砂机构的结构示意图；

图3是图2中局部放大图；

图4是本发明实施例的绞龙的结构示意图；

图5是本发明实施例中的管柱夹具机构的结构示意图；

图6是图5中中心夹口部分的局部放大图；

图7是图1的局部放大图。

图8是本发明实施例的拉压传感器在实验管路上的布置示意图；

图9是本发明实施例的摩阻箱在实验管路上的布置示意图。

其中：1、柱塞泵；2、混砂液箱；3、加砂装置；4、清水箱；5、管道；6、压力计支撑架；7、第一压力计；8、夹具支撑架；9、液压推进器；10、第一拉压传感器；11、限位卡瓦；12、支撑管；13、单级弯管；14、多级弯管；15、单级变径管；16、多级变径管；17、加速度传感器；18、夹具扶正杆；19、T型管；20、直线轴承；21、支撑光轴；22、限位卡瓦；23、光轴夹具；24、第二拉压传感器；25、弹簧；26、闸阀支撑架；27、闸阀；28、三通管；29、第二压力计；30、电控球阀支撑架；31、电控球阀；32、卸压筒支撑架；33、卸压筒；34、流量表；35、控制台。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是值得说明的是，本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本发明的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。

同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

图1是本发明实施例的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统整体结构示意图。由图1所示：一种两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，包括实验管路5、模拟压裂管柱、两相流供给机构、两相流调节机构及管柱振动监测机构。

其中，实验管路5用于模拟压裂管道，模拟压裂管柱连接在实验管路5中，两相流供给机构与实验管路5连接，用于向实验管路5提供混砂液，该混砂液，用于模拟压裂液；两相流调节机构与实验管路5连接，用于调节混砂液的流量、流速及水砂混合比；两相流调节机构、两相流供给机构及实验管路5为模拟压裂管柱提供压裂环境；管柱振动监测机构连接在实验管路5中，用于监测模拟压裂管柱振动时产生的位移变化，从而获得管柱振动数据。

进一步地，在图1中，实验管路5上设置闸阀27、卸压筒33、流量表34；其中闸阀27下方设置闸阀支撑架26，卸压筒33下方设置卸压筒支撑架32。

进一步地，在图1中，两相流供给机构，包括柱塞泵1、清水箱4、加砂机构3、混砂液箱2。清水箱4中储存足量的清水，加砂机构3中储存足量的砂，柱塞泵1将清水从清水箱4中泵入实验管路5，与从加砂机构3中流出的砂按比例混合后共同进入实验管道；混砂液箱2在整个水利循环系统末端，用来收集实验用混砂液，并实现水与砂的分离。两相流供给机构是模拟实际压裂过程中压裂液的供给。

图2是本发明实施例的加砂机构的结构示意图；图3是图1中的局部放大图，图3是绞龙的结构示意图。在图2及图3中，加砂机构3里的砂经三通管道3-1通过绞笼3-5落入三通管道3-2，最终落入三通管道3-3与清水混合，从实验管路5中流出。通过控制台35改变变频电机3-4的转速来改变绞龙3-5的转速。

进一步地，在图1中，两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统还具有控制台35，该控制台35用于柱塞泵1和变频电机3-4的控制。

进一步地，在图1中，模拟压裂管柱，包括单级变径管15、多级变径管16、单级弯管13、多级弯管14、T型管19。用来模拟井下变径管、弯管或其他工具的振动和轴向力传递效率，而设计的等比例模型或缩小比例模型。

图5是本发明实施例中的管柱夹具机构示意图。模拟压裂管柱通过该管柱夹具机构接入实验管路5中。在图5中，管柱夹具机构，包括四个光轴夹具23，每个光轴夹具23具有三个夹口，中心夹口内设置直线轴承20，另外两个夹口相对于中心夹口对称布置形成侧面夹口；这四个光轴夹具23分为两组，第一组的两个光轴夹具23，在两个中心夹口之间连接第一支撑管12，第二组的两个光轴夹具23，在两个中心夹口之间连接第二支撑管21，第一支撑管12及第二支撑管21之间连接模拟压裂管柱；这四个光轴夹具23的每一单侧的四个侧面夹口之间连接夹具扶正杆18。每组光轴夹具23的下方通过夹具支撑架8支撑。

进一步地，两相流调节机构，包括两相流流量调节机构、两相流压力调节机构

由图7可以看出，两相流流量调节机构为电控球阀31，在电控球阀31下方设置电控球阀支撑架30来稳固电控球阀31；通过调节电控球阀31改变实验管路5中的两相流流量，以此来模拟地层裂缝拓展时的压力波动。

两相流压力调节机构，包括第一压力计7及第二压力计29，分别安装在模拟压裂管柱的前端和后端，用来测量两相流在经过模拟压裂管柱前后的压力变化，保证实验高压力的条件。

进一步地，管柱振动监测机构，包括拉压传感器和加速度传感器17。

由图8可以看出，拉压传感器，包括第一拉压传感器10和第二拉压传感器24，第一拉压传感器10和第二拉压传感器24分别安装在模拟压裂管柱两端的实验管路上，用来测量模拟压裂管柱两端轴向力，计算轴向力传递效率。

另外，在图8中，管柱夹具机构上还设置了液压推进器9和弹簧25，液压推进器9施加力时候，要产生位移，此位移会压缩弹簧25，弹簧25上的压缩力即为施加到模拟压裂管柱上的实际轴向力。该液压推进器9在实验中可以向模拟压裂管柱添加0-1.5t的轴向力，用于测试模拟压裂管柱轴向力的传递效率。

在图9中，模拟压裂管柱的下方设置有摩阻箱，通过改变摩阻箱内沙土的成分和湿度，可模拟研究不同地层下管道的轴向力传递效率。

加速度传感器17安装在实验用不同的变径管、弯管上，通过管柱振动时产生的位移变化来监测加速度，通过加速度频率研究管柱的振动特性。为了测试模拟压裂管柱不同位置的振动特性，可以在模拟压裂管柱的不同位置分别安装加速度传感器17。

因为在实际压裂工作中，高砂比、高压力、高流速的流体经过管柱时，会使管柱产生剧烈震动，严重的震动甚至会使管柱断裂，导致发生压裂事故，所以需要监测模拟压裂管柱在高压力、高流速、高砂比的条件下振动的加速度变化，以便对记录的数据进行分析，进而优化压裂工艺，减少压裂事故的发生。

具体地，对本发明的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统的工作过程进行说明：

通过控制台35，启动柱塞泵1，柱塞泵1从清水箱4抽出清水，进入实验管路5，从流量表34读取流量，根据所需流量，调整电控球阀31，使得整个模拟实验中将流速控制在0-50m/s，保证实验高流速、高压力的条件；待系统稳定后，制混砂液，通过控制台35启动变频电机3-4，带动绞龙3-5，使加砂机构3里的砂经三通管道3-1落入三通管道3-2，最终落入三通管道3-3与清水混合。改变变频电机3-4的转速来改变绞龙3-5的转速，调整所需砂比，将砂比控制在0-50%范围内，并保证实验高砂比的条件。

从落砂开始，第一压力计7、第二压力计29记录不同砂比的每一时刻模拟压裂管柱的压力变化，压力值变化范围在0-40Mpa。

此时，也通过分布在不同位置上的加速度传感器17记录模拟压裂管柱不同位置上的每一时刻的振动频率，当砂比在0-50%变化时，管柱振动频率在45-50hz范围内。

在恒定砂比条件下，待系统稳定，调节电控球阀31，增加管柱内两相流的瞬时流量，加速度传感器17将记录模拟压裂管柱不同位置的振动频率变化，再次调节电控球阀31，逐渐减小模拟压裂管柱内两相流的瞬时流量，再次记录模拟压裂管柱不同位置的振动频率变化。

在恒定砂比条件下，待系统稳定，将模拟压裂管柱预置在摩阻箱内，由液压推进器9向实验管道添加0-1.5t的轴向力，在拉压传感器10处记录入口处的轴向力，在拉压传感器24处记录出口处的轴向力，以此计算模拟压裂管柱轴向力的传递效率。

通过改变摩阻箱内沙土的成分和湿度，可模拟研究不同地层下管道的轴向力传递效率，介质不同，传递效率的范围在20%-99%。

与此同时，实验结束后，通过对单级弯管13、多级弯管14、单级变径管15、多级变径管16、T型管19的内部进行倒模，可以进行实验管柱的磨蚀实验研究。高砂比、高流速的混砂液流出实验管路5后，将流经卸压筒32来释放混砂液的高压力，以保护设备和实验管路5，卸压后的混砂液将流入混砂液箱2，并在混砂液箱2内进行水、砂分离，便于循环利用。

当研究T型管19时，闸阀27需处于关闭状态，T型管19与三通管28相连，进行实验研究。当研究单级弯管13、多级弯管14、单级变径管15、多级变径管16时，闸阀27需处于开启状态，三通管28处于关闭状态。

以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，其特征在于，包括：

实验管路、模拟压裂管柱、两相流供给机构、两相流调节机构及管柱振动监测机构；

所述实验管路，用于模拟压裂管道；

所述模拟压裂管柱，连接在所述实验管路中；

所述两相流供给机构，与所述实验管路连接，用于向所述实验管路提供混砂液；

所述混砂液，用于模拟压裂液；

所述两相流调节机构，与所述实验管路连接，用于调节所述混砂液的流量、流速及水砂混合比；

所述两相流调节机构、所述两相流供给机构及所述实验管路为所述模拟压裂管柱提供压裂环境；

所述管柱振动监测机构，连接在实验管路中，用于监测模拟压裂管柱振动数据，为两相流诱导管柱振动和轴向力研究提供数据支持。

2.根据权利要求1所述的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，其特征在于：

所述模拟压裂管柱，为直管、变径管、弯管或T型管。

3.根据权利要求1所述的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，其特征在于：

所述两相流供给机构，包括加水机构及加砂机构；

所述加水机构，用于向所述实验管路提供清水；

所述加砂机构，用于向所述实验管路提供砂子；

所述清水与所述砂子在所述实验管路中混合后成为混砂液。

4.根据权利要求3所述的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，其特征在于：

所述两相流供给机构，还包括：

混砂液箱；

所述混砂液箱，连接在所述实验管路的末端，用于所述实验管路内的所述混砂液的水、砂分离，便于循环利用。

5.根据权利要求1所述的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，其特征在于：

所述实验管路上设置卸压筒；

所述卸压筒，用于释放所述混砂液的压力，保护所述实验管路及所述实验管路上连接的仪器和/或设备。

6.根据权利要求1所述的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，其特征在于：

所述两相流调节机构，包括两相流流量调节机构、两相流压力调节机构；

所述两相流流量调节机构为电控球阀；

所述电控球阀，用于调节所述实验管路中的所述混砂液流量，模拟地层裂缝拓展时的压力波动；

所述两相流压力调节机构，包括第一压力计及第二压力计；

所述第一压力计及所述第二压力计，分别安装在所述模拟压裂管柱的两端，用于测量所述混砂液在经过所述模拟压裂管柱前后的压力变化。

7.根据权利要求1所述的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，其特征在于：

所述模拟压裂管柱通过管柱夹具机构连接在所述实验管路中；

所述管柱夹具机构，包括四个光轴夹具，每个所述光轴夹具具有三个夹口，所述三个夹口具有一个中心夹口和两个侧面夹口，所述中心夹口内设置直线轴承；

四个所述光轴夹具分为两组，每组的两个所述光轴夹具的两个所述中心夹口之间连接支撑管，两组的两个所述支撑管之间连接所述模拟压裂管柱；

四个所述光轴夹具的每一单侧的所述侧面夹口之间连接夹具扶正杆。

8.根据权利要求7所述的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，其特征在于：

所述管柱夹具机构上还具有液压推进器；

所述液压推进器，用于向所述模拟压裂管柱施加轴向力；

所述轴向力，用于所述模拟压裂管柱轴向力传递效率测试提供动力。

9.根据权利要求1所述的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，其特征在于：

所述管柱振动监测机构，包括拉压传感器和加速度传感器；

所述拉压传感器，包括第一拉压传感器和第二拉压传感器；

所述第一拉压传感器和第二拉压传感器分别安装在所述模拟压裂管柱两端的所述实验管路上，用于测量所述模拟压裂管柱两端轴向力，为计算轴向力传递效率提供测试数据；

所述加速度传感器，安装在模拟压裂管柱的不同位置上，用于测试模拟压裂管柱振动时产生的位移变化；

所述位移变化，用于监测加速度频率；

所述加速度频率，用于研究所述模拟压裂管柱的振动特性。

10.根据权利要求1-9中任一所述的两相流诱导管柱振动和轴向力传递模拟系统，其特征在于：

所述模拟压裂管柱的下方设置有摩阻箱；

所述摩阻箱内具有沙土；

所述沙土的成分和湿度不同，用于模拟研究不同地层下所述模拟压裂管柱的轴向力传递效率。