CN109915125A - 一种蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置及方法，主要由供液系统、实验流管、高速摄像机、高精度流体压力监测探头、网丝传感器、流体分离循环系统和信号检测系统组成。所述实验流管上端连接供液供气系统，实现油气水高精度输入；所述实验流管采用钢丝软管连接，流管内安装高精度流压监测探头和网丝传感器，实现流压、持率和介质分布的实时在线监测；所述实验流管出口端与流体分离系统连接，实现实验流体的分离与循环利用。本发明原理可靠、操作方便，适用于模拟蛇形水平井开发过程井筒多相流体流动并监测流动特征参数。为建立蛇形水平井流动特征参数间定量关系及生产动态评价提供依据，服务于非常规油气藏合理高效开发。

Description

一种蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置，以及利用该装置监测蛇形水平井气水、油水两相流体流动特征参数的方法，是一种建立多相流体流动特征参数定量关系模型，指导蛇形水平井生产动态测井定量评价的有效方法。

背景技术

随着全球能源需求量急剧增加和常规资源的逐渐枯竭，以致密油气、页岩油气等为代表的非常规油气资源成为全球勘探开发的重要领域。不同于常规油气资源，非常规油气藏储层物性极差，覆压基质渗透率普遍小于或等于0.1mD，水平井开发和多段压裂技术是目前开采非常规油气最常用的方法。水平井钻井过程中，完全理想水平井并不存在，大部分水平井或水平井段存在纵向起伏，此类井即称之为蛇形水平井。对于蛇形水平井多相流体流动，依据井筒结构可分为下坡流、水平流和上坡流组合，受复杂井筒结构和重力分异影响，开发过程介质受力关系复杂，加上流管倾角、流体性质、含液率、流量等因素耦合作用影响，流体流动特征复杂，流型多变，流动特征参数表征困难。目前，通过室内实验模拟井筒多相流动并监测多相流体流动过程特征参数及变化，是建立特征参数定量模型，评价水平井生产动态的基础。国内外学者聚焦斜井、水平井(倾角θ＝0°)气-水两相流动，建立基于单一的不同管径、不同倾角的流管物理模型，开展不同因素影响条件气-水两相流动模拟实验并建立对应特征参数表征模型。实际蛇形水平井生产动态测井资料评价效果表明，基于单一倾斜流管或水平管多相流动建立的特征参数模型并不适用于表征蛇形水平井多相流体流动，尤其是实验过程不能准确监测蛇形水平井内流体介质分布变化和流管压降变化，建立的定量模型存在一定偏差，因此亟需建立一种能更真实模拟蛇形水平井多相流动的实验装置，进而更准确的获取多相流体流动过程特征参数并建立对应的定量关系，为蛇形水平井生产动态评价提供更准确的定量评价模型。

为了克服单一流管模型模拟实验存在的影响因素局限，有必要设计一种模拟非常规油气藏蛇形水平井气水、油水两相流动的模拟试验装置系统，采用高精度流体压力监测探头和网丝传感器测量蛇形流管内不同流量、不同含液率条件流体压降、持水率和流体介质分布，用于解决蛇形水平井流体多相流动特征参数(表观速度、持率、压力梯度等)准确定量表征的技术问题，为非常规油气藏合理高效开发方案的优化和调整提供可靠的支撑参数和定量关系模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置，该装置原理可靠、操作方便，适用于监测不同流量蛇形水平井气水、油水两相流动特征参数及其变化，为非常规油气藏开发蛇形水平井生产动态测井定量评价提供可靠的模型参数。

本发明的另一个目的还在于提供利用上述装置对气水、油水两相流动特征参数进行测量的方法，该方法可测量气水、油水两相流体流动过程的流量、流压、持水率和流体介质分布，为定量分析蛇形水平井气水、油水两相不同流量、持水率、倾角条件两相流动规律提供实验手段，满足复杂条件工程需求。

为了实现以上技术目的，本发明提供以下技术方案：

本发明采用高精度流量计监测实验油气水流量，高精度压力探头测量两相流体流动过程不同位置流体压力，网丝传感器和高速摄像机测量持水率和流体介质分布。

蛇形水平流管内流体压降计算方法如下：

依据测试探头监测流体流动方向不同测点流体压力，若测点间流管倾角不发生变化，则流管内压降可由下式进行表示：

Δp＝p₁-p₂ (1)

若测点间流管倾角发生变化，则根据倾角变化将流管分成若干倾角相同部分，流管内压降可由下式进行表示：

Δp＝(p₁-p₂)+(p₂-p₃)+...+(p_n-p_n+1) (2)

对应压降梯度可表示为：

式中，p₁—测点1监测流体压力，单位为兆帕(MPa)；

p₂、p₃、p_n—流管倾角变化测点2、3、n监测流体压力，单位为兆帕(MPa)；

p_n+1—测点n+1监测流体压力，单位为兆帕(MPa)；

ΔL—测点间流体流动方向上的距离，单位米(m)。

监测点流体持水率和介质分布采用网丝传感器(Wire-Mesh-Sensor)测量，持水率计算方法参见文献(Vieira R E,Parsi M,Mclaury B S,et al.Experimentalcharacterization of vertical downward two-phase annular flows using Wire-MeshSensor[J].Chemical Engineering Science,2015,134:324-339.)(Vieira R E,Parsi M,Torres C F,et al.Experimental characterization of vertical gas–liquid pipeflow for annular and liquid loading conditions using dual Wire-Mesh Sensor[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2015,64:81-93.)。以气水两相流动为例，基于网丝传感器检测信号得第(i,j)个网格持水率Y_w(i,j)可表示为，

流管监测位置持水率可表示为，

式中，i,j—网丝传感器网丝序号；Nx,Ny—网丝传感器纵、横向网丝总数；k—测量时间帧；k_T—测量总时间帧数；V^*(i,j,k)—探头归一化响应值，即为测点液相体积分数；α(i,j)—第(i,j)个网格权系数；V(i,j,k)—探头实测响应值；V_f(i,j)—全水条件探头响应平均值；V_g(i,j)—全气条件探头响应平均值；Y_w(i,j)—第(i,j)个网格持水率平均值；Y_w—流管截面持水率。油水两相流动持水率计算方法与公式(4)和(5)相同。

一种蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置，由储水罐，储油罐，空气压缩机，加压泵，高精度压力计，高精度流量计，流体混合装置，高精度流体压力监测探头，网丝传感器，高速摄像机，气液分离系统，油水分离系统，实验流管，计算机，信号转换器，信号传输系统和控制阀门组成。所述实验流管为钢化玻璃制成，实现了蛇形水平井气水、油水两相流动可视化实验模拟。所述实验流管弯曲部位安装高精度流体压力监测探头，同时在不同倾角流管中间位置安装网丝传感器，实现了气水、油水两相流动过程压降、持水率和介质分布的实时在线监测。所述实验流管弯曲部位采用钢丝软管连接，倾斜段流管可根据实验需求自动调整倾角，实现不同倾角蛇形水平井两相流动模拟。所述供液系统采用高精度流量计和流量控制装置，实现蛇形水平井不同流量条件，尤其是中低流量条件下两相流动模拟。所述实验流管出口端连接气液分离系统和油水分离系统完成油气水的分离，实现了实验流体的重复循环利用。

利用上述蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置模拟气水两相流动的方法，依次包括以下步骤：

(1)实验装置检验及调试

按照实验需求将储水罐盛满模拟地层水，并检查供水系统的密封性，同时，开启供气系统空气压缩机和控制阀门，检查供气系统、流体混合系统、实验流管系统和流体回收系统密封性；气水两相流动模拟过程保持供油系统加压泵和对应控制阀门一直关闭；待检验结束，清洁实验流管，保证实验流管内壁无明显流体附着；

(2)监测仪器刻度

关闭供水系统加压泵和控制阀门，只打开供气系统空气压缩机和控制阀门，模拟井筒全气生产状态，设置气流量为0、30、50、100、150、200m³/d，记录稳定状态流体压力探头响应值和网丝传感器响应值；关闭供气系统空气压缩机和控制阀门，只打开供水系统，模拟井筒全水生产状态，设置水流量分别为0、30、50、100、150、200m³/d，记录稳定状态流体压力探头响应值和网丝传感器响应值，分别计算得到流体压力和网丝传感器探头响应平均值，作为计算持水率时全气和全水状态刻度值；

(3)气水两相流动模拟

根据模拟实验需求，设置实验流管倾斜段流管倾角并固定，打开供气和供水系统流管控制阀门，同时打开流体混合装置，再打开供液系统加压泵往混合装置输送模拟地层水，后再打开空气压缩机往混合装置输送模拟气；保持供油系统和对应控制阀门关闭，调节供水和供气系统控制阀门至实验设计气水流量值(实验过程模拟水流量由低到高逐一调节)，保持气水流动5～10分钟至稳定状态，打开流压、网丝传感器监测系统和高速摄像机，连续记录气水两相流动过程不同压力探头和网丝传感器探头响应值，并用高速摄像机捕获稳定流动过程流体介质分布图；按照实验设计，调节气水流量，对于模拟多组气水流量条件，先固定模拟水流量，调节模拟气流量直至该组模拟实验完成，再调节模拟水流量至下一模拟值，对应调节模拟气流量，记录气水两相稳定流动过程流体压力探头和网丝传感器响应值，直至完成所有设计流量模拟，结束该组流管倾角下模拟实验；

(4)变倾角气水两相流动模拟

待完成某一设置倾角下气水两相流动模拟，关闭供气和供液系统，调节实验流管倾斜段流管倾角至下一设定值并固定流管系统，重复步骤(3)直至完成该倾角条件所有设置模拟气水流量；

(5)实验结束，数据分析

待所有设置模拟气水流量、模拟流管倾角条件实验完成，关闭流压、网丝传感器监测系统和高速摄像机系统，再关闭供气系统和供水系统，清洁实验流管，完成实验数据分析处理。

利用上述蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置模拟油水两相流动的方法，将上述步骤(1)～(5)中的模拟气替换为模拟油，实验过程中保持供气系统空气压缩机和控制阀门关闭，设置供油、供水系统加压泵和控制阀门，调节对应油水流量，实现不同流量条件油水两相流动模拟和流量、流压、持水率和介质分布监测。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用流管结构可调式控制，可实现非常规油气藏开发过程各种蛇形水平井气水、油水两相流动过程可视化模拟。

(2)本发明采用高精度流量计控制供水、供油系统和供气系统，达到模拟流量的精确控制，可有效模拟不同流量条件气水、油水流体的流动，尤其对于中低流量气水、油水两相流动。

(3)本发明采用高精度流体压力计和网丝传感器监测模拟流动过程气水、油水流体压力、持水率和流体介质分布，可提供准确的流体压力和介质分布信息，为建立蛇形水平流管流动特征参数(表观速度、持率、压降)定量表征模型提供准确的实验参数。

(4)本发明采用高速摄像机捕获模拟实验过程流管内流体介质分布，在提供直观流体介质分布同时，为网丝传感器监测获取介质分布提供对比信息，提升定量分析的准确性。

(5)本发明采用可控式流体分离系统，可针对气水和油水两相流动选择不同的分离方式，有效提高了模拟流体的循环利用率。

总体来说，本发明实现了非常规油气藏蛇形水平井气水、油水两相流动模拟并计量获取流动特征参数，为建立非常规油气藏蛇形水平井气水、油水两相流动特征参数定量表征模型奠定基础。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参看图1，一种蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置，由储水罐01，储油罐02，空气压缩机03，加压泵04、05，高精度压力计06，高精度流量计07、08、09，流体混合装置10，高精度流体压力监测探头11、12、13、14、15、16，网丝传感器17、18、19、20，高速摄像机21，气液分离系统22，油水分离系统23，实验流管24，计算机25，信号转换器26，信号传输系统27，控制阀门组成28、29、30、31、32、33。所述实验流管24为钢化玻璃制成，流管弯曲部位采用钢丝软管连接，流管倾角可控制，实现了蛇形水平井室内多相流动可视化实验模拟；所述实验流管24上端连接流体混合装置10，实现流体介质均匀混合；所述流体混合装置10上端连接供气、供水和供油系统，输入混合装置10流体类别由控制阀门28、29、30、31进行控制；所述实验流管24弯曲部位安装高精度流体压力监测探头11、12、13、14、15、16，实现了气水、油水两相流动过程流压的实时在线监测；所述实验流管24不同倾角段的实验流管中间位置安装网丝传感器17、18、19、20，实现了气水、油水两相流动过程持水率和介质分布的实时在线监测；所述实验流管24下端连接气液分离装置22和油水分离装置23，实现了实验流体的分离和循环再利用。

一种蛇形水平井气水、油水两相流动模拟实验方法，对于气水两相流动模拟依次包括以下步骤：

(1)实验装置检查及调试

按照实验需求将储水罐01盛满模拟地层水，并检查供水系统的密封性；同时，打开空气压缩机03和控制阀门30、31，检查供气系统、混合系统、实验流管系统和流体回收系统密封性；气水两相流动模拟过程保持供油系统加压泵05和控制阀门29一直关闭；待检验结束，清洁实验流管24，保证实验流管内壁无明显流体附着；

(2)监测仪器刻度

关闭供水加压泵04，只打开供气系统空气压缩机03，关闭控制阀门28、29、33，打开控制阀门30、31，模拟井筒全气生产状态，设置气流量为0、30、50、100、150、200m³/d，记录稳定状态流体压力探头11、12、13、14、15、16响应值和网丝传感器17、18、19、20响应值；关闭供气系统空气压缩机03，只打开供水系统加压泵04，关闭控制阀门29、30、31，打开控制阀门28，模拟井筒全水生产状态，设置水流量分别为0、30、50、100、150、200m³/d，记录稳定状态流体压力探头11、12、13、14、15、16响应值和网丝传感器17、18、19、20响应值，分别计算得到流体压力和网丝传感器探头响应平均値，作为全气和全水状态持水率计算刻度值；

(3)气水两相流动模拟

根据模拟实验需求，设置实验流管24倾斜段流管倾角并固定，打开供水和供气系统流管控制阀门28、30、31和气液分离系统出水管控制阀门32，再打开供水系统加压泵04往混合装置10输送模拟地层水，后再打开空气压缩机03往混合装置10输送模拟气，保持供油系统加压泵05和对应控制阀门29、33关闭，调节供水和供气系统控制阀门28、30、31至实验设定气水流量值(实验过程模拟水流量由低到高逐一调节)，保持气水循环流动5～10分钟至稳定状态，打开计算机25，同时打开流压和网丝传感器监测信号传输系统26、27，连续记录气水两相流动过程流体压力探头11、12、13、14、15、16和网丝传感器17、18、19、20响应值，打开高速摄像机21记录气水两相稳定流动过程介质分布；按照实验设计，调节气水流量。对于模拟多组气水流量条件，先固定水相流量，调节气相流量直至该组模拟实验完成，再调节液相流量至下一模拟值，对应调节气相模拟流量，记录气水两相稳定流动过程流体压力探头和网丝传感器探头响应值，直至完成所有设计流量模拟，结束该组流管结构下模拟实验；

(4)变倾角气水两相流动模拟

待完成设置倾角下气水两相流动模拟，关闭供气和供液系统，调节实验流管倾斜段倾角至下一设定值并固定，重复步骤(3)直至完成该倾角条件所有设置模拟流量；

(5)实验结束，数据分析

待所有设置模拟气水流量、模拟流管倾角条件实验完成，关闭流压、网丝传感器监测系统和高速摄像机，再关闭供气系统和供水系统，清洁实验流管，完成实验数据分析处理。

一种蛇形水平井气水、油水两相流动模拟实验方法，对于油水两相流动模拟，将上述步骤(1)～(5)中的模拟气替换为模拟油，实验过程中保持供气系统空气压缩机03和控制阀门30、31关闭，设置供油、供水系统加压泵04、05和控制阀门28、29，监测得到不同流量条件油水两相流动过程流量、流压、持水率和介质分布。最后，结束实验，完成实验数据分析处理。

Claims (6)

1.一种蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置，主要由：(01)储水罐，(02)储油罐，(03)空气压缩机，(04)(05)加压泵，(06)高精度压力计，(07)(08)(09)高精度流量计，(10)流体混合装置，(11)(12)(13)(14)(15)(16)高精度流体压力监测探头，(17)(18)(19)(20)网丝传感器，(21)高速摄像机，(22)气液分离系统，(23)油水分离系统，(24)实验流管，(25)计算机，(26)信号转换器，(27)信号传输系统，(28)(29)(30)(31)(32)(33)控制阀门组成。

2.根据权利要求1所述一种蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置，其特征在于：所述(24)实验流管为钢化玻璃制成，实现了蛇形水平井实验室多相流动可视化实验模拟；实验流管(24)弯曲部位安装高精度流体压力监测探头(11)(12)(13)(14)(15)(16)，同时在不同倾角流管中间位置安装网丝传感器(17)(18)(19)(20)，实现了气水、油水两相流动过程持水率、介质分布和流压的实时在线监测。

3.根据权利要求1所述一种蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置，其特征在于：所述(24)实验流管弯曲部位采用钢丝软件连接，倾斜段流管可根据实验需求自动调整倾角，实现不同倾角蛇形水平井两相流动模拟；同时，供液系统高精度流量计和流量控制装置，实现蛇形水平井不同流量，尤其是低流量条件气水、油水两相流动模拟。

4.根据权利要求1所述一种蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置，其特征在于：所述(24)实验流管出口端连接气液分离系统(22)和油水分离系统(23)完成油气水的分离，实现实验流体的重复循环利用。

5.利用上述蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置模拟气水两相流动的方法，依次包括以下步骤：

(1)实验装置检查及调试

按照实验需求将储水罐(01)盛满模拟地层水，并检查供水系统的密封性，同时，开启供气系统空气压缩机(03)和控制阀门(30)(31)，检查供气系统、混合系统(10)、实验流管系统(24)和流体回收系统密封性，气水两相流动模拟过程保持供油系统加压泵(05)和控制阀门(29)一直关闭；待检验结束，清洁实验流管，保证实验流管(24)内壁无明显流体附着；

(2)监测仪器刻度

关闭供水系统加压泵(04)和控制阀门(28)(33)，只打开供气系统空气压缩机(03)和控制阀门(30)(31)，模拟井筒全气生产状态，设置气流量为0、30、50、100、150、200m³/d，记录稳定状态流体压力探头(11)(12)(13)(14)(15)(16)响应值和网丝传感器(17)(18)(19)(20)响应值；关闭供气系统空气压缩机(03)和控制阀门(30)(31)，只打开供水系统加压泵(04)和控制阀门(28)，模拟井筒全水生产状态，设置水流量分别为0、30、50、100、150、200m³/d，记录稳定状态流体压力探头(11)(12)(13)(14)(15)(16)响应值和网丝传感器(17)(18)(19)(20)响应值，分别计算得到流体压力和网丝传感器探头响应平均值，作为全气和全水状态持水率计算刻度值；

(3)气水两相流动模拟

根据模拟实验需求，设置实验流管(24)倾斜段流管倾角并固定，打开供气和供水系统流管控制阀门(28)(30)(31)，同时打开流体混合装置(10)，再打开供水系统加压泵(04)和控制阀门(28)往混合装置(10)输送模拟地层水，后再打开供气系统空气压缩机(03)和控制阀门(30)(31)往混合装置(10)输送模拟气，保持供油系统加压泵(05)和对应控制阀门(29)关闭，调节供液和供气系统控制阀门至实验设计气水流量(实验过程模拟水流量由低到高逐一调节)，保持气水流动5～10分钟至稳定状态，打开流压、网丝传感器监测系统(25)(26)(27)，连续记录气水两相流动过程流体压力探头(11)(12)(13)(14)(15)(16)响应值和网丝传感器(17)(18)(19)(20)响应值，打开高速摄像机(21)记录气水两相稳定流动过程介质分布；按照实验设计，调节气水流量，对于模拟多组气水流量条件，先固定模拟地层水流量，调节模拟气流量直至该组模拟实验完成，再调节模拟水至下一流量，对应调节模拟气流量，记录气水两相稳定流动过程流体压力探头(11)(12)(13)(14)(15)(16)响应值和网丝传感器(17)(18)(19)(20)响应值，直至完成所有设计模拟流量，结束该组流管结构下模拟实验；

(4)变倾角气水两相流动模拟

待完成某一设置倾角下气水两相流动模拟，关闭供气和供液系统，调节模拟流管(24)倾斜段流管倾角至下一设定值并固定流管系统，重复步骤(3)直至完成该倾角条件所有设置模拟气水流量；

(5)实验结束，数据分析

待所有设置模拟气水流量、模拟流管倾角条件实验完成，关闭流压、网丝传感器监测系统和高速摄像机，再关闭供气系统和供水系统，清洁实验流管，完成实验数据分析处理。

6.利用上述蛇形水平井气水、油水两相流模拟实验装置模拟油水两相流动的方法，将上述步骤(1)～(5)中的模拟气替换模拟油，实验过程中保持供气系统空气压缩机(03)和控制阀门(30)(31)以及出水管控制阀门(32)关闭，对应调节供油、供水系统加压泵(04)(05)和控制阀门(28)(29)，实现不同流量油水两相流动模拟和流量、流压、持水率和介质分布监测。