CN111140228B

CN111140228B - 研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置及实验方法

Info

Publication number: CN111140228B
Application number: CN202010010390.6A
Authority: CN
Inventors: 赵会军; 刘璐; 邓嵩; 贡誉; 张栋森; 赵旭航; 周雨凡; 陈书楷; 沈鑫; 凌定坤
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2040-01-06
Also published as: CN111140228A

Abstract

本发明涉及地热井井筒试验装置技术领域，尤其是一种研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置及实验方法，该可视化实验装置包括：水平复合井筒组件、纵向复合井筒组件及搅拌罐，本发明具有操作简单、安全性强、效能高的特点，能够满足在不同出井斜角、井筒直径、砂粒半径、砂粒材料等参数条件下的研究要求，从而实现能够获知在相关参数条件改变时对悬浮流速及携砂流速的影响，并可对地热水的携砂全过程进行监测和直接观察，这对于正确认识地热水的携砂影响规律具有重要意义，可为地热井的相关工艺、工具研发提供理论依据，以便降低地热井的出砂率、改善开发效果，降低施工时的掌控难度。

Description

研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及地热井井筒试验装置技术领域，尤其是一种研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置及实验方法。

背景技术

我国已利用的地热井中，由于地质及施工方面的原因,许多井水中有较高的含砂量，有的竟达二十万分之一，最大粒径1.5mm以上，并且因为地热井出砂严重，会对井筒以及管线携砂冲刷腐蚀，会造成昂贵的费用，使大多数的水器使用寿命缩短，加之地热水中含砂量超标，从而使供热管网堵塞影响正常供热的事故时有发生，同时，在我国地热井不同岩性地层中出砂与携砂规律目前尚不清楚；

鉴于此，为了尽可能降低出砂率、改善开发效果,降低施工时的掌控难度，本发明旨在提供一种能够对地热井携砂规律进行深入研究的实验装置及实验方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中无法得知地热井水的携砂规律的问题，本发明提供一种研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置及方法，该实验装置能够提供可视化的研究环境，其可研究得出井斜角、井筒直径、砂粒半径、砂粒材料等因素改变时对地热水的固体颗粒的悬浮流速及地热水的携砂流速的影响，以此获知地热井水的携砂规律；其中，通过附加高温环境，当井筒内地热水流速达到某个临界值时，处于上升和沉降状态的颗粒数量相等，达到平衡状态，此状态即为颗粒的悬浮状态，此时的地热水流速即为固体颗粒的悬浮流速；井筒内地热水中全部固体颗粒被顺利携带走的流速为携砂流速。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置，该可视化实验装置包括：

水平复合井筒组件，至少具有两个轴线在水平面内的水平井筒，所有水平井筒的内腔管径互不相同，水平井筒中均配置有第一加热丝；

纵向复合井筒组件，包括支架及轴线在竖直平面内的纵向井筒，所述纵向井筒和支架铰接，纵向井筒中配置有第二加热丝；

搅拌罐，具有用于容纳固体颗粒和水的搅拌腔及位于搅拌腔中的搅拌器，所述搅拌罐的底端具有用于加热的加热器；

主进水管，所述主进水管的进水端和搅拌腔的出口连通，所述主进水管的出水端同时连通有第一进水支管和第二进水支管，所述第一进水支管的出水端连通有若干分流管，所述分流管的数量和水平井筒的数量一致，且一一对应，所述分流管和与其对应的水平井筒的右端进口连通；所述第二进水支管和纵向井筒的底端进口连通；其中，每个分流管上均配置有第一流速计和第一阀门，第二进水支管上配置有第二流速计和第二阀门；

输送泵，配置在主进水管上；

第一出水管，所述第一出水管的一端和搅拌腔的进口连通，另一端同时和所有水平井筒的左端出口连通；

以及第二出水管，所述第二出水管的一端和搅拌腔的进口连通，另一端和纵向井筒的顶端出口连通。

本方案中利用搅拌罐来为水平井筒和纵向井筒来提供实验所使用的地热水，结合第一加热丝对水平井筒的加热和第二加热丝对水平井筒的加热，可模拟高温地层环境，并维持地热水的温度，提高实验的可靠性、准确性，且能够满足在不同出井斜角、井筒直径、砂粒半径、砂粒材料等参数条件下的研究要求，从而实现能够获知在相关参数条件改变时对悬浮流速及携砂流速的影响，并可对地热水的携砂全过程进行监测和直接观察，这对于正确认识地热水的携砂影响规律具有重要意义，且该实验装置地热水可循环利用，利用率高，便于观察，制作工艺简单，实验成本较低。

进一步地，所述搅拌罐中的搅拌腔具有两个，且两个搅拌腔之间通过隔板相互隔绝，两个所述搅拌腔其出口分别通过出口管和主进水管的进口端连通，所述出口管上均配置有第三阀门，两个所述搅拌腔中的位于左侧的搅拌腔与第一出水管连通，位于右侧的搅拌腔和第二出水管连通，所述第一出水管上配置有第四阀门，所述第二出水管上配置有第五阀门，所述搅拌罐中的搅拌器有两个，分别位于两个搅拌腔中；通过在两个搅拌腔中放入不同粒径的固体颗粒，或不同类别的固体颗粒，从而实现既可以依次单独对单个搅拌腔中的地热水进行携砂规律实验，也可移开隔板使其两个搅拌腔中的固体颗粒进行混合，从而进行携砂规律实验，以此，提高实验的多样性；且使操作更加便捷，缩短了实验时间，对比明显。

进一步地，所述水平井筒的两端均设有卡箍，所述卡箍固定在井架上；井架具体可固定在地面上。

进一步地，所述水平井筒呈L型，所述水平井筒的拐角可拆卸连接有法兰盘；通过将水平井筒设置呈L型，使其具备拐角，以便于观察地热水在经过拐角处时对固体颗粒的影响，使实验更加多样化；由于水平井筒的拐角处极易发生固体颗粒堵塞，造成实验无法继续进行，因此，法兰盘的设计，可在水平井筒的拐角处发生固体颗粒堵塞后，能够方便快捷的进行清理。

进一步地，所述纵向井筒的顶端可拆卸连接有封堵盖及滤网，所述滤网位于封堵盖的下方，所述纵向井筒的底端液设有滤网；打开封堵盖和位于纵向井筒上的滤网可将固体颗粒放置到纵向井筒内，而纵向井筒上方的滤网和下方的滤网可将固体颗粒限制在纵向井筒内，防止固体颗粒被冲走。

进一步地，所述纵向井筒和支架的铰接点处配置有刻度盘；从而便于更加准确的调节纵向井筒的角度。

进一步地，所述纵向井筒和水平井筒的材质均为石英玻璃；材质为石英玻璃的纵向井筒和水平井筒最高可受℃高温并且可见光透过率可以达到％以上，便于观察信息采集。

本发明还提供一种采用上述的研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置的实验方法，包括以下步骤：

S、利用第一加热丝对水平井筒进行预热；

S、将水和固体颗粒置入搅拌腔中，同时利用加热器对搅拌腔中的水和固体颗粒进行预热；

S、启动搅拌器，使搅拌腔中水和固体颗粒充分混合，形成携砂地热水；

S、打开所有的第一阀门，关闭第二阀门，启动输液泵，使搅拌腔中的携砂地热水进入水平井筒，调节第一阀门或输液泵使水平井筒中携砂地热水的流速逐渐增大，分别记录每个水平井筒中固体颗粒全部被携带走时的第一流速计上的流速。

S、利用第二加热丝对纵向井筒进行预热；

S、将水置入搅拌腔中，同时利用加热器对搅拌腔中的水进行预热，形成地热水；

S、向纵向井筒中加入固体颗粒；

S、调整好纵向井筒的倾斜角度后，打开第二阀门，关闭第一阀门，启动输液泵，使搅拌腔中的地热水进入纵向井筒，调节第二阀门或输液泵使纵向井筒中地热水的流速逐渐增大，记录纵向井筒底部没有固体颗粒沉积时的第二流速计上的流速。

本发明的有益效果是：本发明的研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置具有操作简单、安全性强、效能高的特点，能够满足在不同出井斜角、井筒直径、砂粒半径、砂粒材料等参数条件下的研究要求，从而实现能够获知在相关参数条件改变时对悬浮流速及携砂流速的影响，并可对地热水的携砂全过程进行监测和直接观察，这对于正确认识地热水的携砂影响规律具有重要意义，可为地热井的相关工艺、工具研发提供理论依据，以便降低地热井的出砂率、改善开发效果，降低施工时的掌控难度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置的示意图；

图2是本发明研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置中水平井筒的示意图；

图3是本发明研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置中水平井筒内形成砂床的示意图。

图中：1、水平井筒，1-1、第一加热丝；1-2、法兰盘；

2、纵向井筒；2-1、封堵盖；

3、支架，3-1、刻度盘；

4、搅拌罐，4-1、搅拌腔，4-2、搅拌器，4-3、加热器，4-4、隔板；

5、主进水管，5-1、第一进水支管，5-11、分流管，5-111、第一阀门，5-112、第一流速计，5-2、第二进水支管，5-21、第二流速计，5-22、第二阀门；

6、输送泵；

7、第一出水管，7-1、第四阀门；

8、第二出水管，8-1、第五阀门；

9、出口管，9-1、第三阀门。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

实施例1

如图所示，一种研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置，该可视化实验装置包括：

水平复合井筒组件，至少具有两个轴线在水平面内的水平井筒1，所有水平井筒1的内腔管径互不相同，水平井筒1中均配置有第一加热丝1-1；

纵向复合井筒组件，包括支架3及轴线在竖直平面内的纵向井筒2，所述纵向井筒2和支架3铰接，纵向井筒2中配置有第二加热丝；

搅拌罐4，具有用于容纳固体颗粒和水的搅拌腔4-1及位于搅拌腔4-1中的搅拌器4-2，所述搅拌罐4的底端具有用于加热的加热器4-3；

主进水管5，所述主进水管5的进水端和搅拌腔4-1的出口连通，所述主进水管5的出水端同时连通有第一进水支管5-1和第二进水支管5-2，所述第一进水支管5-1的出水端连通有若干分流管5-11，所述分流管5-11的数量和水平井筒1的数量一致，且一一对应，所述分流管5-11和与其对应的水平井筒1的右端进口连通；所述第二进水支管5-2和纵向井筒2的底端进口连通；其中，每个分流管5-11上均配置有第一流速计5-112和第一阀门5-111，第二进水支管5-2上配置有第二流速计5-21和第二阀门5-22；

输送泵6，配置在主进水管5上；

第一出水管7，所述第一出水管7的一端和搅拌腔4-1的进口连通，另一端同时和所有水平井筒1的左端出口连通；

以及第二出水管8，所述第二出水管8的一端和搅拌腔4-1的进口连通，另一端和纵向井筒2的顶端出口连通。

所述搅拌罐4中的搅拌腔4-1具有两个，且两个搅拌腔4-1之间通过隔板4-4相互隔绝，两个所述搅拌腔4-1其出口分别通过出口管9和主进水管5的进口端连通，所述出口管9上均配置有第三阀门9-1，两个所述搅拌腔4-1中的位于左侧的搅拌腔4-1与第一出水管7连通，位于右侧的搅拌腔4-1和第二出水管8连通，所述第一出水管7上配置有第四阀门7-1，所述第二出水管8上配置有第五阀门8-1，所述搅拌罐4中的搅拌器4-2有两个，分别位于两个搅拌腔4-1中；通过在两个搅拌腔4-1中放入不同粒径的固体颗粒，或不同类别的固体颗粒，从而实现既可以依次单独对单个搅拌腔4-1中的地热水进行携砂规律实验，也可移开隔板4-4使其两个搅拌腔4-1中的固体颗粒进行混合，从而进行携砂规律实验，以此，提高实验的多样性；且使操作更加便捷，缩短了实验时间，对比明显。

所述水平井筒1的两端均设有卡箍，所述卡箍固定在井架上；井架具体可固定在地面上。

所述水平井筒1呈L型，所述水平井筒1的拐角可拆卸连接有法兰盘1-2；通过将水平井筒1设置呈L型，使其具备拐角，以便于观察地热水在经过拐角处时对固体颗粒的影响，使实验更加多样化；由于水平井筒1的拐角处极易发生固体颗粒堵塞，造成实验无法继续进行，因此，法兰盘1-2的设计，可在水平井筒1的拐角处发生固体颗粒堵塞后，能够方便快捷的进行清理。

所述纵向井筒2的顶端可拆卸连接有封堵盖2-1及滤网，所述滤网位于封堵盖2-1的下方，所述纵向井筒2的底端液设有滤网；打开封堵盖2-1和位于纵向井筒2上的滤网可将固体颗粒放置到纵向井筒2内，而纵向井筒2上方的滤网和下方的滤网可将固体颗粒限制在纵向井筒2内，防止固体颗粒被冲走。

所述纵向井筒2和支架3的铰接点处配置有刻度盘3-1；从而便于更加准确的调节纵向井筒2的角度。

所述纵向井筒2和水平井筒1的材质均为石英玻璃；材质为石英玻璃的纵向井筒2和水平井筒1最高可受350℃高温并且可见光透过率可以达到95％以上，便于观察信息采集。

具体地，本实施例中三个水平井筒1的内腔管径分布为100mm、70mm和40mm，水平井筒1的长度均为2米。

本实施例的原理为：利用搅拌罐4来为水平井筒1和纵向井筒2来提供实验所使用的地热水，结合第一加热丝1-1对水平井筒1的加热和第二加热丝对水平井筒1的加热，可模拟高温地层环境，并维持地热水的温度，提高实验的可靠性、准确性，且能够满足在不同出井斜角、井筒直径、砂粒半径、砂粒材料等参数条件下的研究要求，从而实现能够获知在相关参数条件改变时对悬浮流速及携砂流速的影响，并可对地热水的携砂全过程进行监测和直接观察，这对于正确认识地热水的携砂影响规律具有重要意义，且该实验装置地热水可循环利用，利用率高，便于观察，制作工艺简单，实验成本较低。

实施例2

本发明还提供一种采用上述实施例1的研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1、利用第一加热丝1-1对水平井筒1进行预热；

S2、将水和固体颗粒置入搅拌罐4的两个搅拌腔4-1中，利用加热器4-3对搅拌腔4-1中的水和固体颗粒进行预热；

S3、启动搅拌器4-2，使搅拌腔(4-1)中水和固体颗粒充分混合，形成携砂地热水；

S4、打开第四阀门(7-1)、所有的第一阀门(5-111)及相应搅拌腔(4-1)中出口管(9)的第三阀门(9-1)，关闭第二阀门(5-22)，启动输液泵，使搅拌腔(4-1)中的携砂地热水进入水平井筒(1)，调节第一阀门(5-111)或输液泵使水平井筒(1)中携砂地热水的流速逐渐增大，分别记录每个水平井筒(1)中固体颗粒全部被携带走时的第一流速计(5-112)上的流速，此时所测的流速为该工艺参数条件下的地热水携砂流速。

本实施例中，通过将步骤S2中的固体颗粒分别选用石英砂或陶粒，分别进行实验，以此研究分析水平井筒(1)内改变固体颗粒的材质对地热水携砂流速的影响；

通过将步骤S2中的固体颗粒分别选用不同粒径的固体颗粒，分别进行实验，以此研究分析水平井筒1内改变固体颗粒的粒径对地热水携砂流速的影响；

通过将步骤S1和S2中的预热温度进行调节，使地热水的温度从40℃逐渐调高至200℃，分别进行实验；以此研究分析水平井筒1内地热水的温度及水平井筒1周围环境温度对地热水携砂流速的影响；

其中，在实验时，可用摄像机拍下固体颗粒的迁移过程，并可测量并记录在低流速时水平井筒1内形成砂床的高度，以便后续通过计算机进行相关分析。

实施例3

S1、利用第二加热丝对纵向井筒2进行预热；

S2、将水置入搅拌腔4-1中，同时利用加热器4-3对搅拌腔4-1中的水进行预热，形成地热水；

S3、向纵向井筒2中加入固体颗粒；

S4、调整好纵向井筒2的倾斜角度后，打开第二阀门5-22、第三阀门9-1及第五阀门8-1，关闭第一阀门5-111，启动输液泵，使搅拌腔4-1中的地热水进入纵向井筒2，调节第二阀门5-22或输液泵使纵向井筒2中地热水的流速逐渐增大，记录纵向井筒2底部没有固体颗粒沉积时的第二流速计5-21上的流速，所测的流速为该工艺参数条件下的固体颗粒的悬浮流速(纵向井筒2中处于上升和沉降状态的固体颗粒数量相等，达到平衡状态，此状态即为颗粒的悬浮状态，此时地热水的流速为固体颗粒的悬浮流速)。

本实施例中，通过将步骤S3中的固体颗粒分别选用石英砂或陶粒，分别进行实验，以此研究分析纵向井筒2内改变固体颗粒的材质对固体颗粒的悬浮流速的影响；

通过将步骤S3中的固体颗粒分别选用不同粒径的固体颗粒，分别进行实验，以此研究分析纵向井筒2内改变固体颗粒的粒径对固体颗粒的悬浮流速的影响；

通过将步骤S1和S2中的预热温度进行调节，使地热水的温度从40℃逐渐调高至200℃，分别进行实验；以此研究分析纵向井筒2内地热水的温度及纵向井筒2周围环境温度对固体颗粒的悬浮流速的影响；

通过将步骤S4中支架3上纵向井筒2的倾斜角度依次增大为30°、45°、60°及90°分别进行实验；以此研究分析纵向井筒2的倾斜角度对固体颗粒的悬浮流速的影响；

上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置，其特征在于：该可视化实验装置包括：

水平复合井筒组件，至少具有两个轴线在水平面内的水平井筒（1），所有水平井筒（1）的内腔管径互不相同，水平井筒（1）中均配置有第一加热丝（1-1）；

纵向复合井筒组件，包括支架（3）及轴线在竖直平面内的纵向井筒（2），所述纵向井筒（2）和支架（3）铰接，纵向井筒（2）中配置有第二加热丝；

搅拌罐（4），具有用于容纳固体颗粒和水的搅拌腔（4-1）及位于搅拌腔（4-1）中的搅拌器（4-2），所述搅拌罐（4）的底端具有用于加热的加热器（4-3）；

主进水管（5），所述主进水管（5）的进水端和搅拌腔（4-1）的出口连通，所述主进水管（5）的出水端同时连通有第一进水支管（5-1）和第二进水支管（5-2），所述第一进水支管（5-1）的出水端连通有若干分流管（5-11），所述分流管（5-11）的数量和水平井筒（1）的数量一致，且一一对应，所述分流管（5-11）和与其对应的水平井筒（1）的右端进口连通；所述第二进水支管（5-2）和纵向井筒（2）的底端进口连通；其中，每个分流管（5-11）上均配置有第一流速计（5-112）和第一阀门（5-111），第二进水支管（5-2）上配置有第二流速计（5-21）和第二阀门（5-22）；

输送泵（6），配置在主进水管（5）上；

第一出水管（7），所述第一出水管（7）的一端和搅拌腔（4-1）的进口连通，另一端同时和所有水平井筒（1）的左端出口连通；

以及第二出水管（8），所述第二出水管（8）的一端和搅拌腔（4-1）的进口连通，另一端和纵向井筒（2）的顶端出口连通；

所述搅拌罐（4）中的搅拌腔（4-1）具有两个，且两个搅拌腔（4-1）之间通过隔板（4-4）相互隔绝，两个所述搅拌腔（4-1）其出口分别通过出口管（9）和主进水管（5）的进口端连通，所述出口管（9）上均配置有第三阀门（9-1），两个所述搅拌腔（4-1）中的位于左侧的搅拌腔（4-1）与第一出水管（7）连通，位于右侧的搅拌腔（4-1）和第二出水管（8）连通，所述第一出水管（7）上配置有第四阀门（7-1），所述第二出水管（8）上配置有第五阀门（8-1），所述搅拌罐（4）中的搅拌器（4-2）有两个，分别位于两个搅拌腔（4-1）中。

2.根据权利要求1所述的研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置，其特征在于：所述水平井筒（1）的两端均设有卡箍，所述卡箍固定在井架上。

3.根据权利要求1所述的研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置，其特征在于：所述水平井筒（1）呈L型，所述水平井筒（1）的拐角可拆卸连接有法兰盘（1-2）。

4.根据权利要求3所述的研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置，其特征在于：所述纵向井筒（2）的顶端可拆卸连接有封堵盖（2-1）及滤网，所述滤网位于封堵盖（2-1）的下方，所述纵向井筒（2）的底端也设有滤网。

5.根据权利要求3所述的研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置，其特征在于：所述纵向井筒（2）和支架（3）的铰接点处配置有刻度盘（3-1）。

6.根据权利要求3所述的研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置，其特征在于：所述纵向井筒（2）和水平井筒（1）的材质均为石英玻璃。

7.一种采用如权利要求1所述的研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、利用第一加热丝（1-1）对水平井筒（1）进行预热；

S2、将水和固体颗粒置入搅拌腔（4-1）中，同时利用加热器（4-3）对搅拌腔（4-1）中的水和固体颗粒进行预热；

S3、启动搅拌器（4-2），使搅拌腔（4-1）中水和固体颗粒充分混合，形成携砂地热水；

S4、打开所有的第一阀门（5-111），关闭第二阀门（5-22），启动输液泵，使搅拌腔（4-1）中的携砂地热水进入水平井筒（1），调节第一阀门（5-111）或输液泵使水平井筒（1）中携砂地热水的流速逐渐增大，分别记录每个水平井筒（1）中固体颗粒全部被携带走时的第一流速计（5-112）上的流速。

8.一种采用如权利要求1所述的研究地热井流体携砂规律的可视化实验装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、利用第二加热丝对纵向井筒（2）进行预热；

S2、将水置入搅拌腔（4-1）中，同时利用加热器（4-3）对搅拌腔（4-1）中的水进行预热，形成地热水；

S3、向纵向井筒（2）中加入固体颗粒；

S4、调整好纵向井筒（2）的倾斜角度后，打开第二阀门（5-22），关闭第一阀门（5-111），启动输液泵，使搅拌腔（4-1）中的地热水进入纵向井筒（2），调节第二阀门（5-22）或输液泵使纵向井筒（2）中地热水的流速逐渐增大，记录纵向井筒（2）底部没有固体颗粒沉积时的第二流速计（5-21）上的流速。