CN111458478A - 天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置及方法，包括供液装置、供气装置、反循环输运装置、多相流观测装置和循环装置，供液装置包括水箱、加热器、水泵、节流阀和涡轮流量计；供气装置包括空压机、可编程控制器、涡街流量计和气液混合器；反循环模拟装置包括动力机、投料漏斗、螺旋加料器、反循环实验台和反循环井筒；多相流观测装置包括计算机、温度传感器、电阻探针、压差变速器、压力传感器、负压传感器、可视窗和摄像机；循环装置包括：混合出料管、滤式固液分离器、岩屑箱和旋流气液分离器。本发明用于模拟天然气水合物固体颗粒和气液混合物反循环输运的物理过程，测试气液固三相流动特征和相变规律，为水合物的开采提供科学依据和技术支持。

Description

天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置及方法

技术领域

本发明属于石油天然气钻采技术领域，涉及一种天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置及方法。

背景技术

天然气水合物是一种由甲烷为主的气体与水分子组成的冰雪状晶体物质，它形成与储藏在低温高压的环境中，被认为是21世纪最有远景的新能源，世界上绝大部分天然气水合物蕴藏在特定的海底沉积物中。由于海洋天然气水合物物理性质的特殊性及其海底成藏环境的复杂性，钻井和开采的难度更大，是一项高难度、高技术和高风险的综合性工程。

目前，国际上天然气水合物的研究热点已由资源调查转为开发利用。现有开采方法多基于水合物的热力学平衡原理，破坏水合物稳定存在的温度压力条件使其分解，包括降压法、加热法、注入抑制剂法、置换法等方法；另一类则是固态流化开采法和海水提升法，也具备技术上的可行性。反循环钻井技术是当今国际上一种先进的钻进工艺方法，具有钻进效率高、携岩效果好、钻进成本低、有效避免井壁漏失等特点，已成功应用于干热岩开发、水井钻凿、油气勘探等领域。如将其用于天然气水合物地层的钻井，有望解决深水钻井技术瓶颈和水合物开采面临的地层漏失和效率低等难题。但无论采用何种开采方法，固体水合物颗粒通过管路输送到开采平台的过程中，井筒内的水合物会发生相变，导致多相流动极为复杂，这是一种包含相变、传热传质、多相流动、流型转换的新型科学问题，因而有必要采用相关实验装置和方法开展深入研究。

CN103185772A公开了一种含水合物相变的固-液-气多相流动实验装置与测试方法，可以模拟水合物沉积物固体颗粒和热水的混合物在管路向上输运的物理过程，测试水合物相变规律、气液固流动特性和多相组分分离参数；CN102865066A公开了一种含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验设置及实验方法，可完成深水井筒天然气水合物形成模拟实验、深水井筒内天然气水合物分解模拟实验、深水井筒内天然气水合物分解对井筒多相流流动规律影响的模拟实验。以上专利主要是研究常规钻井方法钻进过程中，井筒内的水合物相变规律和多相流动机理。

发明内容

本发明结合反循环钻井技术特点，提出一种能够模拟水合物反循环输运过程中井筒内的多相流模拟实验装置及方法。通过模拟实验台对井筒内的压力场、温度场和流场进行控制，并进行固体颗粒的运移规律、多相流流型转换和水合物相变过程的测试实验。

为了解决上述问题，本发明提供一种天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置，包括供液装置、供气装置、反循环输运装置、多相流观测装置和循环装置，其中：

所述供液装置是由水箱通过进水管与加热器和水泵相通，水泵通过注液管路与气液混合器相连；注液管路上安装有节流阀和涡轮流量计，涡轮流量计位于节流阀与气液混合器之间；所述与气液混合器为三通式结构，三个通道分别是进液口，进气口和出液口，其中进液口与水泵相通。

所述供气装置是由空压机通过注气管路向气液混合器进气口注入一定质量流量的气体，通过注气管路上依次安装有可编程控制器和涡街流量计，涡街流量计位于可编程控制器与气液混合器之间。

所述反循环输送装置是利用动力机驱动螺旋加料器，螺旋加料器上端与投料漏斗连通，出口端通过进料管与反循环实验台相通，反循环井筒安装在所述实验台的上端，构成气液固多相流的运移通道。

所述多相流观测装置是利用摄像机通过设置在井筒侧面的可视窗连续采集流场图像，然后通过分析和处理图像来研究多相流动规律；所述计算机通过数据线与安装在井筒侧面的温度传感器、阻抗探针、压差变速器、压力传感器和安装在实验台底部的负压传感器相连，并可以读取温度传感器、阻抗探针、压差变速器、压力传感器和负压传感器的数据。

所述循环装置的滤式固液分离器通过混合出料管与所述井筒的顶部相连，安装在滤式固液分离器下端的岩屑箱用来回收过滤出的固体颗粒；滤式固液分离器出口通过排渣管与旋流气液分离器相通，旋流气液分离器下端通过管路与水箱相通，用来回收循环用水。

进一步地，所述多相流观测装置包括计算机、温度传感器、阻抗探针、压差变速器、压力传感器、负压传感器、可视窗和摄像机。

所述温度传感器为2个，分别安装在井筒的底部和顶部，用来测试管路内的温度变化数据；所述阻抗探针为2组，分别安装在井筒的底部和顶部，用来测试管路多相流的流型变化情况；压差变速器与井筒相连，测试井筒出入口的压力降数据；；压力传感器为2个，分别安装在井筒的底部和顶部，用来测试井筒内的压力变化数据；所述负压传感器安装在实验台下端，用来测试钻孔底部的负压数值。

进一步地，所述反循环实验台为双通道结构，利用螺栓将实验台基体固定在底板上，实验台的外管和内管同心布置，与基体采用插接安装，外管与接头采用螺纹连接，接头上端利用螺纹和反循环井筒连接；实验台外管的侧面开口与进液口采用焊接，并与气液混合器相通，实验台基体的侧面开口与进料口采用焊接，并与进料管采用螺纹连接。

本发明的具体实验方法步骤如下：

步骤一、组装实验装置，分别启动供液装置和供气装置，完成液体和气体的管路循环调试，检查各种仪表和传感器的工作状态，并做归零处理；

步骤二、启动水泵和空压机，并设定出口压力，调节节流阀和阀门来控制水和气体的流量，并通过气液混合器将气液混合流体送入反循环实验台；

步骤三、利用动力机驱动螺旋加料器，将存储在投料漏斗中预设粒径的固体颗粒样品通过进料管送入反循环实验台；

步骤四、利用摄像机记录气液固多相流在管路内的流态，观察固体颗粒的运移和升举过程，并记录流场压力和速度的变化情况；

步骤五、停止固体颗粒的投料，向井筒内输入气液两相流，设计实验的气液流量比，利用可编程控制器精确调整气体流量，使井筒内依次形成泡沫流、泡状流、段塞流、搅拌流和环状流；

步骤六、待流态稳定后，读取和记录压差变速器、压力传感器和流量计中的数值，利用阻抗探针测量界面相含率及相速度，分析多相流流速和流态对井筒内压力的影响；

步骤七、将预制的水合物浆体送入反循环实验台，用加热器将循环水加热到预定温度，并利用水泵按照预定的压力和速度向所述实验台注入热水，携带水合物浆体沿井筒上返；

步骤八、利用摄像机通过可视窗观测水合物样品随温度升高而不断分解的过程，并利用温度传感器、压力传感器实时监测井筒内温度和压力的分布数据。

本发明的有益效果是：可实现天然气水合物反循环钻井过程中多相流动的模拟，具体包括：

1、可以测试反循环井筒内的气液固多相流的压力和速度。

2、分析反循环钻井过程中多相流流速和流态对井筒内压力的影响。

3、研究水合物样品在井筒中的相变过程及对多相流场的影响规律。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的反循环实验台结构示意图。

图中：1-反循环实验台，101-底板，102-基体，103-外管，104-内管，105-接头，106-进液口，107-进料口，2-反循环井筒，3-计算机，4-温度传感器，5-阻抗探针，6-压差变速器，7-压力传感器，8-可视窗，9-摄像机，10-混合出料管，11-滤式固液分离器，12-岩屑箱，13-排渣管，14-旋流气液分离器，15-水箱，16-加热器，17-水泵，18-节流阀，19-涡轮流量计，20-注液管路，21-空压机，22-注气管路，23-可编程控制器，24涡街流量计，25-气液混合器，26-动力机，27-投料漏斗，28-螺旋加料器，29-进料管，30-负压传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图1所示，天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置，包括供液装置、供气装置、反循环输运装置、多相流观测装置和循环装置。

所述供液装置是由水箱15通过进水管与加热器16和水泵17相通，加热器可将循环水加热到预定的温度。水泵17通过注液管路20与气液混合器25相连；注液管路20上安装有节流阀18和涡轮流量计19，用以控制和记录循环水的流量，涡轮流量计19位于节流阀18与气液混合器25之间；所述与气液混合器25为三通式结构，三个通道分别是进液口，进气口和出液口，其中进液口与水泵17相通；水泵可将预定流量的水注入到气液混合器中。

所述供气装置是由空压机21通过注气管路22向气液混合器25进气口注入一定质量流量的气体，通过注气管路22上依次安装有可编程控制器23和涡街流量计24，涡街流量计24位于可编程控制器23与气液混合器25之间，可编程控制器23用于控制经注气管路22注入到气液混合器25中的空气流量。

反循环输送装置是利用动力机26驱动螺旋加料器28，并且由螺旋加料器28上端的投料漏斗27来控制固体颗粒的添加速度，并通过进料管29将固体颗粒送入反循环实验台1的底部，反循环实验台1的上端则与反循环井筒2采用螺纹连接，构成气液固多相流的运移通道。

多相流观测装置是由各类测试仪表和数据采集装置构成，在反循环井筒2的侧面开设有可视窗8，可视窗8为有机玻璃材质，可利用摄像机9观测连续采集井筒内的流场图像，然后通过分析和处理图像来研究多相流动规律；计算机9通过数据线与安装在井筒侧面的温度传感器4、阻抗探针5、压差变速器6、压力传感器7和安装在实验台底部的负压传感器30相连，并可以读取温度传感器4、阻抗探针5、压差变速器6、压力传感器7和负压传感器30中的各类物理量；并利用计算机进行数据的存储和分析，揭示流场的变化规律。

反循环井筒2内上返的气液固多相流经混合出料管10进入循环装置中的滤式固液分离器11，过滤出的固体颗粒进入到滤式固液分离器11下端的岩屑箱12，过滤后的气液两相流则通过排渣管13进入旋流气液分离器14，分离出的气体由旋流气液分离器14上端出口流出，分离出的气体则由下端出口流回水箱15，完成多相流的循环过程。

多相流观测装置包括计算机3、温度传感器4、阻抗探针5、压差变速器6、压力传感器7、负压传感器30、可视窗8和摄像机9。其中，在井筒的底部和顶部各安装一个温度传感器4，测试流体因压力变化而引起的温度变化情况；在井筒的底部和顶部各安装1组阻抗探针5，用于测量多相流流型和相含率；压差变速器6与井筒相连，测试井筒出入口的压力降数据；压力传感器为2个，分别安装在井筒的底部和顶部，从来测试井筒内的压力变化数据；在反循环实验台底板101钻一个通孔，并安装负压传感器30，测试反循环过程中钻孔底部的负压数据。以上各类物理量最终传递给计算机，进行数据的采集，并通过数字化处理，相关计算等一系列处理后得到流场速度的分布图。

反循环实验台1为双通道结构，利用螺栓将实验台基体102固定在底板101上，实验台的外管103和内管104同心布置，与基体102采用插接安装，外管103与接头105采用螺纹连接，接头105上端利用螺纹和反循环井筒2连接；实验台外管103的侧面开口与进液口106采用焊接，并与气液混合器25相通，实验台基体102的侧面开口与进料口107采用焊接，并与进料管29采用螺纹连接。

本发明的实验过程如下：

步骤一、组装实验装置，分别启动供液装置和供气装置，完成液体和气体的管路循环调试，模拟钻进过程中反循环井筒2内部的流体，检查各种仪表和传感器的工作状态，并做归零处理；

步骤二、启动水泵17和空压机21，并设定出口压力，通过调节节流阀18和阀门来控制水和气体的流量，并通过气液混合器25将气液混合流体送入反循环实验台1；

步骤三、利用动力机26驱动螺旋加料器28，将存储在投料漏斗27中预设粒径的固体颗粒样品通过进料管29送入反循环实验台1；

步骤四、利用摄像机9记录气液固多相流在管路内的流态，观察固体颗粒的运移和升举过程，并记录流场压力和速度的变化情况；

步骤五、停止固体颗粒的投料，向井筒内输入气液两相流，设计实验的气液流量比，利用可编程控制器23精确调整气体质量流量，使井筒内依次形成泡沫流、泡状流、段塞流、搅拌流和环状流；

步骤六、待流态稳定后，读取和记录压差变速器6、压力传感器7和流量计中的数值，利用阻抗探针5测量界面相含率及相速度，分析多相流流速和流态对井筒内压力的影响；

步骤七、将预制的水合物浆体送入反循环实验台1，用加热器将循环水加热到预定温度，并利用水泵17按照预定的压力和速度向所述实验台1注入热水，携带水合物浆体沿井筒上返；

步骤八、利用摄像机9通过可视窗8观测水合物样品随温度升高而不断分解的过程，并利用温度传感器4、压力传感器7实时监测井筒内温度和压力的分布数据。

Claims (4)

1.一种天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置，其特征在于：包括供液装置、供气装置、反循环输运装置、多相流观测装置和循环装置，其中：

所述供液装置是由水箱(15)通过进水管与加热器(16)和水泵(17)相通，水泵(17)通过注液管路(20)与气液混合器(25)相连；注液管路(20)上安装有节流阀(18)和涡轮流量计(19)，涡轮流量计(19)位于节流阀(18)与气液混合器(25)之间；所述气液混合器(25)为三通式结构，三个通道分别是进液口，进气口和出液口，其中进液口与水泵(17)相通；

所述供气装置是由空压机(21)通过注气管路(22)向气液混合器(25)进气口注入一定质量流量的气体，通过注气管路(22)上依次安装有可编程控制器(23)和涡街流量计(24)，涡街流量计(24)位于可编程控制器(23)与气液混合器(25)之间；

所述反循环输送装置是利用动力机(26)驱动螺旋加料器(28)，螺旋加料器(28)上端与投料漏斗(27)连通，出口端通过进料管(29)与反循环实验台(1)相通，反循环井筒(2)安装在所述实验台的上端，构成气液固多相流的运移通道；

所述多相流观测装置是利用摄像机(9)通过设置在井筒侧面的可视窗(8)连续采集流场图像，然后通过分析和处理图像来研究多相流动规律；所述计算机(3)通过数据线与安装在井筒侧面的温度传感器(4)、阻抗探针(5)、压差变速器(6)、压力传感器(7)和安装在实验台底部的负压传感器(30)相连，并可以读取温度传感器(4)、阻抗探针(5)、压差变速器(6)、压力传感器(7)和负压传感器(30)的数据；

所述循环装置中的滤式固液分离器(11)通过混合出料管(10)与所述井筒的顶部相连，安装在滤式固液分离器(11)下端的岩屑箱(12)用来回收过滤出的固体颗粒；滤式固液分离器(11)出口通过排渣管(13)与旋流气液分离器(14)相通，旋流气液分离器(14)下端通过管路与水箱(15)相通，用来回收循环用水。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置，其特征在于：所述多相流观测装置包括计算机(3)、温度传感器(4)、阻抗探针(5)、压差变速器(6)、压力传感器(7)、负压传感器(30)、可视窗(8)和摄像机(9)；

所述温度传感器(4)为2个，分别安装在井筒的底部和顶部，用来测试管路内的温度变化数据；所述阻抗探针(5)为2组，分别安装在井筒的底部和顶部，用来测试管路多相流的流型变化情况；压差变速器(6)与井筒相连，测试井筒出入口的压力降数据；压力传感器(7)为2个，分别安装在井筒的底部和顶部，用来测试井筒内的压力变化数据；所述负压传感器(30)安装在实验台下端，用来测试钻孔底部的负压数值。

3.根据权利要求1所述的天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置，其特征在于：所述反循环实验台(1)为双通道结构，利用螺栓将实验台基体(102)固定在底板(101)上，实验台的外管(103)和内管(104)同心布置，与基体(102)采用插接安装，外管(103)与接头(105)采用螺纹连接，接头(105)上端利用螺纹和反循环井筒(2)连接；实验台外管(103)的侧面开口与进液口(106)采用焊接，并与气液混合器(25)相通，实验台基体(102)的侧面开口与进料口(107)采用焊接，并与进料管(29)采用螺纹连接。

4.权利要求1或2或3所述的天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置的模拟实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、组装实验装置，分别启动供液装置和供气装置，完成液体和气体的管路循环调试，检查各种仪表和传感器的工作状态，并做归零处理；

步骤二、启动水泵(17)和空压机(21)，并设定出口压力，调节节流阀(18)和阀门来控制水和气体的流量，并通过气液混合器(25)将气液混合流体送入反循环实验台(1)；

步骤三、利用动力机(26)驱动螺旋加料器(28)，将存储在投料漏斗(27)中预设粒径的固体颗粒样品通过进料管(29)送入反循环实验台(1)；

步骤四、利用摄像机(9)记录气液固多相流在管路内的流态，观察固体颗粒的运移和升举过程，并记录流场压力和速度的变化情况；

步骤五、停止固体颗粒的投料，向井筒内输入气液两相流，设计实验的气液流量比，利用可编程控制器(23)精确调整气体质量流量，使井筒内依次形成泡沫流、泡状流、段塞流、搅拌流和环状流；

步骤六、待流态稳定后，读取和记录压差变速器(6)、压力传感器(7)和流量计中的数值，利用阻抗探针(5)测量界面相含率及相速度，分析多相流流速和流态对井筒内压力的影响；

步骤七、将预制的水合物浆体送入反循环实验台(1)，用加热器将循环水加热到预定温度，并利用水泵(17)按照预定的压力和速度向所述实验台(1)注入热水，携带水合物浆体沿井筒上返；

步骤八、利用摄像机(9)通过可视窗(8)观测水合物样品随温度升高而不断分解的过程，并利用温度传感器(4)、压力传感器(7)实时监测井筒内温度和压力的分布数据。

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