CN111487020A - 一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置和试验方法，装置主要包括载荷加载装置、试验管柱、降温装置和加热装置，通过载荷加载装置对试验管柱施加拉伸/压缩载荷，检验试验管柱强度；通过降温装置向试验管柱外壁泵入冷却循环水调节温度；通过加热装置调节试验管柱内部的温度。本发明的煤炭地下气化管柱完整性性模拟试验装置和试验方法，可以模拟煤炭地下气化超高温环境下管柱承载能力变化，也可以模拟稠油火驱管柱承载能力变化，为高温井筒油套管的选择提供了试验评价手段。通过本发明可以获取井下不同工况下管柱结构强度和密封性能变化规律，并依据作业压力、温度区间选择有效的管柱规格型号，有效降低煤气化开采成本。
Description
技术领域
本发明属于采油工程技术领域，涉及一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置和试验方法。
背景技术
煤炭可气化资源量巨大，目前陆上埋深1000-3000m的煤炭资源量3.77×1012t，按气化动用率40％计算折合等热值甲烷资源量为272-332×1012m3，是常规天然气资源量的3倍。以煤层厚度5m计算，煤炭可气化资源丰度高达112×108m3/km2。煤炭地下气化是把高碳资源低碳化，甚至是无碳化的过程，可实现低碳和循环经济的发展理念，加快能源结构转型。
目前煤炭地下气化的基础理论薄弱，工艺技术难度大。在煤炭地下气化腔燃烧区温度高达1200℃，井筒温度300～800℃，且井筒内存在氢气、二氧化碳、水蒸气等多组分气体，面临套管变形、腐蚀穿孔、井口抬升、环空带压等问题，亟需管柱完整性与控制技术，研制室内超高温管柱模拟试验装置，获取超高温下管柱性能变化规律，有效评估超高温下管柱实物性能以及降温后的管柱实际服役性能。
现有管柱完整性试验主要依据ISO 13679标准且规定最高温度加热至180℃，结合稠油热采需要SY/T 6952.3标准提出温度加热至300℃的套管柱性能测试方法，但这些标准加热方法热主要是在管外壁使用加热带或在管外壁油浴加热(油浴可最高加热至350℃)，且无法同步加热和降温，仅能加热后风冷或水冷。这就造成无法获取500℃以上高温下套管柱性能，且无法测试高低温循环交变中套管柱性能变化。除此之外，依据现有标准在测试套管柱密封性时在接头连接处安装检漏环，但在使用加热带加热时则无法安装检漏环，因加热带缠绕在接头处，对套管柱密封性易造成误判。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中超高温环境下管柱强度和密封性能衰减量无法评估的问题，提供一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置和试验方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置，包括载荷加载装置、降温装置和加热装置；
载荷加载装置包括上平台、压力缸、下平台和底座，压力缸竖直设置在上平台和下平台之间，底座设置在下平台下方，试验管柱通过上法兰和下法兰安装在上平台和下平台之间；
降温装置包括套设在试验管柱外周的双层轴向中空管柱和若干个喷淋口，若干个喷淋口设置在双层轴向中空管柱的内壁，用于对试验管柱进行喷淋降温；
加热装置包括上加热棒和下加热棒，上加热棒通过上法兰安装于试验管柱内，下加热棒通过下法兰安装于试验管柱内。
本发明的进一步改进在于：
试验管柱外壁设置有接箍，接箍上设置有检漏仪，用于检验试验管柱是否发生泄漏。
试验管柱外壁设置有测温仪，用于记录试验管柱外壁温度。
试验管柱外部设置有温压表，探测端延伸至试验管柱内侧，用于记录试验管柱内部温度和压力。
双层轴向中空管柱上方开设有进水口，下平台上位于试验管柱与降温装置之间的位置设置有放水阀。
一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤1，启动载荷加载装置，对试验管柱施加拉伸/压缩载荷，向试验管柱内通入氮气，记录载荷加载装置上此时的内压力、拉伸载荷以及管柱变形量，同时由测温仪和温压表分别记录试验管柱外壁温度和内部温度，并由检漏仪检测试验管柱是否发生泄漏；
步骤2，启动加热装置，将上加热棒和下加热棒同时加热至设定温度，记录载荷加载装置上此时的内压力、载荷以及管柱变形量，同时由测温仪和温压表分别记录试验管柱外壁温度和内部温度，并由检漏仪检测试验管柱是否发生泄漏；
步骤3，启动降温装置，打开进水口，泵入冷却水，对试验管柱进行喷淋降温，同时打开放水阀，记录载荷加载装置上此时的内压力、载荷以及管柱变形量，同时由测温仪和温压表分别记录试验管柱外壁温度和内部温度，并由检漏仪检测试验管柱是否发生泄漏；
步骤4，关闭加热装置，通过载荷加载装置卸掉内压和载荷，试验管柱温度降至室温后关闭降温装置；依据记录的内压力、载荷、管柱变形量和温度变化数据，分析试验管柱结构强度和密封性能随温度的变化规律。
所述步骤2和步骤3同时进行。
所述步骤2和步骤3交换进行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置，包括载荷加载装置、试验管柱、降温装置和加热装置，通过载荷加载装置对试验管柱施加拉伸/压缩载荷，检验试验管柱强度；通过降温装置向试验管柱外壁泵入冷却循环水调节试验管柱外壁温度；通过加热装置调节试验管柱内部的温度。本发明的煤炭地下气化管柱完整性性模拟试验装置，可以模拟煤炭地下气化超高温环境下管柱承载能力变化和高低温循环交变中套管柱性能变化，也可以模拟稠油火驱管柱承载能力变化，为高温井筒油套管的选择提供了试验评价手段。
本发明公开了一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置的试验方法，通过载荷加载装置对试验管柱施加拉伸/压缩载荷，检验试验管柱强度；通过降温装置向试验管柱外壁泵入冷却循环水调节试验管柱外壁温度；通过加热装置调节试验管柱内部的温度。通过本发明可以获取井下不同工况下管柱结构强度和密封性能变化规律，确定出管柱性能随温度升高的衰减规律以及降温后管柱性能恢复值，并依据作业压力、温度区间选择有效的管柱规格型号，有效降低煤气化开采成本。
附图说明
图1为本发明的煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置的结构示意图；
图2为图1沿A-A方向的剖视图。
其中：1-上法兰；2-测温仪；3-检漏仪；4-上平台；5-降温装置；6-接箍；7-压力缸；8-试验管柱；9-下平台；10-底座；11-放水阀；12-下法兰；13-下加热棒；14-上加热棒；15-进水口；16-温压表。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1和图2，本发明公开了一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置，包括载荷加载装置、降温装置5和加热装置；载荷加载装置包括上平台4，上平台4下方通过两个竖直设置的压力缸7连接有下平台9，下平台9下方设置两个底座10，试验管柱8通过上法兰1和下法兰12安装在上平台4和下平台9之间；降温装置5包括套设在试验管柱8外周的双层轴向中空管柱和若干个喷淋口，若干个喷淋口设置在双层轴向中空管柱的内壁，用于对试验管柱8进行喷淋降温；双层轴向中空管柱上方开设有进水口15，下平台9对应试验管柱8与降温装置5之间的位置设置有放水阀11。加热装置包括上加热棒14和下加热棒13，上加热棒14和下加热棒13分别通过上平台4和下平台9旋入试验管柱8内。
试验管柱8外壁设置有接箍6，接箍6上设置有检漏仪3，用于检验试验管柱8是否发生泄漏。试验管柱8外壁设置有测温仪2，用于记录试验管柱8外壁温度。试验管柱8内部设置有温压表16，并延伸至试验管柱8外侧，用于记录试验管柱8内部温度和压力。
本发明公开了一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置的试验方法，包括如下步骤：步骤1，启动载荷加载装置，对试验管柱8施加拉伸/压缩载荷，向试验管柱8内通入氮气，记录载荷加载装置上此时的内压力、拉伸载荷以及管柱变形量，同时由测温仪2和温压表16分别记录试验管柱8外壁温度和内部温度，并由检漏仪3检测试验管柱是否发生泄漏；步骤2，启动加热装置，将上加热棒14和下加热棒13同时加热至设定温度T，记录载荷加载装置上此时的内压力、载荷以及管柱变形量，同时由测温仪2和温压表16分别记录试验管柱8外壁温度和内部温度，并由检漏仪3检测试验管柱是否发生泄漏；步骤3，启动降温装置5，打开进水口15，泵入冷却水，对试验管柱8进行喷淋降温，同时打开放水阀11，记录载荷加载装置上此时的内压力、载荷以及管柱变形量，同时由测温仪2和温压表16分别记录试验管柱8外壁温度和内部温度，并由检漏仪3检测试验管柱是否发生泄漏；步骤4，关闭加热装置，通过载荷加载装置卸掉内压和载荷，试验管柱8温度降至室温后关闭降温装置5；依据记录的内压力、载荷、管柱变形量和温度变化数据，分析试验管柱8结构强度和密封性能随温度的变化规律。步骤2与步骤3可交错进行或分步进行。
本发明提供的煤炭地下气化管柱完整性性模拟试验装置和试验方法，可以模拟煤炭地下气化超高温环境下管柱承载能力变化，也可以模拟稠油火驱管柱承载能力变化，为高温井筒油套管的选择提供了试验评价手段。通过本发明，可以获取井下不同工况下管柱结构强度和密封性能变化规律，并依据作业压力、温度区间选择有效的管柱规格型号，有效降低煤气化开采成本。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置，其特征在于，包括载荷加载装置、降温装置(5)和加热装置；
载荷加载装置包括上平台(4)、压力缸(7)、下平台(9)和底座(10)，压力缸(7)竖直设置在上平台(4)和下平台(9)之间，底座(10)设置在下平台(9)下方，试验管柱(8)通过上法兰(1)和下法兰(12)安装在上平台(4)和下平台(9)之间；
降温装置(5)包括套设在试验管柱(8)外周的双层轴向中空管柱和若干个喷淋口，若干个喷淋口设置在双层轴向中空管柱的内壁，用于对试验管柱(8)进行喷淋降温；
加热装置包括上加热棒(14)和下加热棒(13)，上加热棒(14)通过上法兰(1)安装于试验管柱(8)内，下加热棒(13)通过下法兰(12)安装于试验管柱(8)内。
2.如权利要求1所述的一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置，其特征在于，试验管柱(8)外壁设置有接箍(6)，接箍(6)上设置有检漏仪(3)，用于检验试验管柱(8)是否发生泄漏。
3.如权利要求2所述的一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置，其特征在于，试验管柱(8)外壁设置有测温仪(2)，用于记录试验管柱(8)外壁温度。
4.如权利要求3所述的一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置，其特征在于，试验管柱(8)外部设置有温压表(16)，探测端延伸至试验管柱(8)内侧，用于记录试验管柱(8)内部温度和压力。
5.如权利要求4所述的一种煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置，其特征在于，双层轴向中空管柱上方开设有进水口(15)，下平台(9)上位于试验管柱(8)与降温装置(5)之间的位置设置有放水阀(11)。
6.一种如权利要求5所述的煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，启动载荷加载装置，对试验管柱(8)施加拉伸/压缩载荷，向试验管柱(8)内通入氮气，记录载荷加载装置上此时的内压力、拉伸载荷以及管柱变形量，同时由测温仪(2)和温压表(16)分别记录试验管柱(8)外壁温度和内部温度，并由检漏仪(3)检测试验管柱(8)是否发生泄漏；
步骤2，启动加热装置，将上加热棒(14)和下加热棒(13)同时加热至设定温度，记录载荷加载装置上此时的内压力、载荷以及管柱变形量，同时由测温仪(2)和温压表(16)分别记录试验管柱(8)外壁温度和内部温度，并由检漏仪(3)检测试验管柱(8)是否发生泄漏；
步骤3，启动降温装置(5)，打开进水口(15)，泵入冷却水，对试验管柱(8)进行喷淋降温，同时打开放水阀(11)，记录载荷加载装置上此时的内压力、载荷以及管柱变形量，同时由测温仪(2)和温压表(16)分别记录试验管柱(8)外壁温度和内部温度，并由检漏仪(3)检测试验管柱(8)是否发生泄漏；
步骤4，关闭加热装置，通过载荷加载装置卸掉内压和载荷，试验管柱(8)温度降至室温后关闭降温装置(5)；依据记录的内压力、载荷、管柱变形量和温度变化数据，分析试验管柱(8)结构强度和密封性能随温度的变化规律。
7.一种如权利要求6所述的煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤2和步骤3同时进行。
8.一种如权利要求6所述的煤炭地下气化管柱完整性模拟试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤2和步骤3交换进行。
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