CN111502567B - 一种含砂地热井井下旋流排砂实验装置以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含砂地热井井下旋流排砂实验装置以及对于旋流排砂效果的测量方法，该实验装置包括供水供砂组件、搅拌室以及旋流排砂组件。通过供水供砂组件水和砂输送至搅拌室，充分搅拌混合后，对搅拌室进行加热，然后利用旋流组件将该水砂混合物固液分离，并将砂砾喷入井筒环空，最后再对集水罐、进行测量来得出采出液的含砂量。本发明可通过改变砂砾尺寸、砂砾种类、流体流速以及旋流分离器的转速来测量不同工况下旋流分离器的分离性能，这对于通过在地热井井下排砂来减少地面仪器的冲刷、腐蚀有着非常重要的意义，能够针对性对地热井储热采出过程中高出砂问题提出有效解决方案，并提供实质性的指导意义。

Description

一种含砂地热井井下旋流排砂实验装置以及测量方法

技术领域

本发明属于地热井防砂领域，尤其是一种含砂地热井井下旋流排砂实验装置以及测量方法。

背景技术

现在的新型环保能源——地热，引起了大家的广泛关注，地热井的开采更是愈演愈烈。通过开采地热井来利用地热能进行发电、发热等是现如今比较正常的手段。不过在开采地热井采出热储的时候，有时候会出现携砂，而含砂地热水经过离心泵抽到地面后会对泵产生较大的影响，大大减少了泵的使用寿命。水抽到地面再进行排砂，这样的装置很多，不过这样依旧会对井筒筒壁造成较大影响。

发明内容

为了提高泵以及井筒的使用寿命，减少对仪器的损坏，本发明提供一种含砂地热井井下旋流排砂实验装置以及测量方法。本发明通过在地热井井下加装旋流分离器来减少对抽地热水离心泵的损坏，并且通过携砂组件将井底残留的砂砾带到地面进行二次固液分离。通过改变砂砾尺寸、砂砾半径、流体流速以及温度就模拟不同工况下对旋流分离器性能的影响，并测量该装置的出砂量。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种含砂地热井井下旋流排砂实验装置，其包括：

供水供砂组件；

人工井筒，所述人工井筒的底部设有进口，顶部设有出口，所述进口通过管道与供水供砂组件连接，用于接收供水供砂组件输送过来的水砂混合物；所述人工井筒内设有抽水排砂组件，人工井筒与抽水排砂组件之间形成有井筒环空，所述抽水排砂组件包括自下而上依次转动连接的第一抽水管、旋流组件和第二抽水管；所述第一抽水管的进水端与人工井筒的进口连接，第一抽水管的两旁有第一含孔封隔器和第一封隔器，用于将第一抽水管固定在人工井筒内；所述第二抽水管的出水端与人工井筒的出口连接，第二抽水管的两旁有第二封隔器和第二含传动轴孔封隔器，用于将第二抽水管固定在人工井筒内；

所述旋流组件，包括外壳、安装在外壳内的旋流分离器，所述旋流组件通过设置在外壳两端的轴承转动安装在第一抽水管和第二抽水管上，所述外壳与旋流分离器之间形成有进水通道，所述进水通道的进水端通过第一抽水管与人工井筒的进口连通；所述旋流分离器的顶部设有溢流口，所述溢流口通过第二抽水管与人工井筒的出口连通；旋流分离器的底部设有排固管道，所述排固管道经由外壳的侧壁伸出且排固管道与侧壁之间密闭连接，用于将旋流分离器分离下来的砂粒排入井筒环空；所述旋流分离器靠近溢流口的下方设有水砂混合物进口，所述水砂混合物进口与进水通道连通；所述第一抽水管上还设有抽水泵；

所述第一抽水管上设有第一压力计和第一流量计，用来测量进料前水砂混合物的状态参数；

还包括集水罐，所述集水罐通过第三抽水管与人工井筒的出口连接，所述第三抽水管上设有离心泵。

进一步的，所述供水供砂组件包括供水供砂管道和并联设置在供水供砂管道上的储砂罐和储水罐，所述储砂罐的出口处和储水罐的出口处分别设有第一阀门和第二阀门，储水罐的出口处还设有离心泵；

所述储水罐、储砂罐下方有流量控制阀、所述控制阀、可通过调节阀门大小来控制水和砂的流量。

进一步的，所述搅拌室里面有双叶轮搅拌；其底部的加热棒可通过温度控制器来控制温度的高低，对混合过后的液体的温度进行监测；所述温度控制器有温度显示屏以及加减温度按钮。

进一步的，所述旋流分离器内部均采用采用不锈钢材料，能够保证在不同工况下旋流分离器的耐高温性、耐冲刷腐蚀性；所述旋流分离器采用的渐开线进料结构。

进一步的，所述旋流组件是一整体，所述外壳的外壁上端设有齿轮，还包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构包括与齿轮啮合的传动齿轮，和输出轴与传动齿轮传动连接的电机(优选伺服电机)，便于使得旋流组件能够旋转。

进一步的，旋流组件的外壳的其中一端与第一抽水管的连接处设有管道旋转轴承，旋流组件的外壳的另一端和第二抽水管的连接处置有第二管道旋转轴承；所述第一、第二管道旋转轴承可使旋转的旋流组件与抽水管更好的连接起来；所述第二抽水管的直径比溢流口要大一点，第一抽水管和旋流组件的外壳的其中一端都要大一点，这样才能将第一、第二管道旋转轴承放置它们的连接处。

更进一步的，所述旋流分离器的底部还设有竖直方向的底流管，所述排固通道为倾斜设置且其高较高端通过底流管与旋流分离器连接，排固通道通过底流管将旋流分离器分离的固相排进井筒环空，砂砾进入环空通道部分大颗粒会由于重力因素而沉于井底，但对整个采出过程影响不大。

进一步的，所述第一、第二抽水管是由耐高温、耐腐蚀材料制作而成，更好的保护第一、第二抽水管，防止因冲刷腐蚀而造成损失。

一种含砂地热井井下旋流排砂测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，测量之前，对实验装置进行清洗；

步骤2，分别在储水罐、储砂罐装入水和砂砾，经过搅拌室混合，搅拌的同时利用加热棒对混合溶液加热至设定温度，再将电机调至设定转速；

步骤3，将水砂混合物通入井筒底部，打开离心泵，待水砂混合物流经压力计和流量计时记录数据；

步骤4，通过旋流分离器达到固液分离的效果，将溢流口的液体经过第二抽水管导入集水罐；

步骤5，底流液通过排固通道进入井筒环空，部分砂砾沉于井筒底部；

步骤6，带到地面的液体导入集水罐中，最后再对集水罐进行测量来得到采出液的含砂量。

本发明的优点之处在于：

能够控制温度、流量、流速、转速等，能够更好的模拟出不同工况下的该装置的工作性能。

通过旋流组件外壳的齿轮结构与电机相连，可使得旋流组件高速旋转起来，来为分离器内部的分离提供更强的动力。

本发明的旋流组件是一个整体，即便组件损坏也便于更换，当然这样密封性更好。

附图说明

图1为本发明含砂地热井井下旋流排砂实验装置的结构示意图；

图2为本发明含砂地热井井下旋流排砂实验装置的旋流分离器的结构示意图；

图中：1.储水罐、2.储砂罐、3.第一阀门、4.第一离心泵、5.第二阀门、6.搅拌室、7.温度控制器、8.加热棒、9.第一管道旋转轴承、10.压力计、11.流量计、12.排固通道、13.旋流分离器、14.溢流口、15.齿轮、16.第二管道旋转轴承、17.第二封隔器、18.第二离心泵、19.集水罐、20.电机、21.含传动轴孔封隔器、22-1.第一抽水管、22-2.第二抽水管、23.传动齿轮、24.外壳、25.底流管、26.第一含孔封隔器、27.第一封隔器、28.抽水泵，29.井筒环空，30.进水通道。

具体实施方式

本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明下面结合实施例作进一步详述：

如图1所示，一种含砂地热井井下旋流排砂实验装置，其包括：

供水供砂组件；

人工井筒，所述人工井筒的底部设有进口，顶部设有出口，所述进口通过管道与供水供砂组件连接，用于接收供水供砂组件输送过来的水砂混合物；所述人工井筒内设有抽水排砂组件，人工井筒与抽水排砂组件之间形成有井筒环空29，所述抽水排砂组件包括自下而上依次转动连接的第一抽水管22-1、旋流组件和第二抽水管22-2；所述第一抽水管22-1的进水端与人工井筒的进口连接，第一抽水管22-1的两旁有第一含孔封隔器26和第一封隔器27，用于将第一抽水管22-1固定在人工井筒内；所述第二抽水管22-2的出水端与人工井筒的出口连接，第二抽水管22-2的两旁有第二封隔器17和第二含传动轴孔封隔器21，用于将第二抽水管22-2固定在人工井筒内；

所述旋流组件，包括外壳24、安装在外壳24内的旋流分离器13，所述旋流组件通过设置在外壳24两端的轴承转动安装在第一抽水管22-1和第二抽水管22-2上，所述外壳24与旋流分离器13之间形成有进水通道30，所述进水通道30的进水端通过第一抽水管22-1与人工井筒的进口连通。

旋流分离器13如图2所示，由水砂混合物进口13-1、所述溢流口14、圆柱段13-3、大锥段13-4、小锥段13-5、底流管25组成，它是利用不同介质的密度差来进行混合物分离的设备。溢流口14通过第二抽水管22-2与人工井筒的出口连通。旋流分离器13的底部设有排固管道，排固管道经由外壳24的侧壁伸出且排固管道与侧壁之间密闭连接，用于将旋流分离器13分离下来的砂粒排入井筒环空29；水砂混合物进口位于溢流口14的下方，且靠近旋流分离器13的上部设置，水砂混合物进口与进水通道30连通；所述第一抽水管22-1上还设有抽水泵28。

第一抽水管22-1上设有第一压力计10和第一流量计11，用来测量进料前水砂混合物的状态参数。还包括集水罐19，所述集水罐19通过第三抽水管与人工井筒的出口连接，所述第三抽水管上设有第二离心泵18。

具体的，所述供水供砂组件包括供水供砂管道和并联设置在供水供砂管道上的储砂罐2和储水罐1，所述储砂罐2的出口处和储水罐1的出口处分别设有第一阀门3和第二阀门5，储水罐1的出口处还设有第一离心泵4；

所述储水罐1、储砂罐2下方有流量控制阀、所述控制阀、可通过调节阀门大小来控制水和砂的流量。

搅拌室6里面有双叶轮搅拌；其底部的加热棒8可通过温度控制器7来控制温度的高低，对混合过后的液体的温度进行监测；所述温度控制器7有温度显示屏以及加减温度按钮。

所述旋流分离器13内部均采用采用不锈钢材料，能够保证在不同工况下旋流分离器13的耐高温性、耐冲刷腐蚀性；所述旋流分离器13采用的渐开线进料结构。

所述旋流组件是一整体，所述外壳24的外壁上端设有齿轮15，还包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构包括与齿轮15啮合的传动齿轮23，和输出轴与传动齿轮23传动连接的电机20，优选伺服电机，便于使得旋流组件能够旋转。

旋流组件的外壳24的其中一端与第一抽水管22-1的连接处设有管道旋转轴承，旋流组件的外壳24的另一端和第二抽水管22-2的连接处置有第二管道旋转轴承16；所述第一、第二管道旋转轴承16可使旋转的旋流组件与抽水管更好的连接起来；所述第二抽水管22-2的直径比溢流口14要大一点，第一抽水管22-1和旋流组件的外壳24的其中一端都要大一点，这样才能将第一、第二管道旋转轴承16放置它们的连接处。

旋流分离器13的底部还设有竖直方向的底流管25，所述排固通道12为倾斜设置且其高较高端通过底流管25与旋流分离器13连接，排固通道12通过底流管25将旋流分离器13分离的固相排进井筒环空29，砂砾进入环空通道部分大颗粒会由于重力因素而沉于井底，但对整个采出过程影响不大。

所述第一、第二抽水管22-2是由耐高温、耐腐蚀材料制作而成，更好的保护第一、第二抽水管22-2，防止因冲刷腐蚀而造成损失。

一种含砂地热井井下旋流排砂测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，测量之前，对实验装置进行清洗；

步骤2，分别在储水罐1、储砂罐2装入水和砂砾，经过搅拌室6混合，搅拌的同时利用加热棒8对混合溶液加热至设定温度，再将电机20调至设定转速；

步骤3，将水砂混合物通入井筒底部，打开第二离心泵18，待水砂混合物流经压力计10和流量计11时记录数据；

步骤4，通过旋流分离器13达到固液分离的效果，将溢流口14的液体经过第二抽水管22-2导入集水罐19；

步骤5，底流液通过排固通道12进入井筒环空29，部分砂砾沉于井筒底部；

步骤6，带到地面的液体导入集水罐19中，最后再对集水罐19进行测量来得到采出液的含砂量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种含砂地热井井下旋流排砂实验装置，其特征在于：包括：

供水供砂组件；

人工井筒，所述人工井筒的底部设有进口，顶部设有出口，所述进口通过管道与供水供砂组件连接，用于接收供水供砂组件输送过来的水砂混合物；所述人工井筒内设有抽水排砂组件，人工井筒与抽水排砂组件之间形成有井筒环空（29），所述抽水排砂组件包括自下而上依次转动连接的第一抽水管（22-1）、旋流组件和第二抽水管（22-2）；所述第一抽水管（22-1）的进水端与人工井筒的进口连接，第一抽水管（22-1）的两旁有第一含孔封隔器（26）和第一封隔器（27），用于将第一抽水管（22-1）固定在人工井筒内；所述第二抽水管（22-2）的出水端与人工井筒的出口连接，第二抽水管（22-2）的两旁有第二封隔器（17）和第二含传动轴孔封隔器（21），用于将第二抽水管（22-2）固定在人工井筒内；

所述旋流组件，包括外壳（24）、安装在外壳（24）内的旋流分离器（13），所述旋流组件通过设置在外壳（24）两端的轴承转动安装在第一抽水管（22-1）和第二抽水管（22-2）上，所述外壳（24）与旋流分离器（13）之间形成有进水通道（30），所述进水通道（30）的进水端通过第一抽水管（22-1）与人工井筒的进口连通；所述旋流分离器（13）的顶部设有溢流口（14），所述溢流口（14）通过第二抽水管（22-2）与人工井筒的出口连通；旋流分离器（13）的底部设有排固管道，所述排固管道经由外壳（24）的侧壁伸出且排固管道与侧壁之间密闭连接，用于将旋流分离器（13）分离下来的砂粒排入井筒环空（29）；所述旋流分离器（13）靠近溢流口（14）的下方设有水砂混合物进口，所述水砂混合物进口与进水通道（30）连通；所述第一抽水管（22-1）上还设有抽水泵（28）；

所述第一抽水管（22-1）上设有第一压力计（10）和第一流量计（11），用来测量进料前水砂混合物的状态参数；

还包括集水罐（19），所述集水罐（19）通过第三抽水管与人工井筒的出口连接，所述第三抽水管上设有第二离心泵（18）。

2.根据权利要求1所述的含砂地热井井下旋流排砂实验装置，其特征在于：所述供水供砂组件包括供水供砂管道和并联设置在供水供砂管道上的储砂罐（2）和储水罐（1），所述储砂罐（2）的出口处和储水罐（1）的出口处分别设有第一阀门（3）和第二阀门（5），储水罐（1）的出口处还设有第一离心泵（4）；

所述供水供砂组件还包括搅拌室（6），所述搅拌室（6）的上部设有进料口，下部设有出料口，所述进料口与供水供砂管道的出口端连接，用于接收并混合供水供砂管道输送过来的水和砂；所述人工井筒的进口通过管道与搅拌室（6）的出料口连接。

3.根据权利要求2所述的含砂地热井井下旋流排砂实验装置，其特征在于：所述搅拌室（6）中设有双叶轮搅拌；所述搅拌室（6）的底部设有加热棒（8）和温度控制器（7），用于控制搅拌室（6）内水砂混合物的温度。

4.根据权利要求1所述的含砂地热井井下旋流排砂实验装置，其特征在于：所述旋流分离器（13）的内部均采用不锈钢材料；所述旋流分离器（13）采用的渐开线进料结构。

5.根据权利要求1所述的含砂地热井井下旋流排砂实验装置，其特征在于：所述外壳（24）的外壁上部设有齿轮（15）；

还包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构包括与齿轮（15）啮合的传动齿轮（23）和输出轴与传动齿轮（23）传动连接的电机（20）。

6.根据权利要求1所述的含砂地热井井下旋流排砂实验装置，其特征在于：所述第一抽水管（22-1）和第二抽水管（22-2）是由耐高温、耐腐蚀材料制作而成。

7.根据权利要求5所述的含砂地热井井下旋流排砂实验装置，其特征在于：所述电机（20）为伺服电机。

8.一种含砂地热井井下旋流排砂测量方法，其特征在于：所述方法基于如权利要求1至7中任一项所述的含砂地热井井下旋流排砂实验装置进行，包括以下步骤：

步骤1，测量之前，对所述的含砂地热井井下旋流排砂实验装置进行清洗；

步骤2，分别在储水罐（1）、储砂罐（2）装入水和砂砾，经过搅拌室（6）混合，搅拌的同时利用加热棒（8）对混合溶液加热至设定温度，再将电机（20）调至设定转速；

步骤3，将水砂混合物通入井筒底部，打开第二离心泵（18），待水砂混合物流经压力计（10）和流量计（11）时记录数据；

步骤4，通过旋流分离器（13）达到固液分离的效果，将溢流口（14）的液体经过第二抽水管（22-2）导入集水罐（19）；

步骤5，底流液通过排固通道（12）进入井筒环空（29），部分砂砾沉于井筒底部；

步骤6，带到地面的液体导入集水罐（19）中，最后再对集水罐（19）进行测量来得到采出液的含砂量。

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