CN111551479A - 一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于地层防砂模拟和筛管性能评测的实验装置及其方法，属于油气藏出砂模拟实验装置的技术领域，该装置主要包括流体泵送系统，其用于提供给实验模拟系统进行试验的多种类型的实验流体；实验模拟系统，包括竖直放置且用于将筛管放置在其内部的筒体；筒体的外表面均匀设有将所述实验流体送入筒体内导流口；进入筒体内的实验流体从筛管的外壁进入筛管的内部；集砂系统，其用于收集流入所述筛管内的液体；数据采集及控制系统，其被配置为用于连接筒体内的测量装置，并将采集到的数据传送至计算机中进行储存并进行实时安全监测。通过本公开的装置可以模拟地下动态流动条件下的出防砂及射流冲蚀过程，实现对不同防砂筛管及筛网的综合性能评价。

Description

一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置及方法

技术领域

本公开属于油气藏出砂模拟实验装置的技术领域，具体是涉及一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

目前，油气井出砂已经成为制约油气开采的主要问题之一，在保证产能释放的前提下，如何有效的防止地层出砂成为油气井生产的关键所在。防砂筛管作为主要的防砂工具，已被广泛的应用于油田的实际生产中。在地层条件下：一方面，防砂筛管会阻止地层砂流入井筒，使砂粒在筛管外部堆积，形成阻流屏障，堵塞油气流通通道，导致油气井产能明显降低；另一方面，防砂筛管会受到含砂流体的冲蚀，从而导致防砂筛管的孔缝变宽，致使筛管防砂失效。因此，评价防砂筛管的堵塞及抗冲蚀性能，均衡二者，优选合适的防砂筛管，成为目前油气田防砂的重中之重。

通过实验对防砂筛管性能进行评价是进行筛管优选的有效手段。发明人发现现有的防砂筛管评价装置存在以下问题：(1)仅考虑防砂筛管的挡砂效果或抗冲蚀能力单项测试，未能结合二者及其他测试目的综合评价防砂筛管，无法实现多用途多功能的实验评价；(2)筛管或筛管短节的试样规模与冲蚀量精确计量的精度要求相互存在矛盾，限制了筛管冲蚀性能的评价。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题；本公开提供了一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置及方法。

本公开至少一实施例公开了一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置，该装置包括

流体泵送系统，其被配置为用于提供给实验模拟系统进行试验的多种类型的实验流体；

实验模拟系统，包括用于将防砂筛管及筛网放置在其内部的筒体；所述筒体的外表面均匀设有多个用于将所述实验流体送入筒体内的导流管；进入筒体内的实验流体从防砂筛管或筛网的外壁进入筛管的内部；

集砂系统，其被配置为用于收集流入所述筛管和筛网内的流体，并过滤其中的地层砂；

数据采集及控制系统，其被配置为用于连接泵送系统及筒体内的测量装置，并将采集到的数据传送至计算机中进行储存并进行实时安全监测。

进一步，所述流体泵送系统包括加砂系统、气相泵送系统和液相泵送系统；加砂系统和气相泵送系统以及液相泵送系统通过同一根管线与所述导流管道相连接；通过控制加砂系统、气相及液相泵送系统中阀门的启闭，使得所述实验流体泵送系统实现液固混合、气固混合或气液固混合多种实验流体输送。

进一步，所述筒体包括可拆卸连接的顶盖和支撑底座；筛管分别与顶盖和支撑底座密封连接；所述支撑底座的中心位置还设有用于将流入筛管内的实验流体引入集砂系统中的出砂口，在筒体的侧壁上还设有可视窗，便于实时观察筛管及砾石层堵塞情况。

进一步地，在筒体内设有与导流管口相连接，且使得实验流体均匀地通过防砂筛管的分流网；分流网与防砂筛管之间设有围挡。分流网的存在可以使经导流管流入的携砂流体均匀的分布在筛管侧壁上，避免出现因流动不均匀导致防砂筛管部分堵塞的情况，导致测量时不同位置筛管两侧的压差差异较大，影响实验结果。

进一步地，在筒体内部的中心位置可安装筛网支架，用于放置弧形筛网；

进一步地，在导流管上的管口处还可连接射流喷嘴；

进一步地，所述射流喷嘴可通过锁紧螺钉可以调节冲蚀射流入射角度，模拟不同冲蚀角度的筛网冲蚀情况；并且可更换连接管调整冲蚀射流与筛网之间的距离，模拟不同冲蚀距离的筛网冲蚀情况；

进一步地，所述集砂系统包括沉砂罐；所述沉砂罐设有用于收集流入防砂筛管内流体的金属网篮；所述金属网篮内设有过滤器；所述沉沙罐上设有出液口，所述出液口与流体泵送系统相连接。

本公开至少一实施例公开了基于上述任一项所述的一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置的方法，

挡砂实验方法包括如下步骤：

(1)关闭流体泵送系统中的出口阀门，在筒体中放入待评价的防砂筛管或筛网，并根据需要模拟的防砂方式填充地层砂和砾石；

(2)打开流体泵送系统中的出口阀门，开启驱替实验流体系统阀门，调节至指定流量、压力将实验流体驱替到实验模拟系统的筒体中，并开启实验数据实时采集系统；

(3)驱替至筛管或筛网两侧的压力逐渐稳定，关泵并停止数据实时采集；

(4)收集、烘干、称量被驱替流体携带的地层砂；清理实验装置，取出地层砂和砾石并清洗实验装置；进行数据处理及结果分析。

冲蚀实验方法包括如下步骤：

(1)关闭流体泵送系统中的出口阀门，调节冲蚀射流含砂量、流量、压力等实验参数；

(2)取下分流网、砾石围挡，在筒体中放入筛网支架，并将切割好的弧形筛网放入支架中；

(3)安装射流喷嘴，并固定喷嘴角度；

(4)打开流体泵送系统中的出口阀门，开启驱替实验流体系统阀门，待筛网被射流冲蚀发生破坏后，关泵，并关闭所有阀门；

(5)取出被冲蚀筛网，清理、烘干后称重计量，分析冲蚀程度；

(6)更换不同的冲蚀喷嘴，重复(3)～(5)的步骤，进行多次实验；

(7)取出筛网、筛网支架及射流喷嘴，并清洗实验装置；进行数据处理及结果分析。

上述公开的实施例取得的有益效果如下：

本公开的一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置，通过流体泵送系统提供的多种类型的实验流体输送到实验模拟系统中的筒体中的防砂筛管和筛网中，利用集砂系统收集流入防砂筛管中的实验流体，同时借助数据采集和控制系统采集筒中检测装置采集的信息，这样能够模拟地下动态流动条件下的出防砂及射流冲蚀过程，实现对不同防砂筛管及筛网的综合性能评价。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例公开的的评价系统连接示意图；

图2为本公开实验模拟系统中实验筒体的主视图；

图3为本公开实验模拟系统中挡砂实验时筒体的纵向剖面结构示意图；

图4为本公开实验模拟系统中冲蚀实验时筒体的纵向剖面结构示意图；

图5为本公开实验模拟系统中筛网支架的主视图；

图6为本公开实验模拟系统中筛网支架的横向剖面结构示意图；

图7为本公开实验模拟系统中冲蚀喷嘴的纵向剖面结构示意图；

图8为本公开集砂系统中沉砂罐纵向剖面结构示意图。

图中：1、储液罐，2、气瓶，3、液相恒流泵，4、蓄能器，5、液体流量计，6、液体压力计，7、单向阀，8、液相泵送阀门，9、气相恒流泵，10、缓冲容器，11、气体减压阀，12、气体流量控制器，13、气体压力计，14、单向阀，15、气相泵送阀、16、液体输送管线，17、气体输送管线，18、加砂装置，19、加砂阀门，20、加砂管线，21、实验入口阀门，22、实验流入管线，23、实验筒体，24、实验流出管线，25、实验出口阀门，26、沉砂罐，27、回水泵，28、回流管线，29、数据采集和控制系统，30、装配吊环，31、导流管，32、出砂口，33、可视化窗口，34、顶盖，35、侧壁，36、支撑底座，37、防砂筛管短节，38、密封垫，39、分流网，40、砾石围挡，41、压力传感器集线口，42、压力传感器，43、射流喷嘴，44、弧形筛网，45、筛网支架，46、弧形凹槽，47、球体，48、球座，49、喷嘴，50、紧固螺钉，51、连接管，52、带式过滤器，53、金属网篮，54、沉砂罐壳体，55、沉砂罐出液口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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公开和简化描述，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公开的限制。

本公开的多功能防砂模拟和筛管评测实验装置如图1所示，该装置主要包括实验流体泵系统、实验模拟系统、集砂系统以及数据采集和控制系统，其中流体泵送系统，其被配置为用于提供给实验模拟系统进行试验的多种类型的实验流体；实验模拟系统中设有防砂筛管及筛网安装装置，所述实验流体进入从防砂筛管或筛网的外壁进入筛管内；集砂系统，其被配置为用于收集流入所述筛管内的流体并过滤流体中的地层砂；数据采集及控制系统，其被配置为用于连接筒体内的测量装置，并将采集到的数据传送至计算机中进行储存并进行实时安全监测，通过该装置能够模拟地下动态流动条件下的出防砂及射流冲蚀过程，实现对不同防砂筛管及筛网的综合性能评价。

具体地，本实施例中的实验流体泵系统由加砂系统、气相泵送系统和液相泵送系统组成，如图1所示，其中所述气相泵送系统包括由气瓶2、气相恒流泵9、缓冲容器10、气体减压阀11、气体流量控制器12、气体压力计13、单向阀14、气相泵送阀15及气体输送管线17组成。气相恒流泵9安装在气瓶2出口，可以连续调节气体压力；气相恒流泵9连接所述缓冲容器10，缓冲容器10的出口连接气体减压阀11；所述气体流量控制12器安装在气体减压阀11之后，用于控制气相泵送系统中的气体流量，所述气体压力计13安装在气体流量控制器12的出口，及时采集气体压力数据。单向阀14连接气体压力计13的出口，用于防止气体倒流；气相泵送阀15连接单向阀之后，用于控制整个气相泵送系统的通断。

进一步地，所述液相泵送系统由储液罐1、液相恒流泵3、蓄能器4、液体流量计5、液体压力计6、单向阀7、液相泵送阀门8及液体输送管线16组成。其中储液罐1顶部设有注水口，底部设有排水口和节流阀，所述液相泵送系统恒流泵3设置在储液罐出口，可以自由调节液体压力，保证液体以恒定流量流出；所述液体流量计5、液体压力计6安装在恒流泵之后，用于计量从储液罐流出液体压力、流量；单向阀7连接液体压力计6的出口，用于防止液体倒流；液相泵送阀门8连接单向阀7之后，用于控制整个液相泵送系统的通断。

进一步地，所述加砂系统包括加砂装置18、加砂阀门19及加砂管线20组成，其中加砂装置18包括加砂筒体及推进装置；加砂筒体上部为圆筒状，下部为锥形，以法兰形式连接，推进装置出口与加砂管线19连接。

上述气相泵送系统中的气体输送管线17与液相泵送系统中液体输送管线16以及加砂管线20出口统一连接到实验入口阀门21上为实验模拟装置中的实验筒体23提供实验流体，这样设计的优势在于：(1)流体泵送系统可以向实验模拟系统中注入最大排量为1m3/min、最大出口压力为15MPa的增粘水或液压油，实现油井模拟；气相泵送系统可注入最大流量为1.5m3/min、出口最大压力为3.5MPa的气体，实现气井模拟；通过液相泵送系统和气相泵送系统可以保证气液混合注入，实现模拟油气同时生产；(2)流体泵送系统和气相泵送系统中都设有单向阀，可以有效的防止携砂流体反流进入原系统中；(3)通过控制加砂系统、气相及液相泵送系统中阀门的启闭，使得所述实验流体泵送系统实现液固混合、气固混合或气液固混合等多种实验流体输送方式；(4)所有控制阀门均采用电动阀门，通过数据采集及控制系统进行控制，避免人工误操作所造成的安全风险。

本实施例中的实验模拟系统主要包括竖直放置的实验筒体23，见图2，该筒体的外壁表面上均匀设有四个导流管31，每个导流管都连接一个实验流入管线22，见图1，这些实验流入管线统一连接到实验入口阀门21上；该筒体的顶端设有顶盖34、底端设有支撑底座36，其中顶盖34的上部设有两个装配吊环30，顶盖34与支撑底座36均通过八个紧固螺栓与侧壁35固定。侧壁35上另设有可视化窗口33，这样便于实时观察挡砂实验及冲蚀实验过程。

进一步地，如图3所示，进行挡砂模拟实验时，本实施例筒体内部的中心位置安装防砂筛管短节37，顶盖34和支撑底座36与通过密封垫38与防砂筛管短节37相连接，密封垫38可以保证携砂流体全部通过防砂筛管短节37，防止携砂流体未流经防砂筛管短节37直接从底部出砂口32流出，导致砂粒计量不准确；该出砂口32通过实验流出管线24连接到实验出口阀门25上，然后流入到集砂系统中，见图1；筒体侧壁35上的导流管31将实验流体泵系统提供的实验流体送入到筒体内之后，顺着筛管的外壁流入筛管内；支撑底座36上设有压力传感器集线口41，实验所用压力传感器42均为柔性管压力传感器，压力传感器42可放置在筒体内不同位置，进行径向及周向上的压力测量。

如图3所示，本实施例中的导流管31均倾斜安装在侧壁35上，便于携砂流体流入实验装置内；进一步地，导流管31与分流网39连接，分流网39的存在可以使经导流管流入的携砂流体均匀的分布在筛管侧壁上，避免因流动不均匀导致防砂筛管部分堵塞的情况，导致测量时不同位置筛管两侧的压差差异较大，影响实验结果；分流网39与筛管短节37之间还设有砾石围挡40，可以将填充的砾石层固定在围挡40与筛管短节37之间，实现对砾石充填防砂时的模拟。

进一步地，如图4所示，进行冲蚀模拟实验时，本实施例筒体内部的中心位置安装筛网支架45，用于放置弧形筛网44；筛网支架45主体部位为空心筒体，筒体中心位置设有弧形凹槽46用于放置弧形筛网44，见图5、图6；射流喷嘴43与导流管31连接，射流喷嘴由球体47、球座48、喷嘴49、锁紧螺钉50及连接管51组成，球体47安装在球座48内，球体47中心为立方体通孔，用于安装喷嘴49，球体47可依靠球座48旋转，并通过紧固螺钉50固定调整好的角度，以实现喷嘴在空间内的旋转，球座48与连接管51通过螺纹连接，见图7；连接管51通过螺纹与导流管31连接，用于将携砂流体导入射流喷嘴43；通过更换不同长度的连接管51，调节冲蚀射流与筛网的距离，模拟不同冲蚀距离的筛网冲蚀情况。

上述实施例中公开的实验模拟系统可以将冲蚀模拟实验与挡砂模拟实验合二为一，节省了实验成本与实验空间，保证实验系统操作的简单便捷。

进一步，本实施例中实验模拟系统中的携砂流体通过实验流出管线24流入到沉砂罐26中，如图8所示，沉砂罐26纵向上由袋式过滤器52、金属网篮53、沉砂罐壳体54组成，金属网篮53放置在沉砂罐壳体54中，内部放置袋式过滤器52，采用袋式过滤器，增大过滤面积，并且减少过滤器与金属网篮的接触面积，便于取出。这样保证携砂流体中的地层砂过滤并截留，对地层砂进行烘干等处理后记录出砂量，分析出砂粒径，评价防砂效果。经沉砂罐26分离出来的液体通过沉砂罐出液口55经回流管线28流入回水泵27，由回水泵27泵送到储液罐1中便于循环使用。

除此之外，本公开实施中的评价系统装置还包括所述数据采集和控制系统29，该系统主要包括流量计、压力传感器及控制系统。所述控制系统包括信号数据采集模块、MOXACA168H/PCI数据采集块、KL-M4514采集模块、计算机、数据采集控制软件。流量计、压力传感器可以实时采集流量、温度、压力的数值，并采用同步文件更新存盘，数据保存备份，有意外停机恢复和续存功能，保证系统软件在实际的实验环境中能长时间可靠工作；(2)实验系统流程动态显示：用组态工具绘制出实验的流程图，通过动画的方式控制各个装置的启闭，并在流程图上显示流量、温度及压力数值；(3)系统运行压力、温度、流量设有极限值，即测量仪器的量程，确保试验安全可靠，操作提示以防误操作；(4)计算机采集的数据经处理可生成原始数据报表、分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件格式，以便使用。

另外，本公开另外的实施例中还公开了上述多功能实验装置的实验方法：

挡砂实验方法包括如下步骤：

(1)关闭流体泵送系统中的出口阀门，在筒体中放入待评价的防砂筛管或筛网，并根据需要模拟的防砂方式填充地层砂和砾石；

(2)打开流体泵送系统中的出口阀门，开启驱替实验流体系统阀门，调节至指定流量、压力将实验流体驱替到实验模拟系统的筒体中，并开启实验数据实时采集系统；

(3)驱替至筛管或筛网两侧的压力逐渐稳定，关泵并停止数据实时采集；

(4)收集、烘干、称量被驱替流体携带的地层砂；清理实验装置，取出地层砂和砾石并清洗实验装置；进行数据处理及结果分析。

冲蚀实验方法包括如下步骤：

(1)关闭流体泵送系统中的出口阀门，调节冲蚀射流含砂量、流量、压力等实验参数；

(2)取下分流网、砾石围挡，在筒体中放入筛网支架，并将切割好的弧形筛网放入支架中；

(3)安装射流喷嘴，并固定喷嘴角度；

(4)打开流体泵送系统中的出口阀门，开启驱替实验流体系统阀门，待筛网被射流冲蚀发生破坏后，关泵，并关闭所有阀门；

(5)取出被冲蚀筛网，清理、烘干后称重计量，分析冲蚀程度；

(6)更换不同的冲蚀喷嘴，重复(3)～(5)的步骤，进行多次实验；

(7)取出筛网、筛网支架及射流喷嘴，并清洗实验装置；进行数据处理及结果分析。

本实施例中涉及的材料主要有地层砂、石英砂及砾石，适用于各种筛管短节及筛网的测试。

在此过程中，可以记录的数据有：含砂量、压力、流量、出砂量、筛网质量及实验时间等。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置，其特征在于，该装置包括

流体泵送系统，其被配置为用于提供给实验模拟系统进行试验的多种类型的实验流体；

实验模拟系统，包括用于将防砂筛管及筛网放置在其内部的筒体；所述筒体的外表面均匀设有多个用于将所述实验流体送入筒体内导流管；进入筒体内的实验流体从防砂筛管或筛网的外壁进入筛管的内部；

集砂系统，其被配置为用于收集流入所述筛管和筛网内的流体，并过滤其中的地层砂；

数据采集及控制系统，其被配置为用于连接泵送系统及筒体内的测量装置，并将采集到的数据传送至计算机中进行储存并进行实时安全监测。

2.如权利要求1所述的一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置，其特征在于，包括加砂系统、气相泵送系统和液相泵送系统；加砂系统和气相泵送系统以及液相泵送系统通过同一根管线与所述导流管道相连接；通过控制加砂系统、气相及液相泵送系统中阀门的启闭，使得所述实验流体泵送系统实现液固混合、气固混合或气液固混合多种实验流体输送。

3.如权利要求1所述的一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置，其特征在于，所述筒体包括可拆卸连接的顶盖和支撑底座；筛管分别与顶盖和支撑底座密封连接；所述支撑底座的中心位置还设有用于将流入筛管内的实验流体引入集砂系统中的出砂口，在筒体的侧壁上还设有可视窗。

4.如权利要求1所述的一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置，其特征在于，在筒体内设有与导流管口相连接，且使得实验流体均匀地通过防砂筛管的分流网；分流网与防砂筛管之间设有围挡。

5.如权利要求1所述的一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置，其特征在于，在筒体内部的中心位置可安装筛网支架，所述筛网支架上弧形凹槽；所述弧形凹槽内可放置弧形筛网。

6.如权利要求1所述的一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置，其特征在于，在导流管上的管口处连接射流喷嘴。

7.如权利要求6所述的一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置，其特征在于，所述射流喷嘴可旋转调整射流入射角度；并且可更换射流喷嘴调整冲蚀射流与筛网之间的距离。

8.如权利要求1所述的一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置，其特征在于：所述集砂系统包括沉砂罐；所述沉砂罐设有用于收集流入防砂筛管内流体的金属网篮；所述金属网篮内设有过滤器；所述沉沙罐上设有出液口，所述出液口与流体泵送系统相连接。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置的方法，其特征在于，挡砂实验方法包括如下步骤：

(1)关闭流体泵送系统中的出口阀门，在筒体中放入待评价的防砂筛管或筛网，并根据需要模拟的防砂方式填充地层砂和砾石；

(2)打开流体泵送系统中的出口阀门，开启驱替实验流体系统阀门，调节至指定流量、压力将实验流体驱替到实验模拟系统的筒体中，并开启实验数据实时采集系统；

(3)驱替至筛管或筛网两侧的压力逐渐稳定，关泵并停止数据实时采集；

(4)收集、烘干、称量被驱替流体携带的地层砂；清理实验装置，取出地层砂和砾石并清洗实验装置；进行数据处理及结果分析。

10.如权利要求9所述的一种多功能防砂模拟和筛管评测实验装置的方法，其特征在于，冲蚀实验方法包括如下步骤：

(1)关闭流体泵送系统中的出口阀门，调节冲蚀射流含砂量、流量、压力等实验参数；

(2)取下分流网、砾石围挡，在筒体中放入筛网支架，并将切割好的弧形筛网放入支架中；

(3)安装射流喷嘴，并固定喷嘴角度；

(4)打开流体泵送系统中的出口阀门，开启驱替实验流体系统阀门，待筛网被射流冲蚀发生破坏后，关泵，并关闭所有阀门；

(5)取出被冲蚀筛网，清理、烘干后称重计量，分析冲蚀程度；

(6)更换不同的冲蚀喷嘴，重复(3)～(5)的步骤，进行多次实验；

(7)取出筛网、筛网支架及射流喷嘴，并清洗实验装置；进行数据处理及结果分析。

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