CN111948370B - 用于天然气水合物实验系统的流场测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于天然气水合物实验系统的流场测量装置及测量方法，该测量装置包括非中心垂直井压力传感器、非中心垂直井出口阀门、连通器阀门、差压传感器、连通器、中心垂直井出口阀门以及中心垂直井压力传感器。通过将天然气水合物实验系统的中心垂直井的测点分别与各个垂直井的测点之间连接差压传感器，测量压力差，对于整个反应釜内部三维空间分配合理，模拟出的流场更加易于分析反应釜内气液流动趋势；通过压力传感器反馈的信息进行初判断，再决定是否开启差压传感器，在压力差大和压力差小的工况下，均能测量反应釜内流场，同时对差压传感器也能得到有效的保护。

Description

用于天然气水合物实验系统的流场测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及实验模拟技术，具体涉及一种用于天然气水合物实验系统的流场测量装置及测量方法。

背景技术

天然气水合物实验系统场的测量一般包括温度场，压力场，流场等。温度场通过大量布置温度传感器已经能实现很完美的温度场实时测量，压力场一般在反应釜的进出口各安装一个压力传感器，实现对整个反应釜压力场的实时测量，流场的测量一直难以实现，如专利文献CN102305052A所公开的天然气水合物三维多井联合开采实验装置及其实验方法。

大多天然气水合物实验系统尺度小，流场的测量没有意义，也难以实现。大尺度的天然气水合物实验系统有测量流场的意义与需要，但是难以实现，目前流场测量装置大多为可视化设备，比如一些光发生器与摄像机等成像装置结合，又或者安装一些可视化的视窗之类的设备，去观察、拍摄记录流场的变化，达到对流场的测量效果。但是天然气水合物大多附存于多孔介质中，视窗系只能观察到多孔介质，摄影设备难以深入反应釜，也难以在反应釜内的环境下进行拍摄。这些手段都无法有效的观察或者测量到反应釜内的流场。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于天然气水合物实验系统的流场测量装置及测量方法，以实时测量反应釜内流场。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明实施提供了一种用于天然气水合物实验系统的流场测量装置，所述天然气水合物实验系统包括反应釜，所述反应釜内由上至下分为若干层，以用于模拟水合物储层，每一层分布着若干口垂直井，位于中心的那一口垂直井为中心垂直井，其余的为非中心垂直井，所述流场测量装置包括非中心垂直井压力传感器、非中心垂直井出口阀门、连通器阀门、差压传感器、连通器、中心垂直井出口阀门以及中心垂直井压力传感器；其中，

所述非中心垂直井压力传感器、非中心垂直井出口阀门、差压传感器、连通器阀门的个数和非中心垂直井相同；每一非中心垂直井均设置有非中心垂直井出口管线，每一非中心垂直井出口管线均对应地依次连通安装有非中心垂直井压力传感器、非中心垂直井出口阀门、差压传感器、连通阀门，所有的连通器阀门均汇集连通至连通器；

所述中心垂直井设置有中心垂直井出口管线，中心垂直井出口管线依次连通安装有中心垂直井压力传感器和中心垂直井出口阀门，中心垂直井出口阀门连通至连通器。

进一步地，所述的用于天然气水合物实验系统的流场测量装置还包括显示终端，所述每一非中心垂直井压力传感器、中心垂直井压力传感器以及差压传感器的数据输出端均连接至显示终端。

进一步地，所述差压传感器和连通器均设置于反应釜之外。

进一步地，所述压差传感器的精度高于非中心垂直井压力传感器，量程小于非中心垂直井压力传感器。

进一步地，所述显示终端为电脑或平板电脑或手机。

进一步地，所述反应釜内由上至下分三层，每层均匀分布着9口垂直井。

进一步地所述连通器还旁设有连通器压力传感器和注气阀。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于天然气水合物实验系统的流场测量方法，所述方法上述的流场测量装置来进行，包括如下步骤：

在需要观察天然气水合物反应釜内流场的时候，先观察所有非中心垂直井压力传感器和中心垂直井压力传感器的数值，比较反应釜的每一口垂直井与中心的垂直井的压力差，是否超过差压传感器的量程；若超过差压传感器的量程，则得到该差压传感器所对应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差；若未超过差压传感器量程，则同时打开该差压传感器两侧的非中心垂直井出口阀门和连通器阀门，利用该差压传感器测量到相应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差。

进步一步地，所述方法还包括有：

利用注气阀对差压传感器进行测试：关闭非中心垂直井出口阀门，使得差压传感器与非中心垂直井出口阀相连接的这一端的压力数值都一致，将连通器的注气阀门连接至已知压力值不超过差压传感器量程的气瓶，打开连通器阀门，打开气瓶阀门，观察记录差压传感器所显示的数值，以根据所显示的数值来判断差压传感器是否需要更换或进行维修。

第三方面，本发明实施例还提供了一种用于天然气水合物实验系统的流场测量方法，所述天然气水合物实验系统包括反应釜，所述反应釜内由上至下分为若干层，以用于模拟水合物储层，每一层分布着若干口垂直井，位于中心的那一口垂直井为中心垂直井，其余的为非中心垂直井，将中心垂直井的测点分别与各个非中心垂直井的测点之间连接差压传感器，以对整个反应釜内部三维空间进行压力测量，通过反应釜内各点的压力差来量化反应釜内流场，以分析反应釜内气液流动趋势。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本实施例提供的流场测量装置通过反应釜内各点的压力差来量化反应釜内流场，准确、高效；将中心垂直井的测点分别与各个垂直井的测点之间连接差压传感器，测量压力差，对于整个反应釜内部三维空间分配合理，模拟出的流场更加易于分析反应釜内气液流动趋势；通过压力传感器反馈的信息进行初判断，再决定是否开启差压传感器，在压力差大和压力差小的工况下，均能测量反应釜内流场，同时对差压传感器也能得到有效的保护。同时由于整个测量装置是通过垂直井出口管线相连接的，也就是说整个测量装置可以外接反应釜的，亦即该差压传感器和连通器均设置于反应釜之外，不需要对整个天然气水合物系统进行大的改造，不会对现有的实验装置造成损坏，对于不具备流场测量功能的天然气水合物实验系统，可以随时外加本装置。

附图说明

图1为天然气水合物实验系统井位分布图；

图2为流场测量装置的组成示意图；

图3为反应釜的内部结构示意图；

图中：1、中心垂直井出口管线；2、中心垂直井压力传感器；3、中心垂直井出口阀门；4、连通器、5、非中心垂直井出口管线；6、非中心垂直井压力传感器；7、非中心垂直井出口阀门；8、差压传感器；9、连通器阀门；10、连通器压力传感器；11、注气阀。

20、反应釜；200、反应釜体；201、上釜盖；202、下釜盖；203、上循环盘管；204、下循环盘管；205、控温管；206、螺栓。

具体实施方式

实施例：

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”、“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、信号连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参阅图1所示，本实施例提供的天然气水合物实验系统的反应釜内有27口垂直井，天然气水合物储层分为三层，每层对称分布九口垂直井，分别编号为1-A，2-A,…,9-B,9-C,其中位于中心的垂直井9-B为中心垂直井，其余的垂直井均为非中心垂直井。

如图2所示，本实施提供的流场测量装置则主要包括非中心垂直井压力传感器6、非中心垂直井出口阀门7、连通器阀门9、差压传感器8、连通器4、中心垂直井出口阀门3以及中心垂直井压力传感器2。

其中，该非中心垂直井压力传感器6、非中心垂直井出口阀门7、差压传感器8、连通器阀门9的个数和非中心垂直井相同；将除9-B垂直井外的所有非中心垂直井出口管线5依次连接非中心垂直井压力传感器6，非中心垂直井出口阀门7，差压传感器8的一端，差压传感器8的另一端接到连通器阀门9，连通器阀门9汇集至连通器5，连通器5的另一端依次连接中心垂直井出口阀门3、中心垂直井压力传感器2、中心垂直井出口管线1。

26个差压传感器的编号分别为A1,B1,C1,A2,…,A9,C9，分别代表连接1-A井与9-B井的差压传感器，连接1-B井与9-B井的差压传感器，…，连接9-A井与9-B井的差压传感器，连接9-C井与9-B井的差压传感器。具体地，该压差传感器8的精度高于中心垂直井压力传感器2和非中心垂直井压力传感器6的精度，量程小于中心垂直井压力传感器2和非中心垂直井压力传感器6的量程，由于压力传感器精度测不了小压差，差压传感器8的精度更高，在压力差比较小的时候，压力传感器显示的的压力可能是一样的，但是差压传感器能测出来压力差，压力差比较大的时候，超出差压传感器的量程就会损害差压传感器，也就是说，压差传感器精度高，但是量程小。压力传感器量程大，但是精度不够，所以二者要相互配合使用。

如此，当需要观察天然气水合物反应釜内流场的时候，先通过观察27个压力传感器的数值，比较反应釜的每一口垂直井与中心的垂直井的压力差，看是否超过差压传感器的量程；若超过差压传感器的量程，则得到该差压传感器所对应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差；若未超过差压传感器量程，则同时打开该差压传感器两侧的非中心垂直井出口阀门和连通器阀门，利用该差压传感器测量到相应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差。受压力差的影响，气液会自发从高压流向低压(或有自发从高压流向低压的趋势)，也即反应釜内的流场被准确测量出来。

由此可见，本实施提供的流场测量装置通过反应釜内各点的压力差来量化反应釜内流场，准确、高效；将中心垂直井的测点分别与各个垂直井的测点之间连接差压传感器，测量压力差，对于整个反应釜内部三维空间分配合理，模拟出的流场更加易于分析反应釜内气液流动趋势；通过压力传感器反馈的信息进行初判断，再决定是否开启差压传感器，在压力差大和压力差小的工况下，均能测量反应釜内流场，同时对差压传感器也能得到有效的保护。同时由于整个测量装置是通过垂直井出口管线相连接的，也就是说整个测量装置可以外接反应釜的，亦即该差压传感器和连通器均设置于反应釜之外，不需要对整个天然气水合物系统进行大的改造，不会对现有的实验装置造成损坏，对于不具备流场测量功能的天然气水合物实验系统，可以随时外加本装置。

作为本实施例流场测量装置的一种优选，该流场测量装置还包括显示终端，每一非中心垂直井压力传感器6、中心垂直井压力传感器2以及差压传感器8的数据输出端均连接至显示终端，如此，通过显示终端能够实时地显示记录相关数据，从而可以实时测量反应釜内流场。具体地，该显示终端为电脑或平板电脑或手机，而在本实施例中则采用电脑的形式。

作为本实施例流场测量装置的另一种优选，上述的连通器4还旁设有连通器压力传感器11和注气阀12。如此，可以利用注气阀12对差压传感器8进行测试，具体方法为关闭非中心垂直井出口阀门，使得差压传感器传感器与非中心垂直井出口阀相连接的这一端的压力数值都一致，将连通器的注气阀门连接至已知压力值不超过差压传感器量程的气瓶，打开连通器阀门，打开气瓶阀门，观察记录差压传感器所显示的数值，正常情况下，此时差压传感器测得的差压应该是一致的，不显示差压或差压有明显的差异的差压传感器应该被更换或进行维修。

综上，本实施例提供的流场测量装置与现有技术相比具有如下技术优势：

(1)压力传感器和差压传感器连接至电脑，可以实时测量反应釜内流场；

(2)通过反应釜内各点的压力差来量化反应釜内流场，准确、高效；

(3)将中心垂直井的测点分别与各个垂直井的测点之间连接差压传感器，测量压力差，对于整个反应釜内部三维空间分配合理，模拟出的流场更加易于分析反应釜内气液流动趋势；

(4)通过压力传感器反馈的信息进行初判断，再决定是否开启差压传感器，在压力差大和压力差小的工况下，均能测量反应釜内流场，同时对差压传感器也能得到有效的保护；

(5)外接差压传感器反映反应釜内流场的设计，不会对天然气水合物实验造成影响；

(6)不需要对整个天然气水合物系统进行大的改造，不会对现有的实验装置造成损坏，对于不具备流场测量功能的天然气水合物实验系统，可以随时外加该装置；

(7)连通器的设计可以在脱离天然气水合物实验系统的情况下检测差压传感器，操作简便、安全、可靠。

同时，由于目前已有的天然气水合物实验设备尺度对比实际地层环境都不足以拥有温度梯度，所以大多天然气水合物反应釜都是做的恒温水浴，但是在实际开采中，天然气水合物储层受地层温度的影响，温度随着深度的变化是有一定温差与温度梯度的，且这种温度梯度的存在会对天然气水合物的生成开采均具有一定的影响，这就需要对更接近实际开采真实情况的大尺度天然气水合物设备有着需要模拟地层温度梯度更高要求，如何精确控制地层温度梯度以实现NGH藏原位温度场模拟就是目前要解决的技术难题。

为此，如图3所示，该反应釜20包括反应釜体200以及安装在反应釜体200上端面的上釜盖201以及安装在反应釜体下端面的下釜盖202，该反应釜体1与上、下釜盖之间的联接通过螺栓206的方式，联接稳定牢固、安全可靠。

在该反应釜体200内的上下两端分别布置有上循环盘管203和下循环盘管204，该上循环盘管203和下循环盘管204均采用独立的热交换装置(未图示)来实现热传导介质在盘管内的循环，该热交换装置具有制冷、加热以及恒温的功能。在上循环盘管203和下循环盘管204的作用下，可以使得反应釜体200内的上部和下部均形成等温面，但如果仅仅是反应釜上部和下部均形成等温面，由于反应釜四周无法做到绝热，在热对流的影响下，会形成高温自下而上占据大部分空间，无法做到均衡的温度梯度，从而不能模拟地层温度梯度。为此，在本实施中，在该反应釜体200内、上循环盘管203和下循环盘管204之间间隔设置有N根控温管205，以使得在反应釜体200内产生垂直温度梯度，N为正整数，当然控温管205数量可根据实际需求而定，在本实施例中，N为3，即布置有三根控温管205，每一控温管205也均是采用独立的热交换装置来实现热传导介质在控温管内的循环。

如此，通过在反应釜体内的上下两端布置有上循环盘管和下循环盘管，上循环盘管和下循环盘管的设计保障了加热稳定，而通过在循环盘管和下循环盘管之间间隔设置有N根控温管，控温管环绕反应釜体，而每一根空温管也是有独立的热交换装置来实现热传导介质在控温管内的循环，即也是可以实现制冷、加热以及恒温的功能，如此即可以单独地调整每一根控温管的温度，从而可以在反应釜体内模拟出地层温度梯度。

此外，由于地层温度为自下而上温度以一定梯度逐渐降低，为了更精确地模拟出地层温度梯度，该N根控温管自下而上等距分布且控温管之间的温差恒定，如此，即可以实现低温到高温等温差等距自上而下排列，具体为下循环盘管204为设定高温T1,上循环盘管74为设定低温T2，有N根控温管205，控温管205之间温差可以表示为：ΔT＝(T1-T2)/(N+1)，也即控温管205自上而下温度分别设定为T2+ΔT、T2+2ΔT、…、T2+NΔT。

另外，为了使得温管之间温差ΔT实时保持稳定状态，以达到对地层最真实的模拟，该反应釜体200内还设置有温度传感器，以用于检测上循环盘管203、下循环盘管204以及N根控温管205的温度，并将所监测到的温度数据传输至温度控制器，由温度控制器根据所监测到温度数据来实时调整各热交换装置的工作，以保证反应釜体内的垂直温度梯度实时保持稳定状态。具体到本实施例中，直温度梯度温差控制为5℃，控温精度为±0.5℃。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于天然气水合物实验系统的流场测量装置，所述天然气水合物实验系统包括反应釜，所述反应釜内由上至下分为若干层，以用于模拟水合物储层，每一层分布着若干口垂直井，位于中心的那一口垂直井为中心垂直井，其余的为非中心垂直井，其特征在于，所述流场测量装置包括非中心垂直井压力传感器、非中心垂直井出口阀门、连通器阀门、差压传感器、连通器、中心垂直井出口阀门以及中心垂直井压力传感器；

所述非中心垂直井压力传感器、非中心垂直井出口阀门、差压传感器、连通器阀门的个数和非中心垂直井相同；每一非中心垂直井均设置有非中心垂直井出口管线，每一非中心垂直井出口管线均对应地依次连通安装有非中心垂直井压力传感器、非中心垂直井出口阀门、差压传感器、连通器阀门，所有的连通器阀门均汇集连通至连通器；

所述中心垂直井设置有中心垂直井出口管线，中心垂直井出口管线依次连通安装有中心垂直井压力传感器和中心垂直井出口阀门，中心垂直井出口阀门连通至连通器；

所述差压传感器的精度高于中心垂直井压力传感器和非中心垂直井压力传感器的精度，量程小于中心垂直井压力传感器和非中心垂直井压力传感器的量程。

2.如权利要求1所述的用于天然气水合物实验系统的流场测量装置，其特征在于，还包括显示终端，每一非中心垂直井压力传感器、中心垂直井压力传感器以及差压传感器的数据输出端均连接至显示终端。

3.如权利要求1所述的用于天然气水合物实验系统的流场测量装置，其特征在于，所述差压传感器和连通器均设置于反应釜之外。

4.如权利要求2所述的用于天然气水合物实验系统的流场测量装置，其特征在于，所述显示终端为电脑或手机。

5.如权利要求1所述的用于天然气水合物实验系统的流场测量装置，其特征在于，所述反应釜内由上至下分三层，每层均匀分布着9口垂直井。

6.如权利要求1-5任一所述的用于天然气水合物实验系统的流场测量装置，其特征在于，所述连通器还旁设有连通器压力传感器和注气阀。

7.一种用于天然气水合物实验系统的流场测量方法，其特征在于，所述方法基于权利要求6所述的流场测量装置来进行，包括如下步骤：

在需要观察天然气水合物反应釜内流场的时候，先观察所有非中心垂直井压力传感器和中心垂直井压力传感器的数值，比较反应釜的每一口垂直井与中心垂直井的压力差，是否超过差压传感器的量程；若超过差压传感器的量程，则得到该差压传感器所对应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差；若未超过差压传感器量程，则同时打开该差压传感器两侧的非中心垂直井出口阀门和连通器阀门，利用该差压传感器测量到相应的非中心垂直井与中心垂直井的压力差。

8.如权利要求7所述的用于天然气水合物实验系统的流场测量方法，其特征在于，所述方法还包括有：

利用注气阀对差压传感器进行测试：关闭非中心垂直井出口阀门，使得差压传感器与非中心垂直井出口阀相连接的这一端的压力数值都一致，将连通器的注气阀门连接至已知压力值不超过差压传感器量程的气瓶，打开连通器阀门，打开气瓶阀门，观察记录差压传感器所显示的数值，以根据所显示的数值来判断差压传感器是否需要更换或进行维修。

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