CN112014255A - 一种实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实验装置，包括气源、高压气体储气罐、高压泵、流体加热器、高压固体储罐、混合装置和节流阀试件。其中，气源与高压气体储气罐连接，高压泵分别与高压气体储气罐和流体加热器连接。高压固定储罐和流体加热器分别与混合装置连接，混合装置与节流阀试件连接。气源为二氧化碳气体。本发明提供的实验装置，能够针对目前试井过程中常用节流阀，在室内模拟易燃易爆气固两相流对节流阀的冲蚀磨损过程，研究不同参数对节流阀的冲蚀磨损规律，并且安全可靠。
Description
技术领域
本发明属于采油工程技术领域，具体涉及一种用于研究节流阀的冲蚀磨损规律的实验装置。
背景技术
节流阀是用以控制气井产量的节流装置，在油气井测试及生产过程中，需要利用不同规格的节流阀用以控制生产压差，调节油气产量，对于油气生产而言较为关键。在气井生产过程中，气体流经节流阀时，在节流阀处压差较大、流速较高、流态较为复杂，容易产生节流阀冲蚀，尤其对于含有固相颗粒的气固两相流，对节流阀的冲蚀磨损现象愈发明显。由于在节流阀处管径变化较大，几何形状较为复杂，因此含有固相颗粒的天然气气固两相流对节流阀的冲蚀磨损较为严重。一方面，节流阀的损坏给生产安全带来了一定隐患；另一方面，节流阀的频繁更换给生产效益带来了严重影响。然而，目前高压气固两相流对节流阀的冲蚀磨损机理尚不明确，井上高压气体以甲烷等易燃易爆气体为主，室内实验危险性大，操作困难，鲜有实验设备可以完成此类高压气固两相流对节流阀的冲蚀磨损实验。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够针对目前试井过程中常用节流阀，在室内模拟易燃易爆气固两相流对节流阀的冲蚀磨损过程，研究不同参数对节流阀的冲蚀磨损规律的实验装置，并且安全可靠。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种实验装置，包括气源、高压气体储气罐、高压泵、流体加热器、高压固体储罐、混合装置和节流阀试件。其中，气源与高压气体储气罐连接，高压泵分别与高压气体储气罐和流体加热器连接。高压固定储罐和流体加热器分别与混合装置连接，混合装置与节流阀试件连接。气源为二氧化碳气体。
根据本发明的实验装置，能够利用室内易操作气体模拟现场中易燃易爆气固两相流对节流阀的冲蚀磨损过程，针对目前试井过程中常用节流阀，研究不同参数对节流阀的冲蚀磨损规律。根据现场发生冲蚀过程气体的物性参数以及节流阀的尺寸得到实验室所用二氧化碳气体的物性参数以及节流阀试件的尺寸，利用本发明涉及的实验装置中的高压泵和加热器通过调节压力和温度控制二氧化碳的物性参数，可以模拟不同参数气固两相流对节流阀的冲蚀过程，得到节流阀磨损规律及其影响因素，为试井现场中节流阀的结构设计及参数控制提供依据。另外，整个实验操作过程中采用二氧化碳气体，从而能够确保整个实验操作过程安全可靠。
对于上述技术方案，还可进行如下所述的进一步的改进。
根据本发明的实验装置，在一个优选的实施方式中，高压气体储气罐包括第一高压气体储气罐和第二高压气体储气罐。
采用两个高压气体储气罐同时工作的方式，保证了冲蚀磨损的循环进行，其中一个罐在高压泵的作用下进行气固两相流冲蚀磨损节流阀试件的同时，另一个罐可对二氧化碳气体进行补充和回收，两个高压气体储气罐交替工作，可以保证冲蚀磨损实验的连续性。
进一步地，在一个优选的实施方式中，高压泵包括第一高压泵和第二高压泵。其中，第一高压泵分别与第一高压气体储气罐和流体加热器连接。第二高压泵分别与第二高压气体储气罐和流体加热器连接。
两个高压气体储气罐通过不同的两条通道与加热器连接，这样能够增加实验装置的工作稳定性和使用寿命，从而确保实验过程稳定。
具体地，在一个优选的实施方式中，第一高压泵与第一高压气体储气罐之间、第二高压泵与第二高压气体储气罐之间和流体加热器与高压泵之间均设有高压阀。
通过在实验装置的各段管路上设置高压阀，能够极其方便地控制实验过程和实验时间。
进一步地，在一个优选的实施方式中，实验装置还包括回收装置，回收装置分别与节流阀试件和高压气体储气罐连接。
通过回收装置能够对实验结束流体进行回收处理，实现循环利用。
具体地，在一个优选的实施方式中，回收装置包括气固分离器、气液分离器、制冷液箱和制冷机。其中，气固分离器分别与节流阀试件和气液分离器连接。制冷液箱分别与气液分离器和高压气体储气罐连接。制冷机分别与制冷液箱和高压气体储气罐连接。
通过气固分离器和气液分离器能够分别将固相颗粒与二氧化碳气体回收，实现循环利用。
具体地，在一个优选的实施方式中，气固分离器与气液分离器之间以及制冷液箱和高压气体储气罐之间均设有高压阀。
通过在实验装置的管路上设置高压阀，能够极其方便地控制实验过程和实验时间。
进一步地，在一个优选的实施方式中，高压固体储罐与混合装置之间设有高压螺旋下料机。
利用高压螺旋下料机可以完成在高压环境下固相颗粒的精确、均匀注入。
具体地，在一个优选的实施方式中，气源与高压气体储气罐之间设有高压阀。
通过在实验装置的管路上设置高压阀，能够极其方便地控制实验过程和实验时间。
具体地，在一个优选的实施方式中，高压泵上设有压力表，流体加热器上设有温度表。
通过压力表和温度表能够实时检测出实验过程中的温度，从而便于控制整个实验过程的精准度。
相比现有技术，本发明的优点在于：能够针对目前试井过程中常用节流阀，在室内模拟易燃易爆气固两相流对节流阀的冲蚀磨损过程，研究不同参数对节流阀的冲蚀磨损规律，并且安全可靠。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1示意性显示了本发明实施例的实验装置的整体结构。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
图1示意性显示了本发明实施例的实验装置10的整体结构。
如图1所示，根据本发明实施例的实验装置10，包括气源1、高压气体储气罐2、高压泵3、流体加热器4、高压固体储罐5、混合装置6和节流阀试件7。其中，气源1与高压气体储气罐2连接，高压泵3分别与高压气体储气罐2和流体加热器4连接。高压固定储罐5和流体加热器4分别与混合装置6连接，混合装置6与节流阀试件7连接。气源为二氧化碳气体。根据本发明实施例的实验装置，能够利用室内易操作气体模拟现场中易燃易爆气固两相流对节流阀的冲蚀磨损过程，针对目前试井过程中常用节流阀，研究不同参数对节流阀的冲蚀磨损规律。根据现场发生冲蚀过程气体的物性参数以及节流阀的尺寸得到实验室所用二氧化碳气体的物性参数以及节流阀试件的尺寸，利用本发明涉及的实验装置中的高压泵和加热器通过调节压力和温度控制二氧化碳的物性参数，可以模拟不同参数气固两相流对节流阀的冲蚀过程，得到节流阀磨损规律及其影响因素，为试井现场中节流阀的结构设计及参数控制提供依据。另外，整个实验操作过程中采用二氧化碳气体，从而能够确保整个实验操作过程安全可靠。
根据本发明实施例的实验装置10，优选地，如图1所示，高压气体储气罐2包括第一高压气体储气罐21和第二高压气体储气罐22。采用两个高压气体储气罐同时工作的方式，保证了冲蚀磨损的循环进行，其中一个罐在高压泵的作用下进行气固两相流冲蚀磨损节流阀试件的同时，另一个罐可对二氧化碳气体进行补充和回收，两个高压气体储罐交替工作，可以保证冲蚀磨损实验的连续性。优选地，在本实施例中，高压泵3包括第一高压泵31和第二高压泵32。其中，第一高压泵31分别与第一高压气体储气罐21和流体加热器4连接。第二高压泵32分别与第二高压气体储气罐22和流体加热器4连接。两个高压气体储气罐通过不同的两条通道与加热器连接，这样能够增加实验装置的工作稳定性和使用寿命，从而确保实验过程稳定。
如图1所示，进一步地，在本实施例中，实验装置10还包括回收装置8，回收装置8分别与节流阀试件7和高压气体储气罐2连接。通过回收装置能够对实验结束流体进行回收处理，实现循环利用。具体地，在本实施例中，回收装置8包括气固分离器81、气液分离器82、制冷液箱83和制冷机84。其中，气固分离器81分别与节流阀试件7和气液分离器82连接。制冷液箱83分别与气液分离器82和高压气体储气罐2连接。制冷机84分别与制冷液箱83和高压气体储气罐2连接。通过气固分离器和气液分离器能够分别将固相颗粒与二氧化碳气体回收，并且通过制冷机和制冷液箱的冷却作用，将回收气体进行冷却，实现循环利用。
优选地，如图1所示，在本实施例中，高压固体储罐5与混合装置6之间设有高压螺旋下料机9。利用高压螺旋下料机可以完成在高压环境下固相颗粒的精确、均匀注入。
如图1所示，具体地，在本实施例中，气源1与高压气体储气罐2之间设有高压阀101，第一高压泵31与第一高压气体储气罐21之间、第二高压泵32与第二高压气体储气罐22之间和流体加热器4与高压泵3之间均设有高压阀101，气固分离器81与气液分离器82之间以及制冷液箱83和高压气体储气罐2之间均设有高压阀101。通过在实验装置的管路上设置高压阀，能够极其方便地控制实验过程和实验时间。具体地，高压阀101分别布置在气源的出口处、第一高压气体储气罐21的入口处、第二高压气体储气罐22的入口处、第一高压气体储气罐21的出口处、第二高压气体储气罐22的出口处、制冷液箱83的出口处、气固分离器81的出口处、第一高压泵31的入口处、第二高压泵32的入口处、流体加热器4的入口处和出口处。
优选地，在本实施例中，高压泵3上设有压力表，流体加热器4上设有温度表。通过压力表和温度表能够实时检测出实验过程中的温度，从而便于控制整个实验过程的精准度。
根据本发明实施例的实验装置10，具体的实验方法如下：
步骤一：根据现有磨损模型，由公式(1)可知，气固两相流冲蚀磨损与颗粒的粒径、速度以及冲撞面积的因素有关，而颗粒在流体的加速下运动，其加速方程为公式(2)。
上式中，Rerosion为冲蚀磨损率，kg/m2-s；mp为单颗粒重量，kg；C(dp)是颗粒直径函数，m；α为冲击角度，度；v是颗粒冲击速度，m/s；Af为颗粒在材料表面的投影面积，m2；b(v)是颗粒速度指数函数。
其中为u流体速度，m/s；up为颗粒速度，m/s；ρ为流体密度，g/cm3；ρp为颗粒密度，g/cm3；t为时间，s；fD(u-up)为单位颗粒质量受到的阻力，N；
为单位颗粒质量的重力浮力之和，N；fx为单位颗粒质量力，N。其中：
μ为流体动力粘度，mPa·s；CD为阻力系数；dp为颗粒直径，mm；Re为颗粒雷诺数；且：
对球形颗粒，
在冲蚀磨损实验的研究中，拟采用实验室CO2气体替代现场中所用的甲烷等易燃易爆气体，实验侧重模拟天然气等气体对节流阀的刺坏规律，需要模拟实验节流阀试件各处受力与现场节流阀各点所受的力具有相同的方向，同时其大小成等比例关系。因此采用动力相似，根据相似条件确定实验参数。本次实验主要模拟流体在节流阀以及油嘴内部的流动，是典型的管流，因此应用采用雷诺数作为判断的相似准数。雷诺数的表达式为：
式中：Re，雷诺数，无因次量；ν，运动黏度，m2/s。
若满足动力相似，则：
根据现场发生冲蚀过程气体的物性参数以及节流阀的尺寸，利用公式(8)即可得到实验室所用CO2气体的物性参数以及节流阀试件的尺寸，根据所需的物性参数确定室内实验所需的温度T及压力P。在利用本发明实施例中的高压泵3以及流体加热器4通过调节压力和温度控制CO2的物性参数，即可模拟与现场实际的冲蚀磨损过程。
步骤二：完成参数计算工作后，应用本发明实施例的实验装置完成室内实验。本发明实施例所涉及的实验装置10包括用于储存并交替提供高压气体的两个高压气体储罐21、22，用于使气体增压的两个高压泵31、32，用于使气体加热至预定温度的流体加热器4，用于混合气体与固体的混合装置6，在混合装置6上端用于注入颗粒的高压固体储罐5及下端的用于控制颗粒注入速度的高压螺旋下料机8，混合装置6出口连接着节流阀试件7，节流阀试件7出口连接用于分离气体与固体的气固分离器81，气固分离器81连接分离气体与液体的气液分离器82，气液分离器82出口连接用于给气体降温的制冷液箱83，以及给制冷液箱83提供制冷的制冷机84，还包含整个实验流程中所用到的高压阀101及相应用于检测温度和压力的温度表与压力表。
具体地，实验开始前检查管路的密闭性，并封闭所有高压阀101。实验开始将制冷机84打开，为高压气体储罐21、高压气体储罐22及制冷液箱83制冷，达到-15℃，打开气源1出口处、高压气体储气罐2共同的入口管段和第一高压气体储气罐21的入口处的高压阀101开启23气源1，将第一高压气体储罐21内注满CO2，注满后关闭气源1出口处和第一高压气体储气罐21的入口处的高压阀101及气源1。打开第一高压气体储气罐21出口处的高压阀101、第一高压泵31入口处的高压阀101、流体加热器4入口处的高压阀101、流体加热器4出口处的高压阀101、气固分离器81出口处的高压阀101、高压气体储气罐2共同的入口管段处的高压阀101及第二高压气体储气罐入口处的高压阀101。打开第一高压泵31、流体加热器4、气固分离器81、气液分离器82，高压气体储罐21中的CO2在第一高压泵31的作用下加压至预定的压力P，在通过流体加热器4加热至预定温度T，CO2流经混合装置6时，打开高压固体储罐5，并以nr/s的转速转动高压螺旋下料机9，使颗粒按照预定的浓度均匀与CO2混合，CO2携带固相颗粒经过节流阀试件7，对节流阀试件7产生冲蚀与磨损，冲蚀完的流体经过气固分离器81将固体分离，在经过气液分离器82将液体分离，最后经过制冷液箱83降温后回到第二高压气体储罐22，完成CO2的回收，第一高压气体储罐21与第二高压气体储罐22交替工作，使气固两相流的冲蚀磨损过程得以连续，直到达到预定的冲蚀磨损时间。
本发明实施例的实验装置10，利用相似原理，通过控制高压泵与流体加热器调节CO2温度和压力使其达到所需的物性，以用来模拟试井现场中的气体，压力范围优先为0～100MPa，温度范围优选为0～100℃。通过本发明实施例的实验装置及使用方法可以模拟不同参数气固两相流对节流阀的冲蚀过程，得到节流阀磨损规律及其影响因素，为试井现场中节流阀的结构设计及参数控制提供依据。
根据上述实施例，可见，本发明涉及的实验装置，能够针对目前试井过程中常用节流阀，在室内模拟易燃易爆气固两相流对节流阀的冲蚀磨损过程，研究不同参数对节流阀的冲蚀磨损规律，并且安全可靠。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种实验装置，其特征在于，包括气源、高压气体储气罐、高压泵、流体加热器、高压固体储罐、混合装置和节流阀试件；其中，
所述气源与所述高压气体储气罐连接，所述高压泵分别与所述高压气体储气罐和所述流体加热器连接；
所述高压固定储罐和所述流体加热器分别与所述混合装置连接，所述混合装置与所述节流阀试件连接；
所述气源为二氧化碳气体。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述高压气体储气罐包括第一高压气体储气罐和第二高压气体储气罐。
3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述高压泵包括第一高压泵和第二高压泵；其中，
所述第一高压泵分别与所述第一高压气体储气罐和所述流体加热器连接；
所述第二高压泵分别与所述第二高压气体储气罐和所述流体加热器连接。
4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述第一高压泵与所述第一高压气体储气罐之间、所述第二高压泵与所述第二高压气体储气罐之间和所述流体加热器与所述高压泵之间均设有高压阀。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括回收装置，所述回收装置分别与所述节流阀试件和所述高压气体储气罐连接。
6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述回收装置包括气固分离器、气液分离器、制冷液箱和制冷机；其中，
所述气固分离器分别与所述节流阀试件和所述气液分离器连接；
所述制冷液箱分别与所述气液分离器和所述高压气体储气罐连接；
所述制冷机分别与所述制冷液箱和所述高压气体储气罐连接。
7.根据权利要求6所述的实验装置，其特征在于，所述气固分离器与所述气液分离器之间以及所述冷液箱和所述储气罐之间均设有高压阀。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的实验装置，其特征在于，所述高压固体储罐与所述混合装置之间设有高压螺旋下料机。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的实验装置，其特征在于，所述气源与所述储气罐之间设有高压阀。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的实验装置，其特征在于，所述高压泵上设有压力表，所述加热器上设有温度表。
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| CN (1) | CN112014255A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109100127A (zh) * | 2018-08-13 | 2018-12-28 | 宁波市产品质量监督检验研究院 | 一种角式液控阀气液固多相流高温冲蚀磨损试验装置及其试验方法 |
| US20220373445A1 (en) * | 2021-05-20 | 2022-11-24 | Southwest Petroleum University | Experimental devices for simulating erosion of tubing strings caused by sand production |
| EP4187224A1 (de) * | 2021-11-24 | 2023-05-31 | Samson Aktiengesellschaft | Verfahren und system zur lebensdaueranalyse eines feldgerätes, das von einem fluid durchströmt wird, wobei das fluid feststoffpartikel mit sich führt |
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2019
- 2019-05-31 CN CN201910470062.1A patent/CN112014255A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN109100127A (zh) * | 2018-08-13 | 2018-12-28 | 宁波市产品质量监督检验研究院 | 一种角式液控阀气液固多相流高温冲蚀磨损试验装置及其试验方法 |
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| US11630043B2 (en) * | 2021-05-20 | 2023-04-18 | Southwest Petroleum University | Experimental devices for simulating erosion of tubing strings caused by sand production |
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