CN113138147A - 评价地层出砂在水平井筒中沉降作用的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评价地层出砂在水平井筒中沉降作用的实验装置及方法，包括：气液供应模块，包括气瓶、储气罐、液体罐和气液预混罐，气瓶的出口与储气罐的入口连接，储气罐的出口与气液预混罐的第一入口连接，液体罐的出口与气液预混罐的第二入口连接；流体携砂模块，包括携砂腔体，携砂腔体的入口与气液预混罐的第一出口连接；沉降实验模块，包括沉降实验腔体，沉降实验腔体的第一入口与携砂腔体的出口连接；三相分离模块，包括分离器，分离器的入口与沉降实验腔体的出口连接，分离器被配置为将气液固三相流体进行分离。本发明装置通过对砂粒质量和粒径的控制，达成预期携砂效果，为沉降作用评价提供稳定的气液固三相流动。

Description

评价地层出砂在水平井筒中沉降作用的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种评价地层出砂在水平井筒中沉降作用的实验装置及方法，属于油气生产技术评价领域。

背景技术

随着天然气水合物试采工程的实施，储层出砂导致井底淤堵成为目前开展大规模长期商业化开采受限的重要问题。2020年3月26日我国一举攻克深海浅软地层水平井钻采核心技术，成为全球首个采用水平井钻采技术试采海域天然气水合物的国家，有效证明了水平井技术可以作为天然气水合物的增产手段。但目前水平井段井筒若出现进砂，仍会影响天然气水合物大规模持续性的开采。其中砂在随气、水流动时发生的沉降淤积问题仍缺少有效评价手段和实验装置，对该问题影响后续生产的过程缺乏准确认识。因此，需要设计一套评价地层出砂在天然气水合物生产井水平井筒中沉降作用的评价装置，以开展室内实验研究，从而为解决现场实地的实际问题提供理论基础和技术依据。

为模拟天然气水合物产出物在生产井底的流动，需要模拟水平井段中高压力，大流速的气液固三相流动，但受限于常规增压泵无法令固相高效通过而气液固混合装置无法提供大流速高压力，因此必须研制专门的实验装置，以满足实验条件。这样的实验装置需满足以下要求，可模拟不同气水比及不同流形，可形成流速/压力稳定的气液固流动，实验操作简单等。

发明内容

针对上述突出问题，本发明提供一种评价地层出砂在水平井筒中沉降作用的实验装置及方法，该装置可以用于模拟天然气水合物生产井水平井筒中砂粒在气液固三相流动中的沉降过程，可以对砂粒在气液固三相流中的沉降作用进行评价，综合研究水平井筒中气液固三相流动的流形、流速以及井筒构型等对于固相沉降作用的影响规律，该装置操作简单，测量方便，安全稳定。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种评价地层出砂在水平井筒中沉降作用的实验装置，包括如下部件：

气液供应模块，包括气瓶、储气罐、液体罐和气液预混罐，所述气瓶的出口与所述储气罐的入口连接，所述储气罐的出口与所述气液预混罐的第一入口连接，所述液体罐的出口与所述气液预混罐的第二入口连接；

流体携砂模块，包括携砂腔体，所述携砂腔体的入口与所述气液预混罐的第一出口连接，所述携砂腔体被配置为内置设定初始质量目标粒径的砂粒；

沉降实验模块，包括沉降实验腔体，所述沉降实验腔体的第一入口与所述携砂腔体的出口连接，所述沉降实验腔体被配置为模拟还原油气开采水平井井筒环境，以研究不同水平井井筒壁面形态对于砂沉降作用的影响；

三相分离模块，包括分离器，所述分离器的入口与所述沉降实验腔体的出口连接，所述分离器被配置为将气液固三相流体进行分离。

所述的实验装置，优选地，所述流体携砂模块还包括稳流腔体，所述稳流腔体与所述携砂腔体并联设置，所述稳流腔体的入口与所述气液预混罐的第二出口连接，所述稳流腔体被配置为测试所述气液供应模块是否能形成持续稳定流速和流形。

所述的实验装置，优选地，所述稳流腔体、所述携砂腔体和所述沉降实验腔体的长度和内径之比均大于10。

所述的实验装置，优选地，所述沉降实验腔体内可拆卸安装有不同壁面构型的模块，以模拟研究不同水平井井筒壁面形态对砂沉降作用的影响。

所述的实验装置，优选地，还包括水箱，所述分离器的液相出口与所述水箱的入口连接，所述水箱的出口通过注入泵与所述液体罐的入口连接，以实现液体循环。

所述的实验装置，优选地，还包括沉淀池，所述分离器的固相出口与所述沉淀池的入口连接，以实现固体循环。

所述的实验装置，优选地，还包括气体循环管路、水箱和沉淀池，所述分离器的气相出口通过所述气体循环管路与所述气瓶的入口连接，以实现气体循环；所述分离器的液相出口与所述水箱的入口连接，所述水箱的出口通过注入泵与所述液体罐的入口连接，以实现液体循环；所述分离器的固相出口与所述沉淀池的入口连接，以实现固体循环。

所述的实验装置，优选地，所述气瓶与所述储气罐之间设置有第一单向阀和减压阀，所述液体罐与所述气液预混罐之间设置有平流泵，通过控制所述第一单向阀、所述减压阀和所述平流泵来控制所述气液预混罐中气液比例和压力。

所述的实验装置，优选地，所述气液预混罐内设置有搅拌器，所述搅拌器被配置为将气液两相搅拌均匀，以实现气液两相流的稳定供应。

基于上述实验装置，本发明还提供该装置的操作方法，包括如下步骤：

1)称取一定质量和粒径范围内的砂粒，填入所述携砂腔体中，记录出砂预填砂粒质量为初始质量，并在所述沉降实验腔体内安装水平井筒模拟壁面，完成实验前准备工作；

2)将所述气瓶的气体注入所述储气罐中，再将所述储气罐内的气体注入所述气液预混罐中，然后将所述液体罐中的液体注入所述气液预混罐中，待所述气液预混罐中的气液混合均匀并达到一定压力后注入所述稳流腔体中，以测试气液两相流体的稳定性；

3)待所述稳流腔体和所述沉降实验腔体中的压力平稳后，关闭所述稳流腔体的入口和出口处的阀门，打开所述携砂腔体的入口和出口处的阀门，所述气液预混罐输出的气液两相流体进入所述携砂腔体，并裹携着所述携砂腔体内砂粒形成气液固三相流体，最后进入所述沉积实验腔体，开始实验；

4)通过重力作用沉降下来的砂粒留存在所述沉降实验腔体中，而另一部分砂粒随三相流体流动并保持运移，随后流入所述分离器中，通过所述分离器的分离，分别获得气、液、固三相分离的流体；

5)将所述步骤4)分离后的固体烘干，称重，记录称重质量为出砂质量，初始质量与出砂质量之差即为水平井段经过重力作用沉降下来的砂的质量，记录为沉降质量；计算一定流速/流形条件下单位实验时间单位长度中的沉降质量作为砂沉降作用的评价标准；

6)改变气液比例、流速、流形、预填砂的粒径、总质量、分布方式、和井壁壁面构型，再重复所述步骤1)至5)，对生产井水平井段的砂沉降作用的影响因素进行研究。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明结合高压气源和平流泵的阀门和功率调节，可实现气液预混罐中压力和气液比例的准确控制，并配合稳流腔的实验测量过程，为实验腔体提供稳定的不同流形气液两相流动。

2、本发明通过携砂腔中稳定的气液两相流动裹携提前内置的测试砂粒进行实验，根据气液两相流动携砂能力的研究，通过对砂粒质量和粒径的控制，达成预期携砂效果，为沉降作用评价提供稳定的气液固三相流动。

3、本发明通过调节气液比例、三相流动的流速、砂粒的粒径和质量、以及沉降实验舱模拟井筒壁面，可以实现对生产井水平井筒砂沉降作用影响因素的研究，帮助对生产井水平井筒砂沉降作用做出评价。

4、本发明装置可适用于气固、液固两相流动的砂沉降作用评价；通过本发明装置对油气生产井水平井段砂沉降作用的评价，可以充分认识气液固三相流在水平井中的流动特性，尤其是井筒出砂情况下，砂在水平井段中的运移规律，为制定粉砂质型天然气水合物储层的开发策略和技术手段提供基础依据和数据支撑。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的评价地层出砂在生产井水平井筒中沉降作用的实验装置结构示意图；

图中各标记如下：

1-气瓶；2-第一单向阀；3-减压阀；4-储气罐；5-防喷安全阀；6-液体罐；7-平流泵；8-气液预混罐；9-搅拌器；10-第二单向阀；11-稳流腔体；12-携砂腔体；13-沉降实验腔体；14-分离器；15-水箱；16-注入泵；17-沉淀池；18-第一阀门；19-第二阀门；20-第三阀门；21-第四阀门；22-第五阀门；23-第六阀门；24-第七阀门。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

如图1所示，本发明提供一种评价地层出砂在水平井筒中沉降作用的实验装置，包括如下部件：

气液供应模块，包括气瓶1、储气罐4、液体罐6和气液预混罐8，气瓶1的出口与储气罐4的入口连接，储气罐4的出口与气液预混罐8的第一入口连接，液体罐6的出口与气液预混罐8的第二入口连接；

流体携砂模块，包括携砂腔体12，携砂腔体12的入口与气液预混罐8的第一出口连接，携砂腔体12被配置为内置设定初始质量目标粒径的砂粒；

沉降实验模块，包括沉降实验腔体13，沉降实验腔体13的第一入口与携砂腔体12的出口连接，沉降实验腔体13被配置为模拟还原油气开采水平井井筒环境，以研究不同水平井井筒壁面形态对于砂沉降作用的影响；

三相分离模块，包括分离器14，分离器14的入口与沉降实验腔体13的出口连接，分离器14被配置为将气液固三相流体进行分离。

在本发明一个优选的实施方案中，流体携砂模块还包括稳流腔体11，稳流腔体11与携砂腔体12并联设置，稳流腔体11的入口与气液预混罐8的第二出口连接，稳流腔体11被配置为测试气液供应模块是否能形成持续稳定流速和流形。

在本发明一个优选的实施方案中，稳流腔体11、携砂腔体12和沉降实验腔体13的长度和内径之比均大于10，以满足一维流动要求，并保证水平井流动的充分性和砂沉降评价效果的有效性。

在本发明一个优选的实施方案中，沉降实验腔体13内可拆卸安装有不同壁面构型的模块，以模拟研究不同水平井井筒壁面形态对砂沉降作用的影响。

在本发明一个优选的实施方案中，液体罐6上还设置有防喷安全阀5，用于保证气液输出的安全和稳定。

在本发明一个优选的实施方案中，还包括水箱15，分离器14的液相出口与水箱15的入口连接，水箱15的出口通过注入泵16与液体罐6的入口连接，以实现液体循环。

在本发明一个优选的实施方案中，还包括沉淀池17，分离器14的固相出口与沉淀池17的入口连接，以实现固体循环。

在本发明一个优选的实施方案中，气液预混罐8、稳流腔体11、携砂腔体12和沉降实验腔体13分别安装有压力传感器，测量各容器内压力变化和流态稳定性，压力传感器安装于容器的内壁面上，其中气液预混罐8的内壁面设有一个，稳流腔体11、携砂腔体12和沉降实验腔体13的入口和出口处各设有一个，压力传感器的测量范围为0～20MPa，精度为±0.1MPa。

在本发明一个优选的实施方案中，各容器间的注入、输出管路上均设有阀门，其中气瓶1(高压气源)和气液预混罐8的出口处设置单向阀，以防止管路中的残余水回流。

在本发明一个优选的实施方案中，还包括气体循环管路、水箱15和沉淀池17，分离器14的气相出口通过气体循环管路与气瓶1的入口连接，以实现气体循环；分离器14的液相出口与水箱15的入口连接，水箱15的出口通过注入泵16与液体罐6的入口连接，以实现液体循环；分离器14的固相出口与沉淀池17的入口连接，以实现固体循环。

在本发明一个优选的实施方案中，气瓶1与储气罐4之间设置有第一单向阀2和减压阀3，液体罐6与气液预混罐8之间设置有平流泵7，通过控制第一单向阀2、减压阀3和平流泵7来控制气液预混罐8中气液比例和压力。

在本发明一个优选的实施方案中，气液预混罐8内设置有搅拌器9，搅拌器9被配置为将气液两相搅拌均匀，以实现气液两相流的稳定供应。

基于上述实验装置，本发明还提供该实验装置的操作方法，包括如下步骤：

1)称取一定质量和粒径范围内的砂粒，填入携砂腔体12中，记录出砂预填砂粒质量为初始质量，并在沉降实验腔体13内安装水平井筒模拟壁面，完成实验前准备工作；

2)打开第一单向阀2和减压阀3，将气瓶1的气体注入储气罐4中，调节减压阀3，直至储气罐4内的压力达到气液预混罐8要求的气体压力，打开第一阀门18令气体以设定压力注入气液预混罐8中，然后打开第二阀门19和平流泵7将液体罐6中的液体以设定流速注入气液预混罐8中，打开搅拌器9并设置搅拌器9的转速，使气液预混罐8中的气液充分混合，待气液预混罐8中的气液混合均匀并达到目标压力后，打开第三阀门20和第四阀门21，将气液两相流体注入稳流腔体11中，以测试气液两相流体的稳定性；

3)时刻观察稳流腔体11和沉降实验腔体13中压力传感器的读数，待稳流腔体11和沉降实验腔体13中的压力平稳后，关闭稳流腔体11的入口和出口处的阀门(第三阀门20和第四阀门21)，打开携砂腔体12的入口和出口处的阀门(第五阀门22和第六阀门23)，气液预混罐8输出的气液两相流体进入携砂腔体12，并裹携着携砂腔体12内砂粒形成气液固三相流体，最后进入沉积实验腔体13，开始实验；

4)通过重力作用沉降下来的砂粒留存在沉降实验腔体13中，而另一部分砂粒随三相流体流动并保持运移，随后流入分离器14中，通过分离器14的分离，分别获得气、液、固三相分离的流体；

5)按提前设定的实验时间进行实验，实验时间结束后，关闭阀门(第五阀门22和第六阀门23)停止气液固三相流动，结束实验；将步骤4)分离后的固体烘干，称重，记录称重质量为出砂质量，初始质量与出砂质量之差即为水平井段经过重力作用沉降下来的砂的质量，记录为沉降质量；计算一定流速/流形条件下单位实验时间单位长度中的沉降质量作为砂沉降作用的评价标准；

6)改变气液比例、流速、流形、预填砂的粒径、总质量、分布方式、和井壁壁面构型，再重复步骤1)至5)，对生产井水平井段的砂沉降作用的影响因素进行研究。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种评价地层出砂在水平井筒中沉降作用的实验装置，其特征在于，包括如下部件：

气液供应模块，包括气瓶(1)、储气罐(4)、液体罐(6)和气液预混罐(8)，所述气瓶(1)的出口与所述储气罐(4)的入口连接，所述储气罐(4)的出口与所述气液预混罐(8)的第一入口连接，所述液体罐(6)的出口与所述气液预混罐(8)的第二入口连接；

流体携砂模块，包括携砂腔体(12)，所述携砂腔体(12)的入口与所述气液预混罐(8)的第一出口连接，所述携砂腔体(12)被配置为内置设定初始质量目标粒径的砂粒；

沉降实验模块，包括沉降实验腔体(13)，所述沉降实验腔体(13)的第一入口与所述携砂腔体(12)的出口连接，所述沉降实验腔体(13)被配置为模拟还原油气开采水平井井筒环境，以研究不同水平井井筒壁面形态对于砂沉降作用的影响；

三相分离模块，包括分离器(14)，所述分离器(14)的入口与所述沉降实验腔体(13)的出口连接，所述分离器(14)被配置为将气液固三相流体进行分离。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述流体携砂模块还包括稳流腔体(11)，所述稳流腔体(11)与所述携砂腔体(12)并联设置，所述稳流腔体(11)的入口与所述气液预混罐(8)的第二出口连接，所述稳流腔体(11)被配置为测试所述气液供应模块是否能形成持续稳定流速和流形。

3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述稳流腔体(11)、所述携砂腔体(12)和所述沉降实验腔体(13)的长度和内径之比均大于10。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述沉降实验腔体(13)内可拆卸安装有不同壁面构型的模块，以模拟研究不同水平井井筒壁面形态对于砂沉降作用的影响。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括水箱(15)，所述分离器(14)的液相出口与所述水箱(15)的入口连接，所述水箱(15)的出口通过注入泵(16)与所述液体罐(6)的入口连接，以实现液体循环。

6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括沉淀池(17)，所述分离器(14)的固相出口与所述沉淀池(17)的入口连接，以实现固体循环。

7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括气体循环管路、水箱(15)和沉淀池(17)，所述分离器(14)的气相出口通过所述气体循环管路与所述气瓶(1)的入口连接，以实现气体循环；所述分离器(14)的液相出口与所述水箱(15)的入口连接，所述水箱(15)的出口通过注入泵(16)与所述液体罐(6)的入口连接，以实现液体循环；所述分离器(14)的固相出口与所述沉淀池(17)的入口连接，以实现固体循环。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述气瓶(1)与所述储气罐(4)之间设置有第一单向阀(2)和减压阀(3)，所述液体罐(6)与所述气液预混罐(8)之间设置有平流泵(7)，通过控制所述第一单向阀(2)、所述减压阀(3)和所述平流泵(7)来控制所述气液预混罐(8)中气液比例和压力。

9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述气液预混罐(8)内设置有搅拌器(9)，所述搅拌器(9)被配置为将气液两相搅拌均匀，以实现气液两相流的稳定供应。

10.一种如权利要求2-9任意一项所述实验装置的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)称取一定质量和粒径范围内的砂粒，填入所述携砂腔体(12)中，记录出砂预填砂粒质量为初始质量，并在所述沉降实验腔体(13)内安装水平井筒模拟壁面，完成实验前准备工作；

2)将所述气瓶(1)的气体注入所述储气罐(4)中，再将所述储气罐(4)内的气体注入所述气液预混罐(8)中，然后将所述液体罐(6)中的液体注入所述气液预混罐(8)中，待所述气液预混罐(8)中的气液混合均匀并达到一定压力后注入所述稳流腔体(11)中，以测试气液两相流体的稳定性；

3)待所述稳流腔体(11)和所述沉降实验腔体(13)中的压力平稳后，关闭所述稳流腔体(11)的入口和出口处的阀门，打开所述携砂腔体(12)的入口和出口处的阀门，所述气液预混罐(8)输出的气液两相流体进入所述携砂腔体(12)，并裹携着所述携砂腔体(12)内砂粒形成气液固三相流体，最后进入所述沉积实验腔体(13)，开始实验；

4)通过重力作用沉降下来的砂粒留存在所述沉降实验腔体(13)中，而另一部分砂粒随三相流体流动并保持运移，随后流入所述分离器(14)中，通过所述分离器(14)的分离，分别获得气、液、固三相分离的流体；

5)将所述步骤4)分离后的固体烘干，称重，记录称重质量为出砂质量，初始质量与出砂质量之差即为水平井段经过重力作用沉降下来的砂的质量，记录为沉降质量；计算一定流速/流形条件下单位实验时间单位长度中的沉降质量作为砂沉降作用的评价标准；

6)改变气液比例、流速、流形、预填砂的粒径、总质量、分布方式、和井壁壁面构型，再重复所述步骤1)至5)，对生产井水平井段的砂沉降作用的影响因素进行研究。

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