CN113188953B - 一种模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置 - Google Patents

一种模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，水、油先混合形成油水混合液，再与气体在第一实验管前混合，用于模拟油气井的油气水混合物；第一实验管和第二实验管的端部对接形成弯折且相互扭转变形形成扭曲形成三维弯曲，用于模拟复杂的弯曲井；油浴温控器及其油浴套管为第一实验管和第二实验管提供高温，第一高压泵和所述第二高压泵维持第一实验管和第二实验管内的高压，用于模拟高温高压环境。本发明公开的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，能耐高温高压和调节弯曲角度变化，能通过控制温度和压力模拟实际开采过程，与实际开采情况相差较小，实验模拟逼真度高。

Description

一种模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置
技术领域
本发明涉及石油化工实验模拟技术领域，具体涉及一种模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置。
背景技术
随着油气资源需求日益增加，现代钻井技术的飞速发展，超深井、大位移井以及水平井等各种复杂井日益常见。这些复杂井都是难以以常规技术攻克的油气井类型。实际中，通常这些复杂油气井的井眼是三维弯曲的，井斜角和方位角等井眼参数变化较大，油气井井下的情况十分复杂。在油藏开采过程中，边底水和伴生气的存在是相当普遍的现象，而且在开采初期常常会采用压裂的方式提高储层原油动用程度，到了开采的中后期，常常会采用注气和注水的方式来补充地层能量继续开采油田。地层水、注入水、注入气以及原油中溶解气的大量存在，使得流体从储层向地面流动的过程中，油气水三相混合物存在于井筒中，因此无论哪种举升方式的油井，其井筒中流动的大多数都是油气或油气水多相混合物，使得研究多相流体混合物在水平井筒中的流动是非常必要的。
但是，水平井的水平段往往是三维弯曲的，三维弯曲管中多相流的研究具有相当的复杂性：1、管道上升和下降的倾斜角度不同增加了研究的复杂性；2、不同角度的弯头处油气水多相流型的多样性和难确定性；3、流动过程中各相的温度、组分的浓度都是不均匀的，相与相之间有传热和传质发生；4、气液界面的不稳定性；5、多相弯曲管流中流动参数的难测性。由于上述的复杂性，使得三维弯曲管多相流的测量迄今为止在国际上都未得到满意的解决方法，三维弯曲多相流的测量也因此成为国内外科技工作者争相探索的热点课题。
现有的多相管流的研究主要集中在油水或油气两相流体流动的方面，油气水三相混合物的流动规律研究大部分也都集中在水平管道和垂直管道流动部分。而在三维弯曲复杂结构的井筒中，三相流动规律的研究主要从气液两相流动理论出发，通过建立各种数学模型来计算井筒的压降以及摩阻，缺乏实质性的物理模型实验装置来验证理论，如果计算长井筒的流动压降，误差将不可避免地出现，会对实际工业发展造成阻碍。
目前建立的弯管模拟装置不耐高温不耐高压，弯曲角度变化范围窄，仅考虑单一水平方向的二维弯曲，未考虑垂直方向的三维弯曲，这些均与实际开采情况相差较大。因此，建立一套模拟实际复杂井眼轨迹的模型装置，对井筒中的油气水三相混合物流动规律进行研究，已成为目前迫切需要解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，用以解决目前建立的弯管模拟装置不耐高温不耐高压，弯曲角度变化范围窄，仅考虑单一水平方向的二维弯曲，未考虑垂直方向的三维弯曲，这些均与实际开采情况相差较大的问题。
本发明提供一种模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，包括水罐、油罐、气罐、三维弯曲实验段、三相分离器、第一高压泵、第二高压泵、油浴温控器、第一高速相机和第二高速相机，所述三维弯曲实验段包括第一实验管和第二实验管，所述第一实验管和所述第二实验管的端部对接形成弯折，所述第一实验管和所述第二实验管相互扭转变形形成扭曲；所述水罐的出口端所述油罐的出口端并联后与所述第一实验管的进口端通过主管道对接，且所述第二实验管的出口端与所述三相分离器的进口端通过主管道对接，由此形成油水混合主管路；所述水罐的出口端所述油罐的出口端并联后且所述第一实验管的进口端之前的主管道与所述气罐通过支管相连通，以形成混气支路；所述三维弯曲实验段的外表面套设有油浴套管，所述油浴套管的两端分别与所述油浴温控器的出油口和回油口对接形成油浴循环回路，用于为主管路中的第一实验管和第二实验管提供高温；所述第一高压泵和所述第二高压泵分别设置于与所述水罐的出口端连接的主管道和与所述油罐的出口端连接的油罐支路上，用于通过提供所述水罐的出口端和所述油罐的出口端的高压以维持第一实验管和第二实验管内的高压；所述第一高速相机和所述第二高速相机分别对应于所述第一实验管和所述第二实验管设置，用于分别实时记录所述第一实验管和所述第二实验管内的混合物流速随时间的变化。
优选地，所述第一实验管和所述第二实验管的管壁分别设置有第一透明部和第二透明部；所述第一透明部和所述第二透明部分别设置有第一观察器和第二观察器，所述第一观察器和所述第二观察器分别设置有拍照窗；所述第一高速相机和所述第二高速相机均配置电子显微镜头，所述第一高速相机和所述第二高速相机的电子显微镜头分别对准所述第一观察器和所述第二观察器的拍照窗。
优选地，所述三维弯曲实验段包括向上弯曲和向下弯曲两种类型。
优选地，所述油浴套管还套设于三维弯曲实验段以外的所述油水混合主管路的外表面。
优选地，所述水罐的出口端所述油罐的出口端并联后且所述第一实验管的进口端之前的主管道上并联设置有油水混合器。
优选地，所述第一实验管和所述第二实验管间隔设置有多个压力传感器和温度传感器。
优选地，所述第一实验管和所述第二实验管与两端的主管道分别通过第一法兰和第二法兰对接。
优选地，所述三相分离器上设置有出气口、出水口和出油口，所述三相分离器的出油口与所述油罐之间通过回油管连通，所述回油管上设置有螺杆泵。
优选地，所述油浴温控器包括循环泵和加热罐，所述加热罐内设置有加热铜管，所述循环泵的出口端和所述加热罐的进口端通过管道相连通，所述加热罐的出口端作为所述油浴温控器的出油口，所述循环泵的进油口分别所述油浴温控器回油口，所述加热罐的出口端和所述循环泵的进油口分别与所述油浴套管的两端对接形成油浴循环回路。
优选地，所述第一高压泵和所述第二高压泵为高压柱塞泵。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，水罐输出的水、油罐输出的油和气罐输出的气在三相分离器混合，用于模拟油气井的油气水混合物；第一实验管和第二实验管的端部对接形成弯折且相互扭转变形形成扭曲形成三维弯曲，用于模拟复杂的弯曲井；油浴温控器及其油浴套管为第一实验管和第二实验管提供高温，第一高压泵和所述第二高压泵维持第一实验管和第二实验管内的高压，用于模拟高温高压环境；因此本发明公开的装置可用于模拟高温高压井下环境和实际生产过程中采出液在三维弯曲井筒中的流动情况，并通过实时监测油、气、水及其混合物在弯曲井筒中的流动变化，研究不同生产条件对原油井筒流动摩阻以及流动型态的影响。本发明公开的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，能耐高温高压，弯曲角度变化可调，克服了现有技术仅在水平方向上改变弯角的二维弯曲局限性，能通过控制温度和压力模拟实际开采过程，与实际开采情况相差较小，实验模拟逼真度高。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的三维弯曲实验段的结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的油浴套管套设于三维弯曲实验段的横截面示意图；
图4为本发明实施例1提供的第一观察器或第二观察器的正面视图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
实施例1提供一种模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，下面对其结构进行详细描述。
参考图1，该模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置包括水罐1、油罐2、气罐3、三维弯曲实验段4、三相分离器5、第一高压泵10、第二高压泵20、油浴温控器6、第一高速相机71和第二高速相机72。
结合图2，三维弯曲实验段4包括第一实验管41和第二实验管42，第一实验管41和第二实验管42的端部对接形成带有尖端的弯折，第一实验管41和第二实验管42相互扭转变形形成扭曲。因此三维弯曲实验段4不仅可以改变第一实验管41和第二实验管42水平方向的弯曲角度，还能改变垂直方向上的弯曲角度，即实现三维弯曲实验段4的三维弯曲。
水罐1的出口端油罐2的出口端并联后与第一实验管41的进口端通过主管道对接，且第二实验管42的出口端与三相分离器5的进口端通过主管道对接，由此形成油水混合主管路；水罐1的出口端油罐2的出口端并联后且第一实验管41的进口端之前的主管道与气罐3通过支管相连通，以形成混气支路。
优选地，第一实验管41和第二实验管42与两端的主管道分别通过第一法兰47和第二法兰48对接。通过旋转法兰调整三维弯曲实验段4在垂直方向的倾斜角度。
通过旋转第一法兰47和第二法兰48，可将三维弯曲实验段4由向上弯曲改为向下弯曲。向上弯曲指的是第一实验管41和第二实验管42的端部对接形成的尖端朝上，向下弯曲指的是第一实验管41和第二实验管42的端部对接形成的尖端朝下。
具体地，水罐1的出口端油罐2的出口端并联后且第一实验管41的进口端之前的主管道上设置有注气口30，混气支路与主管道通过注气口30连通。
为了提高油水混合均匀性，水罐1的出口端油罐2的出口端并联后且第一实验管41的进口端之前的主管道上并联设置有油水混合器8，油水混合器8的进液端和出液端以及与油水混合器8并联的主管道的两端分别设置有阀门200。
为了监控水罐1、油罐2、气罐3分别输出的水、油、气的流量以及进入到三相分离器5的油气水混合物的流量，水罐1、油罐2、气罐3的出口端以及三相分离器5的进口端分别设置有流量计300。水罐1和油罐2的流量计300的两端分别配置有阀门200，气罐3的流量计300和三相分离器5的流量计300的出口端均配置有阀门200。
为了该主管路中的第一实验管41和第二实验管42提供高温，以维持实验过程中三维弯曲实验段4的高温，三维弯曲实验段4的外表面套设有油浴套管60，如图3所示，油浴套管60的两端分别与油浴温控器6的出油口和回油口对接形成油浴循环回路。
为了提高保温效果，油浴套管60还套设于三维弯曲实验段4以外的油水混合主管路的外表面。
三维弯曲实验段4及其以外的油水混合主管路的外表面套设油浴套管60，油浴套管60内采用循环油浴给油水混合主管路加热或降温，可将温度升高至180℃，通过油浴控温器6可控制整个装置的温度。
为了维持第一实验管41和第二实验管42内的高压，第一高压泵10和第二高压泵20分别设置于与水罐1的出口端连接的主管道和与油罐2的出口端连接的油罐支路上，为水罐1的出口端和油罐2的出口端的高压。
具体地，第一高压泵10和第二高压泵20为高压柱塞泵。高压泵按介质分，可分为：高压柱塞泵、高压往复泵、高压电动试压泵、高压清洗机等。在该实施例中，优选采用高压柱 塞泵。高压术塞泵适用于石油、化工、化肥工业作为流程用泵，冶金、轧钢厂的高压水除鳞、建筑、造船、制糖、造纸、化工等工业的高压水清洗除垢，油田注水，锅炉给水，液压机械的动力源，以及食品、制药等需要产生高压液体的部分，输送介质为无固体颗粒的流体。高压术塞泵通常为高压三柱塞泵，常见为卧式，比立式更稳、振动小、装拆、维修方便，也叫三缸泵，具有均匀的流量，压力脉动也相应减小。
为了分别实时记录第一实验管41和第二实验管42内的混合物流速随时间的变化，第一高速相机71和第二高速相机72分别对应于第一实验管41和第二实验管42设置。
具体地，参考图4，第一实验管41和第二实验管42的管壁分别设置有第一透明部和第二透明部；第一透明部和第二透明部分别设置有第一观察器43和第二观察器44，第一观察器43和第二观察器44分别设置有拍照窗400；第一高速相机71和第二高速相机72均配置电子显微镜头，第一高速相机71和第二高速相机72的电子显微镜头分别对准第一观察器43和第二观察器44的拍照窗400。具体地，拍照窗400采用蓝宝石玻璃，可耐压60Mpa。
优选地，第一高速相机71和第二高速相机72采用透射电子显微镜用高速相机。
为了观察三维弯曲实验段4的温度和压力，第一实验管41和第二实验管42间隔设置有多个压力传感器和温度传感器。
具体地，三相分离器5上设置有出气口、出水口和出油口，三相分离器5的出水口上设置有阀门200；三相分离器5的出油口与油罐2之间通过回油管连通，回油管上设置有螺杆泵9。
具体地，油浴温控器6包括循环泵61和加热罐62，加热罐62内设置有加热铜管，循环泵61的出口端和加热罐62的进口端通过管道相连通，加热罐62的出口端作为油浴温控器6的出油口，循环泵61的进油口分别油浴温控器6回油口，加热罐62的出口端和循环泵61的进油口分别与油浴套管60的两端对接形成油浴循环回路。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，其特征在于，包括水罐(1)、油罐(2)、气罐(3)、三维弯曲实验段(4)、三相分离器(5)、第一高压泵(10)、第二高压泵(20)、油浴温控器(6)、第一高速相机(71)和第二高速相机(72)，
所述三维弯曲实验段(4)包括第一实验管(41)和第二实验管(42)，所述第一实验管(41)和所述第二实验管(42)的端部对接形成弯折，所述第一实验管(41)和所述第二实验管(42)相互扭转变形形成扭曲；
所述水罐(1)的出口端所述油罐(2)的出口端并联后与所述第一实验管(41)的进口端通过主管道对接，且所述第二实验管(42)的出口端与所述三相分离器(5)的进口端通过主管道对接，由此形成油水混合主管路；所述水罐(1)的出口端所述油罐(2)的出口端并联后且所述第一实验管(41)的进口端之前的主管道与所述气罐(3)通过支管相连通，以形成混气支路；
所述三维弯曲实验段(4)的外表面套设有油浴套管(60)，所述油浴套管(60)的两端分别与所述油浴温控器(6)的出油口和回油口对接形成油浴循环回路，用于为主管路中的第一实验管(41)和第二实验管(42)提供高温；
所述第一高压泵(10)和所述第二高压泵(20)分别设置于与所述水罐(1)的出口端连接的主管道和与所述油罐(2)的出口端连接的油罐支路上，用于通过提供所述水罐(1)的出口端和所述油罐(2)的出口端的高压以维持第一实验管(41)和第二实验管(42)内的高压；
所述第一高速相机(71)和所述第二高速相机(72)分别对应于所述第一实验管(41)和所述第二实验管(42)设置，用于分别实时记录所述第一实验管(41)和所述第二实验管(42)内的混合物流速随时间的变化。
2.如权利要求1所述的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，其特征在于，所述第一实验管(41)和所述第二实验管(42)的管壁分别设置有第一透明部和第二透明部；
所述第一透明部和所述第二透明部分别设置有第一观察器(43)和第二观察器(44)，所述第一观察器(43)和所述第二观察器(44)分别设置有拍照窗(400)；
所述第一高速相机(71)和所述第二高速相机(72)均配置电子显微镜头，所述第一高速相机(71)和所述第二高速相机(72)的电子显微镜头分别对准所述第一观察器(43)和所述第二观察器(44)的拍照窗(400)。
3.如权利要求1所述的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，其特征在于，所述三维弯曲实验段(4)包括向上弯曲和向下弯曲两种类型。
4.如权利要求1所述的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，其特征在于，所述油浴套管(60)还套设于三维弯曲实验段(4)以外的所述油水混合主管路的外表面。
5.如权利要求1所述的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，其特征在于，所述水罐(1)的出口端所述油罐(2)的出口端并联后且所述第一实验管(41)的进口端之前的主管道上并联设置有油水混合器(8)。
6.如权利要求1所述的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，其特征在于，所述第一实验管(41)和所述第二实验管(42)间隔设置有多个压力传感器和温度传感器。
7.如权利要求1所述的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，其特征在于，所述第一实验管(41)和所述第二实验管(42)与两端的主管道分别通过第一法兰(47)和第二法兰(48)对接。
8.如权利要求1所述的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，其特征在于，所述三相分离器(5)上设置有出气口、出水口和出油口，所述三相分离器(5)的出油口与所述油罐(2)之间通过回油管连通，所述回油管上设置有螺杆泵(9)。
9.如权利要求1所述的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，其特征在于，所述油浴温控器(6)包括循环泵(61)和加热罐(62)，所述加热罐(62)内设置有加热铜管，
所述循环泵(61)的出口端和所述加热罐(62)的进口端通过管道相连通，所述加热罐(62)的出口端作为所述油浴温控器(6)的出油口，所述循环泵(61)的进油口分别所述油浴温控器(6)回油口，所述加热罐(62)的出口端和所述循环泵(61)的进油口分别与所述油浴套管(60)的两端对接形成油浴循环回路。
10.如权利要求1所述的模拟高温高压下油气水混合物在弯管内流动的装置，其特征在于，所述第一高压泵(10)和所述第二高压泵(20)为高压柱塞泵。
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