CN114166469A - 一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置，该装置包括浆体预制模块，进液口通过管道与浆体预制模块出液口连通的离心泵，进液口通过管道与离心泵出液口连通且整体透明的射流回收模块，通过管道同时与射流回收模块和浆体预制模块连通并用于泄压的溢流阀，通过管道与射流回收模块进液口和出液口连通并用于取样的前端取样口和后端取样口，以及对从射流回收模块中液体进行检测的流场检测显示模块；所述浆体预制模块包括储液罐和搅拌器通过上述方案，本发明在简化条件下更为接近水合物固态流化开采的实际工况，通过更换不同孔径大小的喷嘴和回收口，实现各影响因素对射流和回收流场的检测，具有很高的实用价值和推广价值。
Description
技术领域
本发明属于水合物开采技术领域，具体地讲，是涉及一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置及实验方法。
背景技术
天然气水合物以其分布广、储量大和极高的能量密度，成为最具潜力的未来能源。从我国海域水合物试采情况来看，我国南海的水合物85％以上以非成岩的形式存在，具有埋深浅、弱胶结、无致密盖层和易于碎化的特点。非成岩水合物的开采面临地质、装备和环境三大挑战，常规的水合物开采方法已经不再适用。为此周守为院士创新性地提出了固态流化开采思想，并于2017年5月在我国南海荔湾区成功实施试采作业。
但此次试采过程中出现地层压漏，水合物严重漏失，回收效率低的问题。射流破碎回收工具对提高水合物的回收效率，保障水合物储层的安全具有重要意义，目前主要以数值模拟的方式开展有关研究，在喷嘴射流方面探究了单喷嘴射流压力、尺寸、喷距、形状、尺寸及多喷嘴组合方式、夹角等对冲击破岩的影响规律，在回收方面开展了回收口大小、距离、排布、形状等对腔内颗粒回收效率的影响规律研究，但尚缺乏可行的实验验证和流场可视化方面的研究，因此有必要在实验条件下探究水合物射流回收流场的影响因素及因素的作用机理，为射流回收工具设计提供理论支撑，进一步提高水合物回收效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置及实验方法，主要解决现有技术中存在的在水合物固态流化开采过程中各因素(流量压力、射流回收口尺寸形状排布及腔体尺寸形状等)对井下射流破碎腔内射流流场及射流激励下的回收流场的作用机理不明的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置，包括浆体预制模块，进液口通过管道与浆体预制模块出液口连通的离心泵，进液口通过管道与离心泵出液口连通且整体透明的射流回收模块，通过管道同时与射流回收模块和浆体预制模块连通并用于泄压的溢流阀，通过管道与射流回收模块进液口和出液口连通并用于取样的前端取样口和后端取样口，以及对从射流回收模块中液体进行检测的流场检测显示模块；所述浆体预制模块包括储液罐和搅拌器，其中，离心泵的进液口通过管道与储液罐的出液口连通。
进一步地，所述射流回收模块包括由箱盖、箱体和破碎腔构成的腔体，以及安装在所述腔体上的射流回收管，其中，射流回收管通过管道与离心泵连通，其中，箱盖和箱体通过螺钉进行紧固，并且所述破碎腔呈半圆形。
进一步地，所述射流回收管包括内管，套置在内管外部且与内管外壁形成空腔的外管，一端与内管连通、另一端与通过管道与离心泵连通的内管接头，一端与外管连通、另一端与通过管道与后端取样口连通的外管接头，安装在内管位于出液口一侧的封堵头，贯穿内管和外管设置的喷嘴，贯穿外管并通过内管和外管之间空腔进行液体回收的回收口，以及两个设置在内管接头和外管上并用于将射流回收管固定在破碎腔上的法兰。
进一步地，所述箱盖上还设有把手和排气阀。
进一步地，所述箱体底部还设有排污阀。
进一步地，所述浆体预制模块包括储液罐和安装在储液罐内的搅拌器，其中，离心泵通过管道与储液罐出液口连通。
进一步地，所述流场检测显示模块包括用于捕捉射流回收管中液体状态的CCD相机，用于安装CCD相机且高度可调的液压升降台，与CCD相机信号连接的同步器，与同步器信号连接的显示器，以及通过激光头对CCD相机进行补光的激光发生器。
具体地，所述管道上还分别设置有流量控制阀、压力表和流量计。
一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置的实验方法，具体步骤如下：
(S1)实验准备：正确连接射流回收管并按实验需求安装好喷嘴、回收口、封堵头和流场检测显示模块，并将破碎腔注满水；
(S2)浆液配置：按照水合物试采取样的粒径分布及配比，配制水合物、砂并注入储液罐内混匀，调节流量为实验范围内的特定值；
(S3)调压：开泵启搅拌器混合浆体或清水在溢流阀和储液罐之间循环，检查是否漏液，将压力调节到实验值，稳定后关闭溢流阀通往储液罐的阀门，开启通往射流回收模块的阀门；
(S4)图像拍摄和后处理：待压力和排量稳定后拍摄轴向或径向射流回收流场图像，处理分析得到射流扩散角、流场数据、颗粒运动轨迹；
(S5)取样并统计计算：在射流回收模块前后的取样口取样，记录取样时间和取样液，烘干称量并检测粒径分布；
(S6)改变喷嘴尺寸、数量、布置或改变压力值大小等重复上述步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的射流回收管采用双层管结构，在简化条件下更为接近水合物固态流化开采的实际工况。并且采用可互换的喷嘴、回收口和封堵块结构，可方便根据实验方案设计实现各射流回收口尺寸和相对位置的快速调整。
(2)本发明的射流回收模块各组成部分均采用透明材质进行加工，除可实现破碎回收过程颗粒运动的可视化外，还便于利用PIV等光学检测装置进行流场监测。
(3)本发明利用不同结构喷嘴射流流场，分析喷嘴轴向截面及径向不同截面的速度场分布，整理喷嘴沿着轴心线速度衰减规律，并与仿真分析结果进行对比优选最佳射流喷嘴结果；利用实验系统检测射流回收流场，分析射流激励作用下破碎腔体回收流场的速度分布，弄清回收口大小、排布对流场的影响，特别是多回收孔耦合作用下的流动特性，并整理回收流场与颗粒回收率的关系，结合仿真结果优选最佳回收孔大小、排布。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明射流回收模块的结构示意图。
图3为图2的右视图。
图4为本发明射流回收管的结构示意图。
图5为图4的剖视图。
图6为喷嘴的剖视图。
图7为回收口的剖视图，
图8为封堵头的剖视图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-储液罐；2-搅拌器，3-流量控制阀，4-离心泵；5-射流回收模块，51-箱盖；511-把手，512-排气阀，52-箱体，521-排污阀，53-破碎腔，54-射流回收管，541-内管接头，542-外管，543-内管，544-喷嘴，545-回收口，546-封堵头，547-外管接头，548-法兰，6-液压升降台，7-CCD相机，8-同步器，9-显示器，10-激光发生器，11-激光头，12-压力表，13-流量计，14-前端取样口，15-后端取样口，16-溢流阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图8所示，一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置，包括浆体预制模块，进液口通过管道与浆体预制模块出液口连通的离心泵4，进液口通过管道与离心泵4出液口连通且整体透明的射流回收模块5，通过管道同时与射流回收模块5和浆体预制模块连通并用于泄压的溢流阀16，通过管道与射流回收模块5进液口和出液口连通并用于取样的前端取样口14和后端取样口15，以及对从射流回收模块5中液体进行检测的流场检测显示模块；所述浆体预制模块包括储液罐1和搅拌器，其中，离心泵4的进液口通过管道与储液罐1的出液口连通。
首先按照如图1所示的管道与各个部件进行组装，最终分离后的水合物浆体通过管道进入到储液罐1中进行回收，本发明中的流量控制阀3起到开启、关闭以及泄压的作用，位于射流回收模块5两端的两个流量计13，是为了更好的观察水合物浆体在经过射流回收模块5后是否存在变化，设置的压力表12可以观察管道及射流回收模块5中的压力大小，当压力过大时，可以通过调节流量控制阀来平衡压力，同时当射流回收模块5压力过大时，可以通过开启溢流阀16将进入到射流回收模块5中的水合物浆体回流至储液罐中。水合物浆体从内管接头541进入到内管543中，经与内管543与破碎腔53连通的喷嘴544进入到破碎腔53中，然后在力的作用下经过回收口545进入到外管542和内管543的空腔中，并从与此空腔连通的外管接头547进入到管道中，同时流场检测显示模块实时检测水合物浆体的微小变化。
实施例一
单喷嘴淹没射流实验
正确连接管路(仅启用单个喷嘴(d＝4.0mm)置于半圆腔对称面上，远距离布置回收口)和流场检测与显示模块的链路，并往破碎腔内注满水；
开泵使清水在溢流阀和储液罐之间循环，检查是否漏液，将压力调节到3MPa，稳定后关闭通往储液罐的阀门，开启通往射流回收模块的阀门；
待压力稳定后拍摄单喷嘴射流流场图像，处理分析得到喷嘴扩散角、流速数据和流线数据；
改变压力值为5MPa、7MPa、9MPa重复上述步骤，
压力维持一特定值改变喷嘴的尺寸(d＝2～6.5mm)重复上述步骤；
压力维持一定值，调整与单回收口与射流口之间的间距(100mm～900mm)，拍摄流场图像，分析处理得到回收口的影响范围及回收口布置间距对整体流场分布的影响。
实施案例二
本实施例与实施例一的结构和工作原理基本相同，区别在于沿周向或者径向布置两个喷嘴，通过改变周向两喷嘴的夹角或径向两喷嘴间的间距，获得周向或轴向截面的流场数据。找到夹角和间距对流场的影响规律。具体步骤如下
双层管上同一圈上周向布置2个同尺寸的射流喷嘴，
拍摄布置喷嘴的截面的流场图像，得到两喷嘴耦合作用下流场的速度、能量分布及流线图；
改变两喷嘴间的夹角，重复上述实验步骤；
沿双层管同一轴线上布置两个喷嘴；
拍摄纵向平面的流场图像，获得纵向布置两喷嘴流场图像，分析处理得耦合流场速度、能量数据和流线图；
改变轴向布置间距，重复上述步骤；
本实施例其他结构原理及运动过程与实施例一相同，在此不再赘述。
实施案例三
实施例与实施例一的结构和工作原理基本相同，用水合物替代浆体代替清水进行回收实验，探究浆体物性和回收口间距及尺寸对流场和回收率的影响。
具体的实验步骤如下：
正确连接流动管路和流场检测系统；
按照水合物试采取样的水合物粒径分布配比配制水合物(PP粉)体积浓度10vol％，砂(玻璃砂)体积浓度15vol％向混料罐内加入物料混匀，调节流量为5～18m3/h范围内的特定值；
开泵，使混合浆体在储液罐、泵和溢流阀间循环，检查是否漏液，调节管路阀门，使管路压力维持在一个稳定值关闭通往溢流阀的阀门，开启与实验腔间的阀门；
压力稳定后拍摄平行于轴向截面的流场图像，并挂上漏筛取样，60S后取出漏渣，烘干称量并检测粒径分布；
改变回收口尺寸参数、浆体水合物含量、含沙量或回收口间距重复上述实验步骤。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置，其特征在于，包括浆体预制模块，进液口通过管道与浆体预制模块出液口连通的离心泵(4)，进液口通过管道与离心泵(4)出液口连通且整体透明的射流回收模块(5)，通过管道同时与射流回收模块(5)和浆体预制模块连通并用于泄压的溢流阀(16)，通过管道分别与射流回收模块(5)进液口、出液口连通并用于取样的前端取样口(14)、后端取样口(15)，以及对从射流回收模块(5)中液体进行检测的流场检测显示模块；所述浆体预制模块包括储液罐(1)和搅拌器，其中，离心泵(4)的进液口通过管道与储液罐(1)的出液口连通。
2.根据权利要求1所述的一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置，其特征在于，所述射流回收模块(5)包括由箱盖(51)、箱体(52)和破碎腔(53)构成的腔体，以及安装在所述腔体上的射流回收管(54)，其中，射流回收管(54)通过管道与离心泵(4)连通，其中，箱盖(51)和箱体(52)通过螺钉进行紧固，并且所述破碎腔(53)呈半圆形。
3.根据权利要求2所述的一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置，其特征在于，所述射流回收管(54)包括内管(543)，套置在内管(543)外部且与内管(543)外壁形成空腔的外管(542)，一端与内管(543)连通、另一端通过管道与离心泵(4)连通的内管接头(541)，一端与外管(542)连通、另一端通过管道与后端取样口(15)连通的外管接头(547)，安装在内管(543)位于出液口一侧的封堵头(546)，贯穿内管(543)和外管(542)设置的喷嘴(544)，贯穿外管(542)并通过内管(543)和外管(542)之间空腔进行液体回收的回收口(545)，以及两个设置在内管接头(541)和外管(542)上并用于将射流回收管(54)固定在破碎腔(53)上的法兰(548)。
4.根据权利要求3所述的一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置，其特征在于，所述箱盖(51)上还设有把手(511)和排气阀(512)。
5.根据权利要求4所述的一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置，其特征在于，所述箱体(52)底部还设有排污阀(521)。
6.根据权利要求5所述的一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置，其特征在于，所述浆体预制模块包括储液罐(1)和安装在储液罐(1)内的搅拌器(2)，其中，离心泵(4)通过管道与储液罐(1)出液口连通。
7.根据权利要求6所述的一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置，其特征在于，所述流场检测显示模块包括用于捕捉射流回收管(54)中液体状态的CCD相机(7)，用于安装CCD相机(7)且高度可调的液压升降台(6)，与CCD相机(7)信号连接的同步器(8)，与同步器(8)信号连接的显示器(9)，以及通过激光头对CCD相机(7)进行补光的激光发生器(10)。
8.根据权利要求7所述的一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置，其特征在于，所述管道上还分别设置有流量控制阀(3)、压力表(12)和流量计(13)。
9.根据权利要求8所述的一种固态流化开采射流回收流场检测实验装置的实验方法，其特征在于，具体步骤如下：
(S1)实验准备：正确连接射流回收管并按实验需求安装好喷嘴、回收口、封堵头和流场检测显示模块，并将破碎腔注满水；
(S2)浆液配置：按照水合物试采取样的粒径分布及配比，配制水合物、砂并注入储液罐内混匀，调节流量为实验范围内的特定值；
(S3)调压：开泵启搅拌器混合浆体或清水在溢流阀和储液罐之间循环，检查是否漏液，将压力调节到实验值，稳定后关闭溢流阀通往储液罐的阀门，开启通往射流回收模块的阀门；
(S4)图像拍摄和后处理：待压力和排量稳定后拍摄轴向或径向射流回收流场图像，处理分析得到射流扩散角、流场数据、颗粒运动轨迹；
(S5)取样并统计计算：在射流回收模块前后的取样口取样，记录取样时间和取样液，烘干称量并检测粒径分布；
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2021
- 2021-12-27 CN CN202111610519.8A patent/CN114166469A/zh active Pending
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