CN115788366B - 一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置。它由井口装置、供气支路、供液支路、图像采集装置和风载模拟装置组成，其特征是：井口装置设有螺旋轨道，用于安装井口变径带，通过传动控制机构控制井口变径带的收缩与放松，实现井口变径；供气与供液支路用于提供气液介质且可控制输入速率，在井口底座圆柱形混合腔中汇合形成多介质混合井喷流体；图像采集装置和风载模拟装置用于对井喷实验过程中的图像采集和风载模拟。本发明能实现多介质混合多喷量可变井口直径的井喷模拟；具有可实现风载模拟、井口直径可控改变、喷量调控便捷等优点；可用于多尺寸井口直径、多喷量和多介质工况下井喷状态模拟与产量预测的实验研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置，是一种用于油气井井喷抢险研究的实验装置，属于井控实验装备技术领域。
背景技术
随着人们对石油天然气等能源的需求不断增大，油气藏的勘探与开发力度不断增加，井喷事故也越来越受到人们关注重视。井喷时喷射产量的准确预测是抢险方案制定与抢险机具选择的重要依据，但由于井喷时高压高产油气流的喷射和扩散过程复杂，现场只能依靠经验和多次尝试的方式不断完善抢险方案，抢险效率低，且应对异常风险能力弱。亟需准确的喷射产量预测方法，为现场快速判定喷射产量，并制定抢险方案提供决策支撑。而井喷模拟实验装置是实现井喷形态研究与产量预测关联的关键。目前，井喷模拟实验装置主要有：利用节流的原理，对模拟井口进行设计，采用“空压机+出口节流+双泥浆泵”整体设计方案的简易井喷模拟实验装置和由钻井液支路、岩屑支路、注气支路、井口装置、控制平台、图像采集装置和压力数据采集装置组成的一种油气井井喷实验模拟装置。两者都可实现可持续井喷和气液混合井喷模拟，前者基本模拟了环空井喷的类型且成本较低，但喷量不可调控、井口尺寸不可变化；后者可实现固液、固液气油井井喷实验模拟，能够定量的观察各节点位置的压力变化关系，喷量可调控，井口装置中的喷口设计为多种形状多种开度，可满足各种不同类型防喷器关井后形成的井口形状与关井程度的实验要求，但井口尺寸不可大范围变化且操作不便利、成本高，不能满足实验所需的井口直径的可控改变的要求，并且两者都不能模拟风载对井喷的影响。而我们目前常用的井口尺寸变化范围大，导致模拟实验装置应用受限，开发多系列的模拟实验装置成本高、井口尺寸变化操作不简便，亟需一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置。
发明内容
目前，油气井井喷模拟实验装置尚存在许多不足之处。本发明的目的是：满足目前油气井井喷模拟实验井口直径可控改变、多喷量和多介质混合模拟的需求，提供一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置。
为了达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：本发明由井口装置、供气支路、供液支路、图像采集装置和风载模拟装置组成，其特征在于：井口装置在变径井口处加工有螺旋轨道，用于安装井口变径带，井口变径带设计为类工字形，井口变径带外圈由圆柱形弹性内芯和圆柱形凸台组成；井口变径带内圈由井口变径带圆柱芯和薄壁组成，并加工有矩形轨道用于在控制井口变径时与井口变径带外圈配合；通过井口变径底座上的传动控制机构与井口变径带外圈的配合，来控制井口变径带的运动，实现井口变径；供气支路和供液支路分别用于提供气体与液体且可通过节流阀控制输入速率，用于喷量调控；在井口底座的圆柱形混合腔中汇合形成多介质混合井喷流体；图像采集装置和风载模拟装置安装在井口装置周围，分别用于对井喷实验过程中的图像采集和风载模拟。
所述井口装置由井口底座、井口变径底座、井口变径带、井口变径盖和传动控制机构组成；井口底座有两个侧通用于气液介质的输入，中间有圆柱形混合腔用于气液介质的混合；井口底座与井口变径底座通过双头螺栓和螺母连接，连接面加工有截面为梯形的环形凹槽用于安装密封；井口变径底座与井口变径盖都加工有螺旋轨道用于安装井口变径带，在井口变径带输入井口的直线轨道处加工有凹槽用于安装传动控制机构，在井口变径带与传动控制机构安装完成后，井口变径底座与井口变径盖通过螺栓连接。
所述传动控制机构由传动带、两端的从动支撑轴、中间的主动轴、手控总成、端盖和锁紧盖组成；传动带由橡胶带与轮齿形凸台组成用于与井口变径带配合；从动支撑轴分布在凹槽两端与橡胶带配合用于支撑传动带，主动轴安装在传动带的中间，通过手控总成控制主动轴进行不同方向的旋转控制传动带前进与后退，从而控制井口变径带收紧与放松；端盖由左右对称的两部分组成，便于端盖与从动支撑轴和主动轴之间的安装与配合，端盖通过螺栓与井口变径底座连接；手控总成和主动轴通过手控总成的六边形凸台与主动轴的六边形孔配合连接，便于手控总成的安装与拆卸；锁紧盖下表面上有一层橡胶用于增大锁紧盖与端盖摩擦力，锁紧盖与从动支撑轴通过螺纹连接且两端从动支撑轴的螺纹旋向相反，通过锁紧盖与端盖之间的摩擦力实现对从动支撑轴的锁紧，从而使得传动带因橡胶带与从动支撑轴和主动轴之间的摩擦力锁紧，用于井口变径带到达指定位置后锁紧。
所述供气支路包括储气室、截止阀、空气压缩机、节流阀、流量计和单向阀；所述储气室、截止阀、空气压缩机、节流阀、流量计和单向阀依次串联连接，所述单向阀另一端与井口底座一端侧通连接。
所述供液支路包括储液室、截止阀、动力泵、节流阀、流量计和单向阀；所述储液室、截止阀、动力泵、节流阀、流量计和单向阀依次串联连接，所述单向阀另一端与井口底座另一端侧通连接。
所述图像采集装置包括摄像机和三脚架；所述风载模拟装置包括鼓风机和三角支架。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：(1)可通过控制井口变径带的收缩与放松实现井口直径的可控变化；(2)可通过控制供气支路与供液支路上节流阀的变化，实现多喷量模拟；(3)可通过井口装置底座混合腔实现多介质混合井喷模拟；(4)可根据实验需求设计井口变径带的总长度，从而改变井口直径的可变范围，实现井口直径的大范围变化；(5)可记录实验过程中的实时图像信息并且可以模拟风载对井喷状态的影响；(6)可用于探索油气井井喷喷量预测的实验，为抢险救援提供技术支撑。
本发明适用于多尺寸井口直径、多喷量和多介质工况下井喷状态模拟，为抢险机具研发与抢险工艺制定提供实验平台。
附图说明
图1是本发明一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置原理示意图；
图2是本发明一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置三维轴侧示意图；
图3是本发明一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置的井口装置结构示意图；
图4是图3的A—A剖面示意图；
图5是图4中井口装置传动控制机构的结构示意图；
图6是图3中井口变径带的垂直结构示意图；
图7是井口变径带的水平结构示意图；
图8是手控总成与主动轴连接结构示意图；
图9是井口装置的三维结构示意图。
图中，1井口变径盖，2锁紧盖，3手控总成，4主动轴，5端盖，6井口变径带，7井口变径带内圈，8井口变径带外圈，9矩形轨道，10螺旋轨道，11螺栓，12井口变径底座，13螺母，14双头螺栓，15密封，16环形凹槽，17井口底座，18圆柱形混合腔，19侧通，20螺栓，21斜坡，22直线轨道，23从动支撑轴，24橡胶带，25轮齿形凸台，26凹槽，27传动带，28传动控制机构，29圆柱形弹性内芯，30圆柱形凸台，31井口变径带圆柱芯，32薄壁，33六边形孔，34六边形凸台，35储气室，36截止阀，37空气压缩机，38节流阀，39流量计，40单向阀，41供气支路，42储液室，43截止阀，44动力泵，45节流阀，46流量计，47单向阀，48供液支路，49井口装置，50摄像机，51鼓风机，52三脚架，53三角支架，54图像采集装置，55风载模拟装置。
具体实施方式
由图所示，一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置，由井口装置49、供气支路41、供液支路48、图像采集装置54和风载模拟装置55组成，其特征在于：井口装置49在变径井口处加工有螺旋轨道10，用于安装井口变径带6，井口变径带6设计为类工字形，井口变径带外圈8由圆柱形弹性内芯29和圆柱形凸台30组成；井口变径带内圈7由井口变径带圆柱芯31和薄壁32组成，并加工有矩形轨道9用于在控制井口变径时与井口变径带外圈8配合；通过井口变径底座12上的传动控制机构28与井口变径带外圈8的配合，来控制井口变径带6的运动，实现井口变径；供气支路41和供液支路48分别用于提供气体与液体且可通过节流阀38与节流阀45控制输入速率，用于喷量调控；在井口底座17的圆柱形混合腔18中汇合形成多介质混合井喷流体；图像采集装置54和风载模拟装置55安装在井口装置49周围，分别用于对井喷实验过程中的图像采集和风载模拟。
所述井口装置49由井口底座17、井口变径底座12、井口变径带6、井口变径盖1和传动控制机构28组成；井口底座17有两个侧通19用于气液介质的输入，中间有圆柱形混合腔18用于气液介质的混合；井口底座17与井口变径底座12通过双头螺栓14和螺母13连接，连接面加工有截面为梯形的环形凹槽16用于安装密封15；井口变径底座12与井口变径盖1都加工有螺旋轨道10用于安装井口变径带6，在井口变径带6输入井口的直线轨道22处加工有凹槽26用于安装传动控制机构28，在井口变径带6与传动控制机构28安装完成后，井口变径底座12与井口变径盖1通过螺栓11连接。
所述传动控制机构28由传动带27、两端的从动支撑轴23、中间的主动轴4、手控总成3、端盖5和锁紧盖2组成；传动带27由橡胶带24与轮齿形凸台25组成用于与井口变径带6配合；从动支撑轴23分布在凹槽26两端与橡胶带24配合用于支撑传动带27，主动轴4安装在传动带27的中间，通过手控总成3控制主动轴4进行不同方向的旋转控制传动带27前进与后退，从而控制井口变径带6收紧与放松；端盖5为左右对称的两部分，便于端盖5与从动支撑轴23和主动轴4之间的安装与配合，端盖5通过螺栓20与井口变径盖1连接；手控总成3和主动轴4通过手控总成3的六边形凸台34与主动轴4的六边形孔33配合连接，便于手控总成3的安装与拆卸；锁紧盖2下表面上有一层橡胶用于增大锁紧盖2与端盖5摩擦力，锁紧盖2与从动支撑轴23通过螺纹连接且两端从动支撑轴23的螺纹旋向相反，通过锁紧盖2与端盖5之间的摩擦力实现对从动支撑轴23的锁紧，从而使得传动带27因橡胶带24与从动支撑轴23和主动轴4之间的摩擦力锁紧，用于井口变径带6到达指定位置后锁紧。
所述供气支路41包括储气室35、截止阀36、空气压缩机37、节流阀38、流量计39和单向阀40；所述储气室35、截止阀36、空气压缩机37、节流阀38、流量计39和单向阀40依次串联连接，所述单向阀40另一端与井口底座17一端侧通19连接。
所述供液支路48包括储液室42、截止阀43、动力泵44、节流阀45、流量计46和单向阀47；所述储液室42、截止阀43、动力泵44、节流阀45、流量计46和单向阀47依次串联连接，所述单向阀47另一端与井口底座17另一端侧通19连接。
所述图像采集装置54包括摄像机50和三脚架52；所述风载模拟装置55包括鼓风机51和三角支架53。
一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置的工作原理是：先将井口装置49的井口底座17安装固定在实验场地上，再将井口变径底座12与井口底座17通过螺母13和双头螺栓14安装固定，然后在井口变径底座12的螺旋轨道10和凹槽26中，分别安装井口变径带6和传动控制机构28。在传动控制机构28的安装中先安装主动轴4和从动支撑轴23，然后将轮齿形凸台25与橡胶带24安装配合组成传动带27，再将传动带27与主动轴4和从动支撑轴23安装配合；再将井口变径带6与传动带27的轮齿形凸台25相配合后安装在螺旋轨道10中。在完成上述操作后通过螺栓11将井口变径盖1安装固定在井口变径底座12上，再通过螺栓20将端盖5安装固定在井口变径底座12上，最后将手控总成3与主动轴4完成配合安装。在完成井口装置49的安装后，将供气支路41和供液支路48与井口底座17的侧通19相连，由空气压缩机37和动力泵44为两支路提供动力将气液介质输入圆柱形混合腔18中实现气液介质混合；在实验时通过控制供气支路41和供液支路48上的截止阀36与截止阀43来控制气液介质的输入与停止，单向阀40和单向阀47防止气液介质回流，并通过控制两支路上的节流阀38与节流阀45来调控喷量，实现井喷的多喷量变化，由流量计39和流量计46得到相应的喷量数据；通过手控总成3的旋转控制主动轴4转动，从而带动传动带27运动，通过轮齿形凸台25与井口变径带外圈8的配合来带动井口变径带6的运动，从而控制井口变径带6的收缩与放松，实现井口直径尺寸的改变；在控制井口变径带6实现井口变径时，井口变径带外圈8的圆柱形弹性内芯29在斜坡21处受压收缩减少垂直尺寸，在移动到井口变径带内圈7矩形轨道9中时压力消失圆柱形弹性内芯29回弹垂直尺寸复原完成配合；在井口变径带6到达目标位置时，锁紧盖2通过螺纹与从动支撑轴23配合在锁紧盖2与端盖5之间形成压力，使得从动支撑轴23因锁紧盖2与端盖5之间的摩擦力锁紧，从而使得传动带27因橡胶带24与从动支撑轴23和主动轴4之间的摩擦力锁紧，完成井口变径带6的锁紧；从而实现多介质混合多喷量可变井口直径的井喷模拟实验；在井口装置49的周围安装图像采集装置54和风载模拟装置55，通过摄像机50对井喷实验过程中的图像进行采集，通过调节三脚架52使得图像信息采集更加完整；通过调节三角支架53的高度与仰角，从而控制鼓风机51的吹风方向，实现实验所需的风载模拟。
Claims (5)
1.一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置，由井口装置(49)、供气支路(41)、供液支路(48)、图像采集装置(54)和风载模拟装置(55)组成，其特征在于：井口装置(49)在变径井口处加工有螺旋轨道(10)，用于安装井口变径带(6)，井口变径带(6)设计为类工字形，井口变径带外圈(8)由圆柱形弹性内芯(29)和圆柱形凸台(30)组成；井口变径带内圈(7)由井口变径带圆柱芯(31)和薄壁(32)组成，并加工有矩形轨道(9)用于在控制井口变径时与井口变径带外圈(8)配合；通过井口变径底座(12)上的传动控制机构(28)与井口变径带外圈(8)的配合，来控制井口变径带(6)的运动，实现井口变径；传动控制机构(28)由传动带(27)、两端的从动支撑轴(23)、中间的主动轴(4)、手控总成(3)、端盖(5)和锁紧盖(2)组成；传动带(27)由橡胶带(24)与轮齿形凸台(25)组成用于与井口变径带(6)配合；从动支撑轴(23)分布在凹槽(26)两端与橡胶带(24)配合用于支撑传动带(27)，主动轴(4)安装在传动带(27)的中间，通过手控总成(3)控制主动轴(4)进行不同方向的旋转控制传动带(27)前进与后退，从而控制井口变径带(6)收紧与放松；端盖(5)由左右对称的两部分组成，便于端盖(5)与从动支撑轴(23)和主动轴(4)之间的安装与配合，端盖(5)通过螺栓(20)与井口变径底座(12)连接；手控总成(3)和主动轴(4)通过手控总成(3)的六边形凸台(34)与主动轴(4)的六边形孔(33)配合连接，便于手控总成(3)的安装与拆卸；锁紧盖(2)下表面上有一层橡胶用于增大锁紧盖(2)与端盖(5)摩擦力，锁紧盖(2)与从动支撑轴(23)通过螺纹连接且两端从动支撑轴(23)的螺纹旋向相反，通过锁紧盖(2)与端盖(5)之间的摩擦力实现对从动支撑轴(23)的锁紧，从而使得传动带(27)因橡胶带(24)与从动支撑轴(23)和主动轴(4)之间的摩擦力锁紧，用于井口变径带(6)到达指定位置后锁紧；供气支路(41)和供液支路(48)分别用于提供气体与液体且可通过节流阀(38)与节流阀(45)控制输入速率，用于喷量调控；在井口底座(17)的圆柱形混合腔(18)中汇合形成多介质混合井喷流体；图像采集装置(54)和风载模拟装置(55)安装在井口装置(49)周围，分别用于对井喷实验过程中的图像采集和风载模拟。
2.根据权利要求1所述的一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置，其特征在于：所述井口装置(49)由井口底座(17)、井口变径底座(12)、井口变径带(6)、井口变径盖(1)和传动控制机构(28)组成；井口底座(17)有两个侧通(19)用于气液介质的输入，中间有圆柱形混合腔(18)用于气液介质的混合；井口底座(17)与井口变径底座(12)通过双头螺栓(14)和螺母(13)连接，连接面加工有截面为梯形的环形凹槽(16)用于安装密封(15)；井口变径底座(12)与井口变径盖(1)都加工有螺旋轨道(10)用于安装井口变径带(6)，在井口变径带(6)输入井口的直线轨道(22)处加工有凹槽(26)用于安装传动控制机构(28)，在井口变径带(6)与传动控制机构(28)安装完成后，井口变径底座(12)与井口变径盖(1)通过螺栓(11)连接。
3.根据权利要求1所述的一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置，其特征在于：所述供气支路(41)包括储气室(35)、截止阀(36)、空气压缩机(37)、节流阀(38)、流量计(39)和单向阀(40)；所述储气室(35)、截止阀(36)、空气压缩机(37)、节流阀(38)、流量计(39)和单向阀(40)依次串联连接，所述单向阀(40)另一端与井口底座(17)一端侧通(19)连接。
4.根据权利要求1所述的一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置，其特征在于：所述供液支路(48)包括储液室(42)、截止阀(43)、动力泵(44)、节流阀(45)、流量计(46)和单向阀(47)；所述储液室(42)、截止阀(43)、动力泵(44)、节流阀(45)、流量计(46)和单向阀(47)依次串联连接，所述单向阀(47)另一端与井口底座(17)另一端侧通(19)连接。
5.根据权利要求1所述的一种多介质混合多喷量可变井口直径井喷模拟实验装置，其特征在于：所述图像采集装置(54)包括摄像机(50)和三脚架(52)；所述风载模拟装置(55)包括鼓风机(51)和三角支架(53)。
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