CN218865451U - 一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置，包括用于提供恒定流量的油气水供给系统；用于测量多相流参数的测量系统；用于模拟井筒内多相流体流动的模拟井筒系统；用于多相流体分离的多相流分离系统；以及用于实时记录仪表数据的数据采集系统；所述油气水供给系统的出口与所述模拟井筒系统的入口连接，所述模拟井筒系统的出口与所述多相流分离系统的入口连接，所述多相流分离系统的出口与所述油气水供给系统的入口连接；所述模拟井筒系统包括若干模拟井段，若干模拟井段依次相连并按照堆叠环绕的形式设置。本装置通过设置多个模拟井段，同时具备模拟水平井段和模拟垂直井段的功能，可开展不同井段、多种仪器测量的物理模拟实验，适用范围广。

Description

一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置

技术领域

本发明属于石油与天然气工程技术领域，具体涉及一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置。

背景技术

多相流系统广泛存在于石油、化工等工业领域中。相比单相流，多相流体中的各相分布情况是不均匀的，在流动过程中也会相互影响，因此它的流动特性更复杂。在石油领域中，开采及运输等过程均涉及多相流。特别是随着国内大多数陆上油田进入开采中后期，油田通常采用注水的方式开采，大量存在油水两相流和油气水多相流。多相流系统在油田生产过程中非常重要，只有准确掌握其流动特性，才能保证油田安全、经济地发展。

随着科学技术的发展，多相流系统已经成为国内外的研究热点。多相流物理模拟实验是研究多相流系统的主要手段。流型流态是多相流的重要组成部分，作为描述多相流动特性的参数，它反映了多相流中相界面结构与分布的宏观特征，并且是影响相含率、流量等多相流参数测量准确性的主要因素。通过开展物理模拟实验，能够对多相流的流型流态进行观测辨识，进而采集流量、压力及相含率等参数进行理论研究。

目前，尽管许多高校已经建立了自己的油井多相流实验装置，但受实验室环境等因素限制，实验装置应用范围具有局限性，不适用多种情况的多相流研究，难以贴近实际工程情况。因此，发明一种多功能，适用范围广，能够充分模拟井下实际情况的油井多相流物理模拟实验装置是很有必要的。

发明内容

本实用新型的目的就是提供一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置，它可以用于开展不同条件下的油水两相流、油气水三相流实验，研究其在井筒内的流动状态和流动特性，还可应用于多相流参数检测技术的研究。

本实用新型的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有用于提供恒定流量的油气水供给系统；用于测量多相流参数的测量系统；用于模拟井筒内多相流体流动的模拟井筒系统；用于多相流体分离的多相流分离系统；以及用于实时记录仪表数据的数据采集系统；

所述油气水供给系统的出口与所述模拟井筒系统的入口连接，所述模拟井筒系统的出口与所述多相流分离系统的入口连接，所述多相流分离系统的出口与所述油气水供给系统的入口连接；

所述模拟井筒系统包括若干模拟井段，若干模拟井段依次相连并按照堆叠环绕的形式设置。

进一步，所述油气水供给系统包括供油子系统、供水子系统和供气子系统；

所述供油子系统包括高位油罐、油相变频泵、油相流量控制阀门，所述高位油罐的出口通过连接管道与油相变频泵入口相连且在连接管道上设置有油相流量控制阀门，所述供油子系统的出口通过连接管道与所述模拟井筒系统相连；

所述供水子系统包括高位水罐、热水罐、加热器、热水控制阀门、水相变频泵、水相流量控制阀门，所述高位水罐出口和热水罐出口分别通过连接管道与水相变频泵入口相连且在连接管道上设置有水相流量控制阀门，所述热水罐内部设置加热器，所述热水罐的出口设置热水控制阀门，所述供水子系统的出口通过连接管道与所述模拟井筒系统相连；

所述供气子系统包括空气压缩机、气体缓冲罐、气相流量控制阀门，所述空气压缩机的气体出口端与气体缓冲罐的气体入口端连通，气体缓冲罐的气体出口端通过连接管道与所述模拟井筒系统相连且在连接管道上设置有气相流量控制阀门。

进一步，所述测量系统包括质量流量计、涡轮流量计、差压传感器、同轴线相位法含水率计；

所述质量流量计设置于所述供油子系统出口的连接管道上和所述供水子系统出口的连接管道上；所述涡轮流量计设置于所述供气子系统出口的连接管道上；所述差压传感器设置于所述模拟井筒系统的不同模拟井段之间；所述同轴线相位法含水率计设置于所述模拟井筒系统的模拟井段内部。

进一步，所述模拟井筒系统还包括油气水混合区、若干注入短节；

所述油气水混合区的入口与所述油气水供给系统出口相连，所述油气水混合区的出口设有若干注入管道，所述注入管道分别与若干注入短节连通，所述若干注入短节分别设置在若干模拟井段上。

进一步，所述若干模拟井段包括模拟水平井段A、模拟水平井段B、模拟水平井段C、模拟水平井段D、模拟水平井段E、模拟水平井段F、模拟水平井段G、模拟直井段；

所述若干模拟井段均采用透明有机玻璃管，所述模拟水平井段A、模拟水平井段B、模拟水平井段C、模拟水平井段D、模拟水平井段E、模拟水平井段F、模拟水平井段G、模拟直井段之间通过法兰和传输管段依次连接，所述模拟直井段的出口与所述多相流分离系统入口连接；

所述模拟水平井段B、模拟水平井段C、模拟水平井段D、模拟水平井段E安装在可调节水平井段角度的双层支架上，所述模拟水平井段B、模拟水平井段C安装在所述双层支架的下层，所述模拟水平井段D、模拟水平井段E安装在所述双层支架的上层，且所述模拟水平井段B与模拟水平井段C以及所述模拟水平井段D与模拟水平井段E之间采用柔性管连接。

进一步，所述多相流分离系统包括油气水分离罐、储油罐、储水罐、离心泵；

所述油气水分离罐入口与所述模拟井筒系统出口相连，在油气水分离罐中上部设置油相出口，在油气水分离罐底部设置水相出口；

所述油相出口通过连接管道与储油罐相连，所述储油罐出口通过连接管道与高位油罐连接，所述水相出口通过连接管道与储水罐相连，所述储水罐出口通过连接管道与高位水罐连接；

所述储油罐与高位油罐连接的管道上以及所述储水罐与高位水罐连接的管道上均设置有离心泵。

进一步，所述数据采集系统包括计算机、数据采集卡、电缆；

所述数据采集系统由电缆传输仪表信号，所述数据采集卡采集各仪表数据后上传至计算机。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下的优点：

1、本申请通过设置模拟水平井段和模拟垂直井段，尺寸参考实际井筒，并且模拟水平井段角度可以调节，可充分模拟实际情况，开展不同井段的物理模拟实验，实验可靠性高，应用范围广。

2、本申请为了避免模拟井筒较长导致实验效率低的问题，采用超实时仿真的概念，设计了堆叠环绕式的结构，由透明有机玻璃管作为观测管段，通过传输管段在室内进行环绕。

3、本申请具有多个注入点，能满足多点注入的实验条件，同时本申请能在原有基础上安装不同类型的数据采集仪器，可以实现测量多种参数的实验，能适应不同组合条件的物理模拟实验，应用十分广泛。

4、本申请可根据实验需要调节不同流量、含水率，操作过程简单。模拟井段可拆卸，便于清洗，同时可更换不同尺寸的管段。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本实用新型的附图说明如下。

图1为本实用新型的结构示意图。

图中：1-高位油罐；2-油相变频泵；3-油相流量控制阀门；4-高位水罐；5-热水罐；6-加热器；7-热水控制阀门；8-水相变频泵；9-水相流量控制阀门；10-空气压缩机；11-气体缓冲罐；12-气相流量控制阀门；13-质量流量计；14-涡轮流量计；15-差压传感器；16-同轴线相位法含水率计；17-油气水混合区；18-注入短节；19-模拟水平井段A；20-模拟水平井段B；21-模拟水平井段C；22-模拟水平井段D；23-模拟水平井段E；24-模拟水平井段F；25-模拟水平井段G；26-模拟直井段；27-传输管段；28-柔性管；29-油气水分离罐；30-储油罐；31-储水罐；32-离心泵；33-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置，包括：用于提供恒定流量的油气水供给系统；用于测量多相流参数的测量系统；用于模拟井筒内多相流体流动的模拟井筒系统；用于多相流体分离的多相流分离系统；以及用于实时记录仪表数据的数据采集系统；

所述油气水供给系统的出口与所述模拟井筒系统的入口连接，所述模拟井筒系统的出口与所述多相流分离系统的入口连接，所述多相流分离系统的出口与所述油气水供给系统的入口连接；

所述模拟井筒系统包括若干模拟井段，若干模拟井段依次相连并按照堆叠环绕的形式设置。

作为本实用新型的一种实施例，所述油气水供给系统包括供油子系统、供水子系统和供气子系统；

所述供油子系统包括高位油罐1、油相变频泵2、油相流量控制阀门3，所述高位油罐1的出口通过连接管道与油相变频泵2入口相连且在连接管道上设置有油相流量控制阀门3，所述供油子系统的出口通过连接管道与所述模拟井筒系统相连；

所述供水子系统包括高位水罐4、热水罐5、加热器6、热水控制阀门7、水相变频泵8、水相流量控制阀门9，所述高位水罐4出口和热水罐5出口分别通过连接管道与水相变频泵8入口相连且在连接管道上设置有水相流量控制阀门9，所述热水罐5内部设置加热器6，所述热水罐5的出口设置热水控制阀门7，所述供水子系统的出口通过连接管道与所述模拟井筒系统相连；

所述供气子系统包括空气压缩机10、气体缓冲罐11、气相流量控制阀门12，所述空气压缩机10的气体出口端与气体缓冲罐11的气体入口端连通，气体缓冲罐11的气体出口端通过连接管道与所述模拟井筒系统相连且在连接管道上设置有气相流量控制阀门12。

在本实用新型实施例中，所述高位油罐1用于模拟油田底部油的存储，通过油相流量控制阀门3控制油的流量，通过油相变频泵2提高油的出口压力，油通过质量流量计13后进入油气混合区17；所述高位水罐4、热水罐5用于模拟水的存储，通过设置热水罐5保证管道内水温恒定，通过水相流量控制阀门9控制水的流量，通过水相变频泵8提高水的出口压力，水经过质量流量计13后进入油气混合区17进行混合；所述空气压缩机10用于提供压缩气体，所述气体缓冲罐11用于保证气体压力的稳定，所述气相流量控制阀门12用于控制气体的流量，气体通过涡轮流量计14后进入油气混合区17进行混合。

作为本实用新型的一种实施例，所述测量系统包括质量流量计13、涡轮流量计14、差压传感器15、同轴线相位法含水率计16；

所述质量流量计13设置于所述供油子系统出口的连接管道上和所述供水子系统出口的连接管道上；所述涡轮流量计14设置于所述供气子系统出口的连接管道上；所述差压传感器15设置于所述模拟井筒系统的不同模拟井段之间；所述同轴线相位法含水率计16设置于所述模拟井筒系统的模拟井段内部。

在本实用新型实施例中，通过质量流量计13、涡轮流量计14分别测量油、水、气的流量，通过差压传感器15测量模拟井段两点之间的压差，通过同轴线相位法含水率计16测量流经模拟井段多相流的含水率。

作为本实用新型的一种实施例，所述模拟井筒系统还包括油气水混合区17、若干注入短节18；

所述油气水混合区17的入口与所述油气水供给系统出口相连，所述油气水混合区17的出口设有若干注入管道，所述注入管道分别与若干注入短节18连通，所述若干注入短节18分别设置在若干模拟井段上。

在本实用新型实施例中，所述油气水混合区17用于将进行油、气、水的混合，混合后的多相流通过若干注入短节18分别注入到若干模拟井段中进行实验。

作为本实用新型的一种实施例，所述若干模拟井段包括模拟水平井段A19、模拟水平井段B20、模拟水平井段C21、模拟水平井段D22、模拟水平井段E23、模拟水平井段F24、模拟水平井段G25、模拟直井段26；

所述若干模拟井段均采用透明有机玻璃管，所述模拟水平井段A19、模拟水平井段B20、模拟水平井段C21、模拟水平井段D22、模拟水平井段E23、模拟水平井段F24、模拟水平井段G25、模拟直井段26之间通过法兰和传输管段27依次连接，所述模拟直井段26的出口与所述多相流分离系统入口连接；

所述模拟水平井段B20、模拟水平井段C21、模拟水平井段D22、模拟水平井段E23安装在可调节水平井段角度的双层支架上，所述模拟水平井段B20、模拟水平井段C21安装在所述双层支架的下层，所述模拟水平井段D22、模拟水平井段E23安装在所述双层支架的上层，且所述模拟水平井段B20与模拟水平井段C21以及所述模拟水平井段D22与模拟水平井段E23之间采用柔性管28连接。

在本实用新型实施例中，模拟井段总长度设置为150m，可承受2MPa的压力。若干模拟井段均采用内径120mm的透明有机玻璃管，既可充分模拟实际情况，还便于实验观察与图像采集；模拟水平井段A19作为模拟水平段趾部，模拟水平井段B20、模拟水平井段C21作为模拟水平段中部，模拟水平井段D22、模拟水平井段E23、模拟水平井段F24、模拟水平井段G25作为模拟水平段跟部；所述柔性管28的内径为120mm，便于调节模拟水平井段B20、模拟水平井段C21、模拟水平井段D22、模拟水平井段E23的角度；传输管段27使用63mmPE软管，可在室内堆叠环绕，既增加了模拟井段长度，还提高了实验效率。

作为本实用新型的一种实施例，所述多相流分离系统包括油气水分离罐29、储油罐30、储水罐31、离心泵32；

所述油气水分离罐29入口与所述模拟井筒系统出口相连，在油气水分离罐29中上部设置油相出口，在油气水分离罐29底部设置水相出口；

所述油相出口通过连接管道与储油罐30相连，所述储油罐30出口通过连接管道与高位油罐1连接，所述水相出口通过连接管道与储水罐31相连，所述储水罐31出口通过连接管道与高位水罐4连接；

所述储油罐30与高位油罐1连接的管道上以及所述储水罐31与高位水罐4连接的管道上均设置有离心泵32。

在本实用新型实施例中，所述油气水分离罐29根据油气水三相密度不同对油、气、水多相流进行分离，分离后的气体从油气水分离罐29上端的罐口排出，不进行回收；油水两相流因密度差异形成了油水分层状态，油相通过油气水分离罐29中上部的油相出口流入到储油罐30中，水相通过油气水分离罐29底部的水相出口流出储水罐31中，再通过离心泵32将储油罐30中的水抽送到高位油罐1中，将储水罐31中的水抽送到高位水罐4中。

作为本实用新型的一种实施例，所述数据采集系统包括计算机33、数据采集卡、电缆；

所述数据采集系统由电缆传输仪表信号，所述数据采集卡采集各仪表数据后上传至计算机33。

在本实用新型实施例中，通过数据采集卡采集质量流量计13、涡轮流量计14、差压传感器15、同轴线相位法含水率计16的实时数据，并通过电缆传输到计算机33。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置，其特征在于，包括：用于提供恒定流量的油气水供给系统；用于测量多相流参数的测量系统；用于模拟井筒内多相流体流动的模拟井筒系统；用于多相流体分离的多相流分离系统；以及用于实时记录仪表数据的数据采集系统；

所述油气水供给系统的出口与所述模拟井筒系统的入口连接，所述模拟井筒系统的出口与所述多相流分离系统的入口连接，所述多相流分离系统的出口与所述油气水供给系统的入口连接；

所述模拟井筒系统包括若干模拟井段，若干模拟井段依次相连并按照堆叠环绕的形式设置。

2.如权利要求1所述的一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置，其特征在于，所述油气水供给系统包括供油子系统、供水子系统和供气子系统；

所述供油子系统包括高位油罐（1）、油相变频泵（2）、油相流量控制阀门（3），所述高位油罐（1）的出口通过连接管道与油相变频泵（2）入口相连且在连接管道上设置有油相流量控制阀门（3），所述供油子系统的出口通过连接管道与所述模拟井筒系统相连；

所述供水子系统包括高位水罐（4）、热水罐（5）、加热器（6）、热水控制阀门（7）、水相变频泵（8）、水相流量控制阀门（9），所述高位水罐（4）出口和热水罐（5）出口分别通过连接管道与水相变频泵（8）入口相连且在连接管道上设置有水相流量控制阀门（9），所述热水罐（5）内部设置加热器（6），所述热水罐（5）的出口设置热水控制阀门（7），所述供水子系统的出口通过连接管道与所述模拟井筒系统相连；

所述供气子系统包括空气压缩机（10）、气体缓冲罐（11）、气相流量控制阀门（12），所述空气压缩机（10）的气体出口端与气体缓冲罐（11）的气体入口端连通，气体缓冲罐（11）的气体出口端通过连接管道与所述模拟井筒系统相连且在连接管道上设置有气相流量控制阀门（12）。

3.如权利要求2所述的一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置，其特征在于，所述测量系统包括质量流量计（13）、涡轮流量计（14）、差压传感器（15）、同轴线相位法含水率计（16）；

所述质量流量计（13）设置于所述供油子系统出口的连接管道上和所述供水子系统出口的连接管道上；所述涡轮流量计（14）设置于所述供气子系统出口的连接管道上；所述差压传感器（15）设置于所述模拟井筒系统的不同模拟井段之间；所述同轴线相位法含水率计（16）设置于所述模拟井筒系统的模拟井段内部。

4.如权利要求1所述的一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置，其特征在于，所述模拟井筒系统还包括油气水混合区（17）、若干注入短节（18）；

所述油气水混合区（17）的入口与所述油气水供给系统出口相连，所述油气水混合区（17）的出口设有若干注入管道，所述注入管道分别与若干注入短节（18）连通，所述若干注入短节（18）分别设置在若干模拟井段上。

5.如权利要求1所述的一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置，其特征在于，所述若干模拟井段包括模拟水平井段A（19）、模拟水平井段B（20）、模拟水平井段C（21）、模拟水平井段D（22）、模拟水平井段E（23）、模拟水平井段F（24）、模拟水平井段G（25）、模拟直井段（26）；

所述若干模拟井段均采用透明有机玻璃管，所述模拟水平井段A（19）、模拟水平井段B（20）、模拟水平井段C（21）、模拟水平井段D（22）、模拟水平井段E（23）、模拟水平井段F（24）、模拟水平井段G（25）、模拟直井段（26）之间通过法兰和传输管段（27）依次连接，所述模拟直井段（26）的出口与所述多相流分离系统入口连接；

所述模拟水平井段B（20）、模拟水平井段C（21）、模拟水平井段D（22）、模拟水平井段E（23）安装在可调节水平井段角度的双层支架上，所述模拟水平井段B（20）、模拟水平井段C（21）安装在所述双层支架的下层，所述模拟水平井段D（22）、模拟水平井段E（23）安装在所述双层支架的上层，且所述模拟水平井段B（20）与模拟水平井段C（21）以及所述模拟水平井段D（22）与模拟水平井段E（23）之间采用柔性管（28）连接。

6.如权利要求2所述的一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置，其特征在于，所述多相流分离系统包括油气水分离罐（29）、储油罐（30）、储水罐（31）、离心泵（32）；

所述油气水分离罐（29）入口与所述模拟井筒系统出口相连，在油气水分离罐（29）中上部设置油相出口，在油气水分离罐（29）底部设置水相出口；

所述油相出口通过连接管道与储油罐（30）相连，所述储油罐（30）出口通过连接管道与高位油罐（1）连接，所述水相出口通过连接管道与储水罐（31）相连，所述储水罐（31）出口通过连接管道与高位水罐（4）连接；

所述储油罐（30）与高位油罐（1）连接的管道上以及所述储水罐（31）与高位水罐（4）连接的管道上均设置有离心泵（32）。

7.如权利要求1所述的一种堆叠环绕式的油井多相流物理模拟实验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括计算机（33）、数据采集卡、电缆；

所述数据采集系统由电缆传输仪表信号，所述数据采集卡采集各仪表数据后上传至计算机（33）。

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