一种模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置及方法 |
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| 申请号 | CN201510867780.4 | 申请日 | 2015-12-02 | 公开(公告)号 | CN105464606A | 公开(公告)日 | 2016-04-06 |
| 申请人 | 西南石油大学; | 发明人 | 朱红钧; 唐丽爽; 巴彬; 尤嘉慧; 王健; 姚杰; 廖梓行; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种模拟钻采双工况井筒携砂 多相流 动实验装置及方法，实验装置由供气系统、供液系统、注砂系统、测试管段、分离回收系统及监测系统组成，测试管段由透明的内筒、外筒组成，内筒可拆卸，置于外筒中构成同心环空。利用该实验装置可满足钻、采两种工况下六种不同实验的测试需求，包括气体钻井携砂气流、泥浆钻井携砂 流体 、 泡沫 钻井携砂多相流、出砂气井携砂气流、出砂油井携砂油流、出砂气井 地层 出 水 时的携砂多相流在水平及垂直井筒中的流动测试与沉砂规律测试，功能全面，经济实用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置，其特征在于：由供气系统、供液系统、注砂系统、测试管段、分离回收系统及监测系统组成；供气系统由气泵(1)、稳压气罐(2)及气流调节阀(4)组成，气泵(1)通过管路与稳压气罐(2)连接，稳压气罐(2)顶部安装有气罐压力表(3)，稳压气罐(2)顶部通过管路连至Y型三通(12)，管路上安装有气流调节阀(4)，气流调节阀(4)后设有输气管压力表(5)及输气管流量计(6)；注液系统由储液池(7)、潜水泵(8)、液流调节阀(9)组成，潜水泵(8)安置于储液池(7)底部，潜水泵(8)出口由管路连至Y型三通(12)，管路上安装有液流调节阀(9)，液流调节阀(9)后设有输液管压力表(10)及输液管流量计(11)；注砂系统由加砂漏斗(15)、混砂腔(13)、加砂阀(14)组成，混砂腔(13)为一直径大于上下游管路的圆管，加砂漏斗(15)安装于混砂腔(13)顶部，两者之间设加砂阀(14)，混砂腔(13)一端通过管路与Y型三通(12)相连，另一端连接管路调节阀(16)；测试管段由透明的内筒(19)、外筒(18)组成，内筒(19)与外筒(18)均由长水平段、垂直段、短水平段及两个90°弯头段组成，在管路调节阀(16)下游通过螺纹依次连接外筒(18)的长水平段、垂直向上放置的90°弯头段、垂直段、垂直向下放置的90°弯头段及短水平段，整体成倒“乙”字型；内筒(19)连接顺序与外筒(18)一致，内筒(19)两端端头封堵，内筒(19)两端及弯头接头端均布有支撑架(17)，使内筒(19)放置于外筒(18)中，构成同心环空；分离回收系统由分离器(23)与砂箱(28)组成，分离器(23)入口与外筒(18)短水平段相连，分离器(23)入口处设垂置分离挡板(24)；分离器(23)顶部设排气口，安有排气阀(26)；分离器(23)中下部设斜置滤网(25)，在滤网(25)坡底端头处设管路连至砂箱(28)，管路上安装排砂阀(27)；分离器(23)底部设排液口，安有排液阀(29)，排液口经管路回接储液池(7)；监测系统由三个压力传感器和两台高速摄像机组成，三个压力传感器分别安装于外筒(18)长水平段末端、外筒(18)垂直段中部和外筒(18)短水平段入口端，对应为垂直井筒入口压力传感器(20)、垂直井筒中部压力传感器(21)、垂直井筒出口压力传感器(22)；两台高速摄像机分别架设于外筒(18)长水平段和垂直段正前方，对应为水平段高速摄像机(31)和垂直段高速摄像机(30)。 |
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| 说明书全文 | 一种模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置及方法技术领域[0001] 本发明属于油气井钻采过程实验技术领域，具体涉及一种模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置及方法。 背景技术[0002] 石油与天然气一直是掌控国民经济命脉的战略性资源，而全球约70％的油气藏储存于弱胶结岩层中，在开采过程中地层极易出砂，从而导致井筒出现气、固或液、固等多相流动，并伴随沉砂砂堵、冲蚀磨损、能量损耗等问题。但在完井时过渡防砂会导致入井困难、产量下降。因此，实际开采时，十分关注防砂率，究竟多少的砂量在井筒中随油、气流动既不会发生沉砂、冲蚀等现象，又能达到较高的产量。 [0003] 另一方面，自上世纪90年代提出气体钻井以来，气体钻井技术已在全球各油田公司尝试推广运用，但仍局限于某段适应性较好的层位，且钻具面临严重的冲蚀断裂风险。尤其是钻水平井，极易出现砂堵、反复切削等现象。因此，搞清楚气体携岩在环空井筒中的流动规律将有利于突破气体钻井技术的瓶颈。 [0004] 目前关于气携砂、液携砂的研究主要集中于实验及数值模拟研究。而数值模拟研究需要知道明确的边界条件、颗粒参数，且计算精度无法保证，往往需要参照性实验进行算法的验证。实验研究主要集中于垂直井筒及倾斜井筒内气、液两相或液、固两相的举升测试，很少有关于水平井同沉砂规律、携砂气流运动特性的实验报道，更缺乏气液两相复杂携砂问题的实验研究。且现有实验装置往往局限于单一的井筒环空或单一的油管内多相流动实验，不能同时实现钻采双工况的实验需求。 发明内容[0005] 为解决背景技术所提出的问题，本发明旨在提供一种结构简单、操作方便、可实现多种介质流动的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置及方法。 [0006] 一种模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置由供气系统、供液系统、注砂系统、测试管段、分离回收系统及监测系统组成。供气系统由气泵、稳压气罐及气流调节阀组成，气泵通过管路与稳压气罐连接，稳压气罐顶部安装有气罐压力表，以检测罐内压强。稳压气罐顶部通过管路连至Y型三通，管路上安装有气流调节阀，气流调节阀后设有输气管压力表及输气管流量计，用于监测进入实验测试管段的气流压强和流量。 [0007] 注液系统由储液池、潜水泵、液流调节阀组成。潜水泵安置于储液池底部，潜水泵出口由管路连至Y型三通，管路上安装有液流调节阀，液流调节阀后设有输液管压力表及输液管流量计，用于监测进入实验测试管段的液流压强和流量。 [0008] 注砂系统由加砂漏斗、混砂腔、加砂阀组成。混砂腔为一直径大于上下游管路的圆管，加砂漏斗安装于混砂腔顶部，两者之间设加砂阀，混砂腔一端通过管路与Y型三通相连，另一端连接管路调节阀。 [0009] 测试管段由透明的内筒、外筒组成，内筒与外筒均由长水平段、垂直段、短水平段及两个90°弯头段组成，在管路调节阀下游通过螺纹依次连接外筒的长水平段、垂直向上放置的90°弯头段、垂直段、垂直向下放置的90°弯头段及短水平段，整体成倒“乙”字型。内筒连接顺序与外筒一致，内筒两端端头封堵，内筒两端及弯头接头端均布有支撑架，使内筒放置于外筒中，构成同心环空。 [0010] 分离回收系统由分离器与砂箱组成。分离器入口与外筒短水平段相连，分离器入口处设垂置分离挡板，以加速分离；分离器顶部设排气口，安有排气阀；分离器中下部设斜置滤网，以过滤砂粒；在滤网坡底端头处设管路连至砂箱，管路上安装排砂阀；分离器底部设排液口，安有排液阀，排液口经管路回接储液池。 [0011] 监测系统由三个压力传感器和两台高速摄像机组成，三个压力传感器分别安装于外筒长水平段末端、外筒垂直段中部和外筒短水平段入口端，对应为垂直井筒入口压力传感器、垂直井筒中部压力传感器、垂直井筒出口压力传感器。两台高速摄像机分别架设于外筒长水平段和垂直段正前方，对应为水平段高速摄像机和垂直段高速摄像机，分别用于捕捉长水平段井筒和垂直井筒内的携砂多相流动。 [0012] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟气体钻井井筒环空携砂气流流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0013] 步骤一：布置装置及加砂 [0014] 将内筒同心布置于外筒中，组装好整个实验装置，并打开排气阀、排砂阀。然后，关闭管路调节阀，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀，将砂粒经加砂漏斗加至混砂腔，加砂完成后关闭加砂阀。 [0015] 步骤二：准备气源及混砂 [0016] 关闭液流调节阀和气流调节阀，打开气泵，往稳压气罐注气加压，观察气罐压力表，待罐内压强达到预设压强值后关闭气泵。然后，打开气流调节阀，使气流进入混砂腔搅拌砂粒一段时间。 [0017] 步骤三：进行实验测试 [0018] 打开管路调节阀，使携砂气流进入测试管段；同时，记录输气管压力表和输气管流量计读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂气流依次通过内筒与外筒构成的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂气流在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒环空中气、固两相流的流动特征。携砂气流至分离器后可完成气、固分离，气体从排气口排出，砂粒经滤网滑落至砂箱回收。实验于测试管路入口气流不再携带砂粒时结束，关闭气流调节阀。 [0019] 步骤四：实验结果分析 [0020] 记录携砂气流开始进入测试管路至测试管路入口气流不再携带砂粒的时间间隔，通过气体流量和加砂重量，可计算携砂气流中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0021] 所述的一种模拟气体钻井井筒环空携砂气流流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小气流调节阀，降低管内气流速度，同时打开管路调节阀，使携砂气流进入测试管段。记录此时输气管压力表和输气管流量计读数，并启动水平段高速摄像机。由于气流速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机捕捉砂粒自进入水平段井筒环空到沉降至外筒内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现气体钻井井筒环空携砂气流的沉砂测试。测试完成后，调大气流调节阀，提高管内气流速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器分离，分离完成后关闭气流调节阀。 [0022] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟泥浆钻井井筒环空携砂流体流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0023] 步骤一：布置装置及加砂 [0024] 将内筒同心布置于外筒中，组装好整个实验装置，并打开排液阀、排砂阀。然后，关闭管路调节阀，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀，将砂粒经加砂漏斗加至混砂腔，加砂完成后关闭加砂阀。 [0025] 步骤二：准备液源及混砂 [0026] 为在透明测试管段捕捉砂粒的运移过程，配置无色透明的模拟泥浆，使模拟泥浆的流变性与真实泥浆一致。将模拟泥浆装满储液池，关闭气流调节阀，打开液流调节阀和潜水泵，使模拟泥浆进入混砂腔搅拌砂粒一段时间。 [0027] 步骤三：进行实验测试 [0028] 打开管路调节阀，使携砂流体进入测试管段；同时，记录输液管压力表和输液管流量计读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂流体依次通过内筒与外筒构成的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂流体在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒环空中液、固两相流的流动特征。携砂流体至分离器后可完成液、固分离，砂粒经滤网拦截并滚落至砂箱回收，液相透过滤网经回接管路至储液池循环利用。实验于测试管路入口液流不再携带砂粒时结束，关闭潜水泵。 [0029] 步骤四：实验结果分析 [0030] 记录携砂流体开始进入测试管路至测试管路入口液流不再携带砂粒的时间间隔，通过液体流量和加砂重量，可计算携砂流体中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0031] 所述的一种模拟泥浆钻井井筒环空携砂流体流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小液流调节阀，降低管内液流速度，同时打开管路调节阀，使携砂流体进入测试管段。记录此时输液管压力表和输液管流量计读数，并启动水平段高速摄像机。由于液流速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机捕捉砂粒自进入水平段井筒环空到沉降至外筒内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现泥浆钻井井筒环空携砂流体的沉砂测试。测试完成后，调大液流调节阀，提高管内液流速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器分离，分离完成后关闭潜水泵。 [0032] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟泡沫钻井井筒环空携砂多相流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0033] 步骤一：布置装置及加砂 [0034] 将内筒同心布置于外筒中，组装好整个实验装置，并打开排气阀、排液阀、排砂阀。然后，关闭管路调节阀，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀，将砂粒经加砂漏斗加至混砂腔，加砂完成后关闭加砂阀。 [0035] 步骤二：准备泡沫源及混砂 [0036] 将储液池装满水，并添加起泡剂，打开液流调节阀。关闭气流调节阀，打开气泵，往稳压气罐注气加压，观察气罐压力表，待罐内压强达到预设压强值后关闭气泵。然后，打开气流调节阀，同时启动潜水泵，使气流、液流在Y型三通交汇，并进入混砂腔搅拌砂粒一段时间，在混砂腔中气、液、固三相充分掺混，形成泡沫携砂流体源。 [0037] 步骤三：进行实验测试 [0038] 打开管路调节阀，使携砂多相流进入测试管段；同时，记录输气管压力表、输气管流量计、输液管压力表和输液管流量计读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂多相流依次通过内筒与外筒构成的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂多相流在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒环空中气、液、固多相流的流动特征。携砂多相流至分离器后可完成气、液、固分离，气体从排气口排出，砂粒经滤网拦截并滚落至砂箱回收，液相透过滤网经回接管路至储液池循环利用。实验于测试管路入口泡沫流不再携带砂粒时结束，关闭潜水泵和气流调节阀。 [0039] 步骤四：实验结果分析 [0040] 记录携砂多相流开始进入测试管路至测试管路入口泡沫流不再携带砂粒的时间间隔，通过气体流量、液体流量和加砂重量，可计算携砂多相流中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0041] 所述的一种模拟泡沫钻井井筒环空携砂多相流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小气流调节阀和液流调节阀，降低管内气、液流速度，同时打开管路调节阀，使携砂多相流进入测试管段。记录此时输气管压力表、输气管流量计、输液管压力表和输液管流量计读数，并启动水平段高速摄像机。由于流体速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机捕捉砂粒自进入水平段井筒环空到沉降至外筒内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现泡沫钻井井筒环空携砂多相流的沉砂测试。测试完成后，调大气流调节阀和液流调节阀，提高管内流体速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器分离，分离完成后关闭潜水泵和气流调节阀。 [0042] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟出砂气井井筒携砂气流流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0043] 步骤一：布置装置及加砂 [0044] 将内筒取出，使测试管段只保留外筒，组装好整个实验装置，并打开排气阀、排砂阀。然后，关闭管路调节阀，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀，将砂粒经加砂漏斗加至混砂腔，加砂完成后关闭加砂阀。 [0045] 步骤二：准备气源及混砂 [0046] 关闭液流调节阀和气流调节阀，打开气泵，往稳压气罐注气加压，观察气罐压力表，待罐内压强达到预设压强值后关闭气泵。然后，打开气流调节阀，使气流进入混砂腔搅拌砂粒一段时间。 [0047] 步骤三：进行实验测试 [0048] 打开管路调节阀，使携砂气流进入测试管段；同时，记录输气管压力表和输气管流量计读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂气流依次通过外筒的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂气流在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒中气、固两相流的流动特征。携砂气流至分离器后可完成气、固分离，气体从排气口排出，砂粒经滤网滑落至砂箱回收。实验于测试管路入口气流不再携带砂粒时结束，关闭气流调节阀。 [0049] 步骤四：实验结果分析 [0050] 记录携砂气流开始进入测试管路至测试管路入口气流不再携带砂粒的时间间隔，通过气体流量和加砂重量，可计算携砂气流中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0051] 所述的一种模拟出砂气井井筒携砂气流流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小气流调节阀，降低管内气流速度，同时打开管路调节阀，使携砂气流进入测试管段。记录此时输气管压力表和输气管流量计读数，并启动水平段高速摄像机。由于气流速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机捕捉砂粒自进入水平段到沉降至外筒内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现出砂气井井筒携砂气流的沉砂测试。测试完成后，调大气流调节阀，提高管内气流速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器分离，分离完成后关闭气流调节阀。 [0052] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟出砂油井井筒携砂油流流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0053] 步骤一：布置装置及加砂 [0054] 将内筒取出，使测试管段只保留外筒，组装好整个实验装置，并打开排液阀、排砂阀。然后，关闭管路调节阀，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀，将砂粒经加砂漏斗加至混砂腔，加砂完成后关闭加砂阀。 [0055] 步骤二：准备液源及混砂 [0056] 为在透明测试管段捕捉砂粒的运移过程，配置无色透明的模拟油，使模拟油的流变性与真实油品一致。将模拟油装满储液池，关闭气流调节阀，打开液流调节阀和潜水泵，使模拟油进入混砂腔搅拌砂粒一段时间。 [0057] 步骤三：进行实验测试 [0058] 打开管路调节阀，使携砂流体进入测试管段；同时，记录输液管压力表和输液管流量计读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂流体依次通过外筒的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂流体在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒中液、固两相流的流动特征。携砂流体至分离器后可完成液、固分离，砂粒经滤网拦截并滚落至砂箱回收，液相透过滤网经回接管路至储液池循环利用。实验于测试管路入口液流不再携带砂粒时结束，关闭潜水泵。 [0059] 步骤四：实验结果分析 [0060] 记录携砂流体开始进入测试管路至测试管路入口液流不再携带砂粒的时间间隔，通过液体流量和加砂重量，可计算携砂流体中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0061] 所述的一种模拟出砂油井井筒携砂油流流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小液流调节阀，降低管内液流速度，同时打开管路调节阀，使携砂流体进入测试管段。记录此时输液管压力表和输液管流量计读数，并启动水平段高速摄像机。由于液流速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机捕捉砂粒自进入水平段到沉降至外筒内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现出砂油井井筒携砂油流的沉砂测试。测试完成后，调大液流调节阀，提高管内液流速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器分离，分离完成后关闭潜水泵。 [0062] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟出砂气井在地层出水时井筒携砂多相流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0063] 步骤一：布置装置及加砂 [0064] 将内筒取出，使测试管段只保留外筒，组装好整个实验装置，并打开排气阀、排液阀、排砂阀。然后，关闭管路调节阀，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀，将砂粒经加砂漏斗加至混砂腔，加砂完成后关闭加砂阀。 [0065] 步骤二：准备流体源及混砂 [0066] 将储液池装满水，打开液流调节阀。关闭气流调节阀，打开气泵，往稳压气罐注气加压，观察气罐压力表，待罐内压强达到预设压强值后关闭气泵。然后，打开气流调节阀，同时启动潜水泵，使气流、液流在Y型三通交汇，并进入混砂腔搅拌砂粒一段时间，使气、液、固三相得以充分掺混。 [0067] 步骤三：进行实验测试 [0068] 打开管路调节阀，使携砂多相流进入测试管段；同时，记录输气管压力表、输气管流量计、输液管压力表和输液管流量计读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂多相流依次通过外筒的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂多相流在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒中气、液、固多相流的流动特征。携砂多相流至分离器后可完成气、液、固分离，气体从排气口排出，砂粒经滤网拦截并滚落至砂箱回收，液相透过滤网经回接管路至储液池循环利用。实验于测试管路入口流体不再携带砂粒时结束，关闭潜水泵和气流调节阀。 [0069] 步骤四：实验结果分析 [0070] 记录携砂多相流开始进入测试管路至测试管路入口流体不再携带砂粒的时间间隔，通过气体流量、液体流量和加砂重量，可计算携砂多相流中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0071] 所述的一种模拟出砂气井在地层出水时井筒携砂多相流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小气流调节阀和液流调节阀，降低管内气、液流速度，同时打开管路调节阀，使携砂多相流进入测试管段。记录此时输气管压力表、输气管流量计、输液管压力表和输液管流量计读数，并启动水平段高速摄像机。由于流体速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机捕捉砂粒自进入水平段到沉降至外筒内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现出砂气井在地层出水时井筒携砂多相流的沉砂测试。测试完成后，调大气流调节阀和液流调节阀，提高管内流体速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器分离，分离完成后关闭潜水泵和气流调节阀。 [0072] 本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点： [0073] 1、本发明可满足钻、采两种工况下六种不同实验的测试需求，功能全面，经济实用； [0074] 2、本发明的内筒、外筒直径可根据实际需要进行调整，以满足不同井筒尺寸和环空尺寸的实验需求； [0075] 3、本发明的内筒、外筒长水平段、垂直段的长度可根据实际需要进行调整，以满足不同工况的沉砂测试和举升测试要求； [0077] 图1为本发明装置整体流程示意图 [0078] 图2为本发明内筒与外筒剖视图 [0079] 图3为本发明支撑架结构示意图 [0080] 其中：1、气泵；2、稳压气罐；3、气罐压力表；4、气流调节阀；5、输气管压力表；6、输气管流量计；7、储液池；8、潜水泵；9、液流调节阀；10、输液管压力表；11、输液管流量计；12、Y型三通；13、混砂腔；14、加砂阀；15、加砂漏斗；16、管路调节阀；17、支撑架；18、外筒；19、内筒；20、垂直井筒入口压力传感器；21、垂直井筒中部压力传感器；22、垂直井筒出口压力传感器；23、分离器；24、分离挡板；25、滤网；26、排气阀；27、排砂阀；28、砂箱；29、排液阀；30、垂直段高速摄像机；31、水平段高速摄像机。 具体实施方式[0081] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。 [0082] 如图1所示，一种模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置由供气系统、供液系统、注砂系统、测试管段、分离回收系统及监测系统组成。供气系统由气泵1、稳压气罐2及气流调节阀4组成，气泵1通过管路与稳压气罐2连接，稳压气罐2顶部安装有气罐压力表3，以检测罐内压强。稳压气罐2顶部通过管路连至Y型三通12，管路上安装有气流调节阀4，气流调节阀4后设有输气管压力表5及输气管流量计6，用于监测进入实验测试管段的气流压强和流量。 [0083] 注液系统由储液池7、潜水泵8、液流调节阀9组成。潜水泵8安置于储液池7底部，潜水泵8出口由管路连至Y型三通12，管路上安装有液流调节阀9，液流调节阀9后设有输液管压力表10及输液管流量计11，用于监测进入实验测试管段的液流压强和流量。 [0084] 注砂系统由加砂漏斗15、混砂腔13、加砂阀14组成。混砂腔13为一直径大于上下游管路的圆管，加砂漏斗15安装于混砂腔13顶部，两者之间设加砂阀14，混砂腔13一端通过管路与Y型三通12相连，另一端连接管路调节阀16。 [0085] 测试管段由透明的内筒19、外筒18组成，内筒19与外筒18均由长水平段、垂直段、短水平段及两个90°弯头段组成，在管路调节阀16下游通过螺纹依次连接外筒18的长水平段、垂直向上放置的90°弯头段、垂直段、垂直向下放置的90°弯头段及短水平段，整体成倒“乙”字型。内筒19连接顺序与外筒18一致，内筒19两端端头封堵，内筒19两端及弯头接头端均布有支撑架17，使内筒19放置于外筒18中，构成同心环空。 [0086] 分离回收系统由分离器23与砂箱28组成。分离器23入口与外筒18短水平段相连，分离器23入口处设垂置分离挡板24，以加速分离；分离器23顶部设排气口，安有排气阀26；分离器23中下部设斜置滤网25，以过滤砂粒；在滤网25坡底端头处设管路连至砂箱28，管路上安装排砂阀27；分离器23底部设排液口，安有排液阀29，排液口经管路回接储液池7。 [0087] 监测系统由三个压力传感器和两台高速摄像机组成，三个压力传感器分别安装于外筒18长水平段末端、外筒18垂直段中部和外筒18短水平段入口端，对应为垂直井筒入口压力传感器20、垂直井筒中部压力传感器21、垂直井筒出口压力传感器22。两台高速摄像机分别架设于外筒18长水平段和垂直段正前方，对应为水平段高速摄像机31和垂直段高速摄像机30，分别用于捕捉长水平段井筒和垂直井筒内的携砂多相流动。 [0088] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟气体钻井井筒环空携砂气流流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0089] 步骤一：布置装置及加砂 [0090] 将内筒19同心布置于外筒18中，组装好整个实验装置，并打开排气阀26、排砂阀27。然后，关闭管路调节阀16，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀14，将砂粒经加砂漏斗15加至混砂腔13，加砂完成后关闭加砂阀14。 [0091] 步骤二：准备气源及混砂 [0092] 关闭液流调节阀9和气流调节阀4，打开气泵1，往稳压气罐2注气加压，观察气罐压力表，待罐内压强达到预设压强值后关闭气泵1。然后，打开气流调节阀4，使气流进入混砂腔13搅拌砂粒一段时间。 [0093] 步骤三：进行实验测试 [0094] 打开管路调节阀16，使携砂气流进入测试管段；同时，记录输气管压力表5和输气管流量计6读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂气流依次通过内筒19与外筒18构成的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂气流在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒环空中气、固两相流的流动特征。携砂气流至分离器23后可完成气、固分离，气体从排气口排出，砂粒经滤网25滑落至砂箱28回收。实验于测试管路入口气流不再携带砂粒时结束，关闭气流调节阀4。 [0095] 步骤四：实验结果分析 [0096] 记录携砂气流开始进入测试管路至测试管路入口气流不再携带砂粒的时间间隔，通过气体流量和加砂重量，可计算携砂气流中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0097] 所述的一种模拟气体钻井井筒环空携砂气流流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小气流调节阀4，降低管内气流速度，同时打开管路调节阀16，使携砂气流进入测试管段。记录此时输气管压力表5和输气管流量计6读数，并启动水平段高速摄像机31。由于气流速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机31捕捉砂粒自进入水平段井筒环空到沉降至外筒内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现气体钻井井筒环空携砂气流的沉砂测试。测试完成后，调大气流调节阀4，提高管内气流速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器23分离，分离完成后关闭气流调节阀4。 [0098] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟泥浆钻井井筒环空携砂流体流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0099] 步骤一：布置装置及加砂 [0100] 将内筒19同心布置于外筒18中，组装好整个实验装置，并打开排液阀29、排砂阀27。然后，关闭管路调节阀16，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀14，将砂粒经加砂漏斗15加至混砂腔13，加砂完成后关闭加砂阀14。 [0101] 步骤二：准备液源及混砂 [0102] 为在透明测试管段捕捉砂粒的运移过程，配置无色透明的模拟泥浆，使模拟泥浆的流变性与真实泥浆一致。将模拟泥浆装满储液池7，关闭气流调节阀4，打开液流调节阀9和潜水泵8，使模拟泥浆进入混砂腔13搅拌砂粒一段时间。 [0103] 步骤三：进行实验测试 [0104] 打开管路调节阀16，使携砂流体进入测试管段；同时，记录输液管压力表10和输液管流量计11读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂流体依次通过内筒19与外筒18构成的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂流体在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒环空中液、固两相流的流动特征。携砂流体至分离器23后可完成液、固分离，砂粒经滤网25拦截并滚落至砂箱28回收，液相透过滤网25经回接管路至储液池7循环利用。实验于测试管路入口液流不再携带砂粒时结束，关闭潜水泵8。 [0105] 步骤四：实验结果分析 [0106] 记录携砂流体开始进入测试管路至测试管路入口液流不再携带砂粒的时间间隔，通过液体流量和加砂重量，可计算携砂流体中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0107] 所述的一种模拟泥浆钻井井筒环空携砂流体流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小液流调节阀9，降低管内液流速度，同时打开管路调节阀16，使携砂流体进入测试管段。记录此时输液管压力表10和输液管流量计11读数，并启动水平段高速摄像机31。由于液流速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机31捕捉砂粒自进入水平段井筒环空到沉降至外筒18内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现泥浆钻井井筒环空携砂流体的沉砂测试。测试完成后，调大液流调节阀9，提高管内液流速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器23分离，分离完成后关闭潜水泵8。 [0108] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟泡沫钻井井筒环空携砂多相流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0109] 步骤一：布置装置及加砂 [0110] 将内筒19同心布置于外筒18中，组装好整个实验装置，并打开排气阀26、排液阀29、排砂阀27。然后，关闭管路调节阀16，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀 14，将砂粒经加砂漏斗15加至混砂腔13，加砂完成后关闭加砂阀14。 [0111] 步骤二：准备泡沫源及混砂 [0112] 将储液池7装满水，并添加起泡剂，打开液流调节阀9。关闭气流调节阀4，打开气泵1，往稳压气罐2注气加压，观察气罐压力表3，待罐内压强达到预设压强值后关闭气泵1。然后，打开气流调节阀4，同时启动潜水泵8，使气流、液流在Y型三通12交汇，并进入混砂腔13搅拌砂粒一段时间，在混砂腔13中气、液、固三相充分掺混，形成泡沫携砂流体源。 [0113] 步骤三：进行实验测试 [0114] 打开管路调节阀16，使携砂多相流进入测试管段；同时，记录输气管压力表5、输气管流量计6、输液管压力表10和输液管流量计11读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂多相流依次通过内筒19与外筒18构成的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂多相流在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒环空中气、液、固多相流的流动特征。携砂多相流至分离器23后可完成气、液、固分离，气体从排气口排出，砂粒经滤网25拦截并滚落至砂箱28回收，液相透过滤网25经回接管路至储液池7循环利用。实验于测试管路入口泡沫流不再携带砂粒时结束，关闭潜水泵8和气流调节阀4。 [0115] 步骤四：实验结果分析 [0116] 记录携砂多相流开始进入测试管路至测试管路入口泡沫流不再携带砂粒的时间间隔，通过气体流量、液体流量和加砂重量，可计算携砂多相流中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0117] 所述的一种模拟泡沫钻井井筒环空携砂多相流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小气流调节阀4和液流调节阀9，降低管内气、液流速度，同时打开管路调节阀16，使携砂多相流进入测试管段。记录此时输气管压力表5、输气管流量计6、输液管压力表 10和输液管流量计11读数，并启动水平段高速摄像机31。由于流体速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机31捕捉砂粒自进入水平段井筒环空到沉降至外筒18内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现泡沫钻井井筒环空携砂多相流的沉砂测试。测试完成后，调大气流调节阀4和液流调节阀9，提高管内流体速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器23分离，分离完成后关闭潜水泵8和气流调节阀4。 [0118] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟出砂气井井筒携砂气流流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0119] 步骤一：布置装置及加砂 [0120] 将内筒19取出，使测试管段只保留外筒18，组装好整个实验装置，并打开排气阀26、排砂阀27。然后，关闭管路调节阀16，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀 14，将砂粒经加砂漏斗15加至混砂腔13，加砂完成后关闭加砂阀14。 [0121] 步骤二：准备气源及混砂 [0122] 关闭液流调节阀9和气流调节阀4，打开气泵1，往稳压气罐2注气加压，观察气罐压力表3，待罐内压强达到预设压强值后关闭气泵1。然后，打开气流调节阀4，使气流进入混砂腔13搅拌砂粒一段时间。 [0123] 步骤三：进行实验测试 [0124] 打开管路调节阀16，使携砂气流进入测试管段；同时，记录输气管压力表5和输气管流量计6读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂气流依次通过外筒18的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂气流在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒中气、固两相流的流动特征。携砂气流至分离器23后可完成气、固分离，气体从排气口排出，砂粒经滤网25滑落至砂箱28回收。实验于测试管路入口气流不再携带砂粒时结束，关闭气流调节阀4。 [0125] 步骤四：实验结果分析 [0126] 记录携砂气流开始进入测试管路至测试管路入口气流不再携带砂粒的时间间隔，通过气体流量和加砂重量，可计算携砂气流中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0127] 所述的一种模拟出砂气井井筒携砂气流流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小气流调节阀4，降低管内气流速度，同时打开管路调节阀16，使携砂气流进入测试管段。记录此时输气管压力表5和输气管流量计6读数，并启动水平段高速摄像机31。由于气流速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机31捕捉砂粒自进入水平段到沉降至外筒18内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现出砂气井井筒携砂气流的沉砂测试。测试完成后，调大气流调节阀4，提高管内气流速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器23分离，分离完成后关闭气流调节阀4。 [0128] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟出砂油井井筒携砂油流流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0129] 步骤一：布置装置及加砂 [0130] 将内筒19取出，使测试管段只保留外筒18，组装好整个实验装置，并打开排液阀29、排砂阀27。然后，关闭管路调节阀16，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀 14，将砂粒经加砂漏斗15加至混砂腔13，加砂完成后关闭加砂阀14。 [0131] 步骤二：准备液源及混砂 [0132] 为在透明测试管段捕捉砂粒的运移过程，配置无色透明的模拟油，使模拟油的流变性与真实油品一致。将模拟油装满储液池7，关闭气流调节阀4，打开液流调节阀9和潜水泵8，使模拟油进入混砂腔13搅拌砂粒一段时间。 [0133] 步骤三：进行实验测试 [0134] 打开管路调节阀16，使携砂流体进入测试管段；同时，记录输液管压力表10和输液管流量计11读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂流体依次通过外筒18的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂流体在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒中液、固两相流的流动特征。携砂流体至分离器23后可完成液、固分离，砂粒经滤网25拦截并滚落至砂箱28回收，液相透过滤网25经回接管路至储液池7循环利用。实验于测试管路入口液流不再携带砂粒时结束，关闭潜水泵8。 [0135] 步骤四：实验结果分析 [0136] 记录携砂流体开始进入测试管路至测试管路入口液流不再携带砂粒的时间间隔，通过液体流量和加砂重量，可计算携砂流体中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0137] 所述的一种模拟出砂油井井筒携砂油流流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小液流调节阀9，降低管内液流速度，同时打开管路调节阀16，使携砂流体进入测试管段。记录此时输液管压力表10和输液管流量计11读数，并启动水平段高速摄像机31。由于液流速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机31捕捉砂粒自进入水平段到沉降至外筒18内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现出砂油井井筒携砂油流的沉砂测试。测试完成后，调大液流调节阀9，提高管内液流速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器23分离，分离完成后关闭潜水泵8。 [0138] 利用所述的模拟钻采双工况井筒携砂多相流动实验装置可以提供一种模拟出砂气井在地层出水时井筒携砂多相流动及沉砂测试的实验方法，包括如下操作步骤： [0139] 步骤一：布置装置及加砂 [0140] 将内筒19取出，使测试管段只保留外筒18，组装好整个实验装置，并打开排气阀26、排液阀29、排砂阀27。然后，关闭管路调节阀16，称重并记录要加入管路的砂粒重量，打开加砂阀14，将砂粒经加砂漏斗15加至混砂腔13，加砂完成后关闭加砂阀14。 [0141] 步骤二：准备流体源及混砂 [0142] 将储液池7装满水，打开液流调节阀9。关闭气流调节阀4，打开气泵1，往稳压气罐2注气加压，观察气罐压力表3，待罐内压强达到预设压强值后关闭气泵1。然后，打开气流调节阀4，同时启动潜水泵8，使气流、液流在Y型三通12交汇，并进入混砂腔13搅拌砂粒一段时间，使气、液、固三相得以充分掺混。 [0143] 步骤三：进行实验测试 [0144] 打开管路调节阀16，使携砂多相流进入测试管段；同时，记录输气管压力表5、输气管流量计6、输液管压力表10和输液管流量计11读数，并启动两台高速摄像机及三个压力传感器开始记录。携砂多相流依次通过外筒18的长水平段、垂直段和短水平段，此时三个压力传感器记录了携砂多相流在三个不同位置的压强，两台高速摄像机分别记录在长水平段和垂直段井筒中气、液、固多相流的流动特征。携砂多相流至分离器23后可完成气、液、固分离，气体从排气口排出，砂粒经滤网25拦截并滚落至砂箱28回收，液相透过滤网25经回接管路至储液池7循环利用。实验于测试管路入口流体不再携带砂粒时结束，关闭潜水泵8和气流调节阀4。 [0145] 步骤四：实验结果分析 [0146] 记录携砂多相流开始进入测试管路至测试管路入口流体不再携带砂粒的时间间隔，通过气体流量、液体流量和加砂重量，可计算携砂多相流中的含砂量。通过分析三个不同位置的压力传感器读数，可得到垂直段举升压降及关键位置压强随时间的变化曲线。通过高速摄像机记录的视频影像，可分析砂粒在井筒中的运移、举升过程及砂粒的运动速度和运动轨迹。 [0147] 所述的一种模拟出砂气井在地层出水时井筒携砂多相流动及沉砂测试的实验方法，在完成步骤二后，调小气流调节阀4和液流调节阀9，降低管内气、液流速度，同时打开管路调节阀16，使携砂多相流进入测试管段。记录此时输气管压力表5、输气管流量计6、输液管压力表10和输液管流量计11读数，并启动水平段高速摄像机31。由于流体速度较低，不具备足够的动能携带砂粒，砂粒在长水平段即发生沉砂。利用水平段高速摄像机31捕捉砂粒自进入水平段到沉降至外筒18内壁的整个过程，分析砂粒的运移轨迹和沉降速度，实现出砂气井在地层出水时井筒携砂多相流的沉砂测试。测试完成后，调大气流调节阀4和液流调节阀9，提高管内流体速度，将长水平段沉降的砂粒吹扫至分离器23分离，分离完成后关闭潜水泵8和气流调节阀4。 |
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