專利名稱：模擬深水油氣開采的井筒多相流動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超臨界管路天然氣流動模擬和測試實驗平臺，特別涉及一種能夠
模擬高溫高壓超臨界狀態(tài)條件下的模擬深水油氣開采的井筒多相流動裝置。
二背景技術(shù)：
隨著陸地油氣資源的日趨減少，石油和天然氣勘探開發(fā)轉(zhuǎn)向海洋已成必然趨勢。 水下采油技術(shù)的發(fā)展不僅使深海石油開采成為可能，同時大大降低了深海采油成本，深水 和超深水海域的油氣鉆采技術(shù)正成為各國研究開發(fā)的熱點。目前，國外的最大鉆井水深 已超過3000米，而我國深海海域油氣資源的勘探開發(fā)仍處在初期階段，深海鉆探能力僅 達600米。為了安全高效開發(fā)深海海洋油氣資源，迫切需要加強深海油氣鉆采理論與技術(shù) 研究，因此，深水油氣鉆井與開采的技術(shù)都將面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)水深達到2000ft(約 600m)以上時，環(huán)境溫度將下降至40° F(4. 4°C )左右，因而深水鉆采設(shè)備將處于高壓和低 溫條件之下。當(dāng)井筒或海底管線暴露在如此低溫的環(huán)境中，管線內(nèi)流體的熱量將大量散失， 溫度會迅速降低。泥漿或原油的流變性將發(fā)生變化，粘度明顯增加，天然氣水合物、蠟等固 態(tài)物質(zhì)也可能在鉆柱、井筒或管道中析出并沉積。這些不利因素必然會影響鉆采系統(tǒng)的正 常運行，在某些嚴重情況下，甚至?xí)?dǎo)致嚴重的事故。深水多相流的傳熱及流動規(guī)律是深水 鉆采技術(shù)研發(fā)的理論基礎(chǔ)，近年來，各相關(guān)單位雖也建立了一些實驗裝置，但這些裝置一般 都只能在常壓和絕熱條件下進行實驗研究，還存在著設(shè)備老化、實驗參數(shù)窄、儀表精度低等 不足，已無法滿足深水條件下多相流研究工作的需要。目前這方面的設(shè)備研發(fā)較少，模擬深 水油氣開采的井筒多相流動裝置未見報道。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種模擬深水油氣開采的
井筒多相流動裝置，能夠模擬1000米水深條件下的深水低溫油氣開采的井筒多相流動模
擬實驗裝置，進而可以研究深水流動條件下井筒內(nèi)的多相流動規(guī)律，建立深水井筒多相流
動態(tài)力學(xué)模型及計算方法，為深水油氣鉆探中井筒流動計算和工程設(shè)計奠定基礎(chǔ)。
其技術(shù)方案是模擬海洋低溫環(huán)境的條件由環(huán)境溫度保持流動系統(tǒng)完成，高壓流
動環(huán)境由主井筒的背壓控制系統(tǒng)來完成；高壓流動環(huán)境的液體部分主要由水罐、高壓水泵、
流動液溫度控制系統(tǒng)和流量計連接組成，氣體部分主要由氣體壓縮機、高壓氣罐、干燥器和
氣體流量計連接組成，氣液混合通過氣泡發(fā)生器完成，然后流經(jīng)控制閥進入主井筒；模擬天
然氣水合物分解注入氣體經(jīng)過控制系統(tǒng)、氣體注入管線進入主井筒；混合液經(jīng)回流管線進
入氣液分離罐完成循環(huán)。 上述的環(huán)境溫度保持流動系統(tǒng)由制冷機組、冷卻水箱、泵、環(huán)空流動井筒、回水管 線、溫度控制器、溫度傳感器和計算機控制系統(tǒng)組成，環(huán)境水溫可調(diào)可控，制冷是通過換熱 器實現(xiàn)的，溫度由溫度控制器通過計算機來控制，通過溫度控制保持模擬深水的低溫流動 環(huán)境條件。
上述的流動液溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)注入水的溫度可調(diào)可控，水罐內(nèi)的水由加熱棒 加熱，溫度由溫度控制器通過計算機控制，保證井筒入口處循環(huán)水溫度恒定，用以研究熱傳 導(dǎo)規(guī)律。 上述的模擬天然氣水合物分解注入氣體的控制系統(tǒng)控制通過注入管線的氣體注
入量，以模擬井筒內(nèi)天然氣水合物分解對井筒內(nèi)多相流動規(guī)律的影響規(guī)律。 上述的主井筒為高壓井筒，其高為14m，外循環(huán)環(huán)空流動井筒的外徑160mm，內(nèi)徑
為154mm ;外管外徑140mm，外管內(nèi)徑130mm，承壓可達10MPa ;內(nèi)管外徑55mm。 本發(fā)明的有益效果是可實現(xiàn)深水環(huán)境條件(低溫、高壓)下的復(fù)雜多相流現(xiàn)象的
模擬，是深水油氣鉆采技術(shù)研究必不可少的重要工具。該設(shè)備可實現(xiàn)(l)高壓條件下水合
物形成和釋放多相流瞬態(tài)模擬試驗；(2)低溫條件下多相流傳熱和流動試驗；(3)水合物生
成條件模擬以及抑制劑的評價和篩選；(4)高壓及中低壓下圓形管道氣液模擬試驗。該設(shè)
備的建成將形成一個綜合的深水油氣流動模擬實驗平臺，成為國內(nèi)深水多相流研究的重要基地。
四

附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 上圖中水罐(1)、高壓水泵(2)、流量計(3)、氣體壓縮機(4)、高壓氣罐(5)、干燥 器(6)、氣體流量計(7)、氣泡發(fā)生器(8)、控制閥(9)，主井筒(10)、回流管線(11)、氣液分 離罐(12)、背壓控制系統(tǒng)(13)、控制系統(tǒng)(14)、氣體注入管線(15)、制冷機組(16)、冷卻水 箱(17)、泵(18)、環(huán)空流動井筒(19)、回水管線(20)、溫度控制器(21、21')、溫度傳感器 (22、22'、22")，計算機控制系統(tǒng)(23)、加熱棒(24)、換熱器(25)。
五具體實施例方式
實施例1 :結(jié)合附圖l，對本發(fā)明作進一步詳細的描述(深水條件下井筒液體流動 熱傳導(dǎo)模擬) 模擬海洋低溫環(huán)境的條件由環(huán)境溫度保持流動系統(tǒng)完成，高壓流動環(huán)境由主井筒 的背壓控制系統(tǒng)13來完成；高壓流動環(huán)境的液體部分主要由水罐1、高壓水泵2、流動液溫 度控制系統(tǒng)和流量計3連接組成，氣體部分主要由氣體壓縮機4、高壓氣罐5、干燥器6和氣 體流量計7連接組成，氣液混合通過氣泡發(fā)生器8完成，然后流經(jīng)控制閥9進入主井筒10 ; 模擬天然氣水合物分解注入氣體經(jīng)過控制系統(tǒng)14、氣體注入管線15進入主井筒10 ;混合液 經(jīng)回流管線11進入氣液分離罐12完成循環(huán)。 其中，環(huán)境溫度保持流動系統(tǒng)由制冷機組16、冷卻水箱17、泵18、環(huán)空流動井筒 19、回水管線20、溫度控制器21、溫度傳感器22和計算機控制系統(tǒng)23組成，環(huán)境水溫可調(diào) 可控，制冷是通過換熱器25實現(xiàn)的，溫度由溫度控制器21通過計算機23來控制，通過溫度 控制保持模擬深水的低溫流動環(huán)境條件。 流動液溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)注入水的溫度可調(diào)可控，水罐內(nèi)的水由加熱棒24加 熱，溫度由溫度控制器21通過計算機23控制，保證井筒入口處循環(huán)水溫度恒定，用以研究 熱傳導(dǎo)規(guī)律。 模擬天然氣水合物分解注入氣體的控制系統(tǒng)14控制通過注入管線15的氣體注入量，以模擬井筒內(nèi)天然氣水合物分解對井筒內(nèi)多相流動規(guī)律的影響規(guī)律。
上述的主井筒10為高壓井筒，其高為14m，外循環(huán)環(huán)空流動井筒19的外徑160mm， 內(nèi)徑為154mm ;外管外徑140mm，外管內(nèi)徑130mm，承壓可達lOMPa ;內(nèi)管外徑55mm，可以模擬 1000米深水的環(huán)境壓力和溫度條件。 本發(fā)明用于研究深水鉆井時無氣體產(chǎn)出條件下井筒熱傳導(dǎo)規(guī)律時
高壓氣體壓縮機4、高壓氣罐5、干燥器6、氣體流量控制器7、模擬天然氣水合物分 解注入氣體經(jīng)過控制系統(tǒng)14、氣體注入管線15、空隙率測量計15、不需要工作。高壓水流由 水罐1 、高壓水泵2、流量控制器3，流經(jīng)氣泡發(fā)生器(氣液兩相混合器)8、高壓井筒10、回流 管線11、氣液分離罐12、背壓控制系統(tǒng)13流動，壓差計16用于測量流動壓差。溫度傳感器 22可以測量沿程的溫度變化，以便計算分析。制冷機組16、冷卻水箱17、泵18、環(huán)空流動井 筒19、回水管線20、溫度控制器21、溫度傳感器22，計算機控制系統(tǒng)23等工作，通過溫度控 制保持模擬深水的低溫流動環(huán)境條件。 實施例2 :本發(fā)明應(yīng)用于深水條件下井筒氣液流動熱傳導(dǎo)模擬，用于研究深水鉆 井時有氣體產(chǎn)出條件下井筒熱傳導(dǎo)規(guī)律。 其技術(shù)方案是上述其他結(jié)構(gòu)不變，模擬天然氣水合物分解注入氣體經(jīng)過控制系 統(tǒng)14、氣體注入管線15、不需要工作。高壓氣體由壓縮機4、高壓氣罐5、干燥器6、氣體流量 控制器7進入氣液兩相混合器8，高壓水流由水罐1、高壓水泵2、流量控制器3，流經(jīng)氣泡發(fā) 生器8與氣體混合、進入高壓井筒10、回流管線11、氣液分離罐12、背壓控制系統(tǒng)13流動， 壓差計16用于測量流動壓差?？障堵蕼y量計15給出空隙率數(shù)值，以計算含氣量，溫度傳感 器22"、22'可以測量沿程的溫度變化，以便計算分析。制冷機組16、冷卻水箱17、泵18、環(huán) 空流動井筒19、回水管線20、溫度控制器21、溫度傳感器22，計算機控制系統(tǒng)23等工作，通 過溫度控制保持模擬深水的低溫流動環(huán)境條件。 實施例3 :結(jié)合附圖l，對本發(fā)明作進一步詳細的描述(天然氣水合物相變對多相 流動規(guī)律變化的影響模擬) 同實施例2，只是模擬天然氣水合物分解注入氣體經(jīng)過控制系統(tǒng)14、氣體注入管 線15同時開始工作，就可以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種模擬深水油氣開采的井筒多相流動裝置，其特征是模擬海洋低溫環(huán)境的條件由環(huán)境溫度保持流動系統(tǒng)完成，高壓流動環(huán)境由主井筒的背壓控制系統(tǒng)(13)來完成；高壓流動環(huán)境的液體部分主要由水罐(1)、高壓水泵(2)、流動液溫度控制系統(tǒng)和流量計(3)連接組成，氣體部分主要由氣體壓縮機(4)、高壓氣罐(5)、干燥器(6)和氣體流量計(7)連接組成，氣液混合通過氣泡發(fā)生器(8)完成，然后流經(jīng)控制閥(9)進入主井筒(10)；模擬天然氣水合物分解注入氣體經(jīng)過控制系統(tǒng)(14)、氣體注入管線(15)進入主井筒(10)；混合液經(jīng)回流管線(11)進入氣液分離罐(12)完成循環(huán)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬深水油氣開采的井筒多相流動裝置，其特征是所述的環(huán)境溫度保持流動系統(tǒng)由制冷機組(16)、冷卻水箱(17)、泵(18)、環(huán)空流動井筒(19)、回水 管線(20)、溫度控制器(21)、溫度傳感器(22)和計算機控制系統(tǒng)(23)組成，環(huán)境水溫可調(diào) 可控，制冷是通過換熱器(25)實現(xiàn)的，溫度由溫度控制器(21')通過計算機(23)來控制， 通過溫度控制保持模擬深水的低溫流動環(huán)境條件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬深水油氣開采的井筒多相流動裝置，其特征是所述的 流動液溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)注入水的溫度可調(diào)可控，水罐內(nèi)的水由加熱棒(24)加熱，溫度 由溫度控制器(21)通過計算機(23)控制，保證井筒入口處循環(huán)水溫度恒定，用以研究熱傳 導(dǎo)規(guī)律。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬深水油氣開采的井筒多相流動裝置，其特征是所述的 模擬天然氣水合物分解注入氣體的控制系統(tǒng)(14)控制通過注入管線(15)的氣體注入量， 以模擬井筒內(nèi)天然氣水合物分解對井筒內(nèi)多相流動規(guī)律的影響規(guī)律。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬深水油氣開采的井筒多相流動裝置，其特征是所述 的主井筒(10)為高壓井筒，其高為14m，外循環(huán)環(huán)空流動井筒(19)的外徑160mm，內(nèi)徑為 154mm ;外管外徑140mm，外管內(nèi)徑130mm，承壓達lOMPa ;內(nèi)管外徑55mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模擬深水油氣開采的井筒多相流動裝置。其技術(shù)方案是模擬海洋低溫環(huán)境的條件由環(huán)境溫度保持流動系統(tǒng)完成，高壓流動環(huán)境的液體部分主要由水罐、高壓水泵、流動液溫度控制系統(tǒng)和流量計連接組成，氣體部分主要由氣體壓縮機、高壓氣罐、干燥器和氣體流量計連接組成，氣液混合通過氣泡發(fā)生器完成，然后流經(jīng)控制閥進入主井筒；模擬天然氣水合物分解注入氣體經(jīng)過控制系統(tǒng)、氣體注入管線進入主井筒；混合液經(jīng)回流管線進入氣液分離罐完成循環(huán)。有益效果是能夠模擬1000米水深條件下的深水低溫的油氣開采，進而研究深水流動條件下井筒內(nèi)的多相流動規(guī)律，建立深水井筒多相流動態(tài)力學(xué)模型及計算方法。
文檔編號E21B49/00GK101709639SQ20091023049
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者孫寶江, 李 昊, 李明忠, 高永海 申請人:中國石油大學(xué)(華東)