油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及油氣領(lǐng)域，具體為油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置及測(cè)量方法。測(cè)試裝置主體部分底部通過液體泵、精密液體流量計(jì)與輔助部分底部連接；氣瓶、儲(chǔ)氣罐分別與輔助部分連接；測(cè)試裝置主體部分安裝有測(cè)溫測(cè)壓系統(tǒng)、顯示和采集系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)。本發(fā)明提供的油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置及測(cè)量方法，具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于拆卸、密封效果好的特點(diǎn)。采用溫度恒定、流體均勻加熱，適合于耐高溫流體。該裝置適用于測(cè)量油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)，可簡(jiǎn)單有效的測(cè)量出在溫度變化較大時(shí)的油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)，且測(cè)試的準(zhǔn)確度較高。
【專利說明】
油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及油氣領(lǐng)域，具體為油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置及測(cè)量 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高溫高產(chǎn)油氣井開采過程中，井筒溫度升高較大，導(dǎo)致油氣井井筒環(huán)空內(nèi)流體 熱膨脹系數(shù)變化較大，從而影響環(huán)空壓力，一方面會(huì)造成套管和油管的變形，甚至?xí)斐晒?材損壞；另一方面會(huì)給套管和油管的密封性以及安全生產(chǎn)帶來非常嚴(yán)重的影響。在測(cè)試和 生產(chǎn)過程中，由于溫度大幅度升高，使環(huán)空中液體的熱膨脹系數(shù)升高，從而引起的環(huán)空壓力 上升，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外層套管抗內(nèi)壓/外擠強(qiáng)度問題及油管的抗外擠強(qiáng)度的問題；同時(shí)，隨著油 氣井井筒環(huán)空內(nèi)壓力升高，也會(huì)引起套管彎曲以及上頂井口的現(xiàn)象，甚至造成油氣井泄露 和損壞，從而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，對(duì)油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的研究尤為重 要突出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置 及測(cè)量方法。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0005] 油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置，包括測(cè)試裝置主體部分、輔助部分、 氣瓶、儲(chǔ)氣罐;測(cè)試裝置主體部分底部通過液體栗、精密液體流量計(jì)與輔助部分底部連接； 氣瓶、儲(chǔ)氣罐分別與輔助部分連接;測(cè)試裝置主體部分安裝有測(cè)溫測(cè)壓系統(tǒng)、顯示和采集系 統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)。
[0006] 測(cè)試裝置主體部分包括耐腐蝕套管，耐腐蝕套管的底部有進(jìn)液口，頂部密封并安 裝有出液口；進(jìn)液口通過精密液體流量計(jì)和液體栗與輔助部分連接；出液口上安裝有測(cè)量 毛細(xì)管和精密氣體流量計(jì);耐腐蝕套管內(nèi)安裝有壓力傳感器;耐腐蝕套管中心軸線上安裝 有加熱棒，耐腐蝕套管內(nèi)還安置多個(gè)熱電偶組，每個(gè)熱電偶組包含兩只熱電偶，每個(gè)熱電偶 組的兩只熱電偶分別緊貼在耐腐蝕套管內(nèi)壁和加熱棒上;壓力傳感器、熱電偶分別與控制 裝置連接。
[0007] 輔助部分包括除氣溶氣罐，除氣溶氣罐頂部連接有進(jìn)氣管和出氣管，底部有排液 口；進(jìn)氣管末端延伸到除氣溶氣罐內(nèi)底部，進(jìn)氣管末端安裝有多個(gè)進(jìn)氣孔;進(jìn)氣管頂部為進(jìn) 氣口，進(jìn)氣口與氣瓶連接；出氣管頂部為出氣口，出氣口與儲(chǔ)氣罐連接;排液口與測(cè)試裝置 主體部分的進(jìn)液口連接。
[0008] 在耐腐蝕套管內(nèi)安置多組熱電偶，熱電偶分別安置在加熱棒和耐腐蝕套管內(nèi)壁 上，采用直徑為0.2mm的K型熱電偶。熱電偶與測(cè)溫測(cè)壓系統(tǒng)、顯示和采集系統(tǒng)和溫度控制系 統(tǒng)連接，溫度控制系統(tǒng)對(duì)里層套管進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量采集數(shù)據(jù)，并通過通訊接口與電腦連接。
[0009] 在耐腐蝕里層套管內(nèi)部放置壓力傳感器，用來檢測(cè)溫度效應(yīng)產(chǎn)生的熱膨脹壓力； 并安裝測(cè)量毛細(xì)管，測(cè)量出由溫度效應(yīng)產(chǎn)生的熱膨脹體積。
[0010]耐腐蝕套管的進(jìn)液口處安置精密液體流量計(jì)，測(cè)量出液體的進(jìn)液量。
[0011]耐腐蝕套管的測(cè)量毛細(xì)管上安置精密氣體流量計(jì)，測(cè)量出氣體的出氣量。
[0012] 該油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量方法，過程為：
[0013] 首先在輔助部分的除氣溶氣罐里裝入待測(cè)液體，通過通入不同的氣體達(dá)到除氧或 者溶解氣體的目的，2h后將液體栗入耐腐蝕套管內(nèi)，讓測(cè)量毛細(xì)管的液面達(dá)到刻度線處，打 開精密氣體流量計(jì)和加熱開關(guān)，然后當(dāng)耐腐蝕套管內(nèi)壓力、溫度和測(cè)量毛細(xì)管處液面高度 穩(wěn)定時(shí)，讀出此時(shí)氣體的出口和耐腐蝕套管內(nèi)溫度差，計(jì)算出在該溫度下液體的熱膨脹系 數(shù)。
[0014]具體的過程為：
[0015] 第一步，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：
[0016] 測(cè)量測(cè)量毛細(xì)管的內(nèi)徑，在耐腐蝕套管內(nèi)壁和加熱棒上放置15組(每組2只）熱電 偶，檢查熱電偶分布情況及工作狀況，以確保其均勻分布和正常工作;將配好的液體倒入除 氣溶氣罐，利用硅膠密封罐口，再通入所需的氣體，通入2h以上。
[0017]第二步，測(cè)量耐腐蝕套管內(nèi)溫度與壓力、流體膨脹體積及出口氣體量：
[0018] 首先將除氣溶氣罐中流體栗入耐腐蝕套管內(nèi)，液面達(dá)到測(cè)量毛細(xì)管的刻度線處， 讀出精密液體流量計(jì)讀數(shù)及測(cè)量毛細(xì)管的液面高度，將精密氣體流量計(jì)清零，打開加熱開 關(guān)，控制加熱溫度，待測(cè)量毛細(xì)管中液面及耐腐蝕套管內(nèi)壓力溫度值穩(wěn)定時(shí)，讀取此時(shí)的溫 度值、測(cè)量毛細(xì)管中液面高度以及精密氣體流量計(jì)所顯示的出氣量，從而可以計(jì)算得出該 氣體在某溫度條件下的熱膨脹系數(shù)：
[0019] 由于液面上升而增加的出氣量：
[0020] 由于蒸發(fā)和揮發(fā)而增加的液體量：
[0021 ] 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的液體變化量:V = V4+V3
[0022] 液體熱膨脹系數(shù)：
[0023] 計(jì)算出溶解度α，其中L是液面上升的高度，pL為液體的密度，d為測(cè)量毛細(xì)管的內(nèi) 徑，V是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的液體變化量，W是進(jìn)入耐腐蝕套管的液體量，V 2是從測(cè)量毛細(xì)管出 來的氣體量，V3是由于液面上升而增加的出氣量，V4是由于蒸發(fā)和揮發(fā)而增加的液體量，ΔΤ 是穩(wěn)定后的溫度變化值，Ml是液體分子量。
[0024] 第三步，重復(fù)第二步驟，改變初始溫度條件，或加熱到不同的溫度，測(cè)量多個(gè)溫度 下的流體的熱膨脹系數(shù)。
[0025] 第四步，使用不同流體做實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出不同流體在除氣后的熱膨脹系數(shù)。
[0026] 第五步，使用不同流體、氣體做實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出流體在飽和了不同氣體時(shí)的熱膨脹系 數(shù)。
[0027] 第六步，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將耐腐蝕套管內(nèi)的流體栗回除氣溶氣罐，清洗 裝置。
[0028] 本發(fā)明提供的油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置及測(cè)量方法，具有耐高 溫、耐高壓、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于拆卸、密封效果好的特點(diǎn)。采用溫度恒定、流體均勻加 熱，適合于耐高溫流體。采用熱電偶、壓力傳感器、精密流量計(jì)采集數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確度較高。該裝 置適用于測(cè)量油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)，可簡(jiǎn)單有效的測(cè)量出在溫度變化較大時(shí)的 油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)，且測(cè)試的準(zhǔn)確度較高。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明的測(cè)試裝置主體部分的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明的輔助部分結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0033] 油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置，包括測(cè)試裝置主體部分1、輔助部分 2、氣瓶3、儲(chǔ)氣罐7;測(cè)試裝置主體部分1底部通過液體栗8、精密液體流量計(jì)9與輔助部分2底 部連接;氣瓶3、儲(chǔ)氣罐7分別與輔助部分2連接;測(cè)試裝置主體部分1安裝有測(cè)溫測(cè)壓系統(tǒng)4、 顯示和采集系統(tǒng)5和溫度控制系統(tǒng)6。
[0034] 測(cè)試裝置主體部分1包括耐腐蝕套管12,耐腐蝕套管12的底部有進(jìn)液口 10,頂部密 封并安裝有出液口 11;進(jìn)液口 10通過精密液體流量計(jì)9和液體栗8與輔助部分2連接；出液口 11上安裝有測(cè)量毛細(xì)管16和精密氣體流量計(jì)17;耐腐蝕套管12內(nèi)安裝有壓力傳感器15;耐 腐蝕套管12中心軸上安裝有加熱棒13,耐腐蝕套管12內(nèi)還安置多個(gè)熱電偶組，每個(gè)熱電偶 組包含兩只熱電偶14,每個(gè)熱電偶組的兩只熱電偶14分別緊貼在耐腐蝕套管12內(nèi)壁和加熱 棒13上;壓力傳感器15、熱電偶14分別與控制裝置連接。
[0035]輔助部分2包括除氣溶氣罐18,除氣溶氣罐18頂部連接有進(jìn)氣管19和出氣管20,底 部有排液口 24;進(jìn)氣管19末端延伸到除氣溶氣罐18內(nèi)底部，進(jìn)氣管19末端安裝有多個(gè)進(jìn)氣 孔21;進(jìn)氣管19頂部為進(jìn)氣口 22，進(jìn)氣口 22與氣瓶3連接；出氣管20頂部為出氣口 23，出氣口 23與儲(chǔ)氣罐7連接;排液口 24與測(cè)試裝置主體部分1的進(jìn)液口 10連接。
[0036] 除氣溶氣罐18上端用活塞連接，活塞的連接處用硅膠密封;通過溫度控制系統(tǒng)6來 實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)流體的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，對(duì)溫度、壓力的測(cè)試和采集由測(cè)溫測(cè)壓系統(tǒng)4及顯示 和采集系統(tǒng)5完成，并通過RS232通訊接口與電腦連接。
[0037] 通過輔助部分2對(duì)流體進(jìn)行除氣、溶氣處理，從而可以模擬實(shí)際井下工作環(huán)境的各 種參數(shù)變化，探究不同井筒環(huán)空流體在除氣或溶解不同氣體后的熱膨脹系數(shù)。為測(cè)量各參 數(shù)值，可以設(shè)置相應(yīng)的傳感器并連接顯示裝置將傳感器信號(hào)顯示出來便于觀察和記錄，例 如設(shè)置壓力傳感器15和熱電偶14與顯示和采集系統(tǒng)5連接，分別檢測(cè)里層套管內(nèi)流體的壓 力N溫度。
[0038] 待液體的溫度分布和壓力達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)液體熱膨脹系數(shù)的定義可得 到液體的熱膨脹系數(shù)。
[0039] 通過測(cè)量液面上升高度，可得到由于液面上升而增加的出氣量
，從而可 以得到由于蒸發(fā)和揮發(fā)而增加的液體量，最后得到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的液體 變化量V = V4+V3
[0040]則耐腐蝕套管12內(nèi)流體中液體熱膨脹系數(shù)
[0041 ]下面給出常溫蒸餾水除氧后的熱膨脹系數(shù)測(cè)量實(shí)例。
[0042] 第一步，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：
[0043]測(cè)量毛細(xì)管的內(nèi)徑為0.006m，耐腐蝕套管內(nèi)充填的待溶解流體的密度為1.0g/L。
[0044] 第二步，測(cè)量耐腐蝕套管內(nèi)溫度與壓力、流體膨脹體積及出口氣體量：
[0045] 首先將除氣溶氣罐中流體栗入耐腐蝕套管內(nèi)，液面達(dá)到測(cè)量毛細(xì)管的刻度線處， 精密液體流量計(jì)讀數(shù)為〇. 〇〇4m3，將精密氣體流量計(jì)清零，打開加熱開關(guān)，控制加熱溫度，待 測(cè)量毛細(xì)管中液面及耐腐蝕套管內(nèi)壓力溫度值穩(wěn)定時(shí)，此時(shí)的溫度變化值為80°C、測(cè)量毛 細(xì)管中液面高度變化為1.92m，精密氣體流量計(jì)所顯示的出氣量為0.00006424m 3，從而可以 計(jì)算得出該氣體在某溫度條件下的熱膨脹系數(shù)：
[0046] 由于液面上升而增加的出
氣量：
[0048]由于蒸發(fā)和揮發(fā)而增加的液體量：
[0050]整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的液體變化量：
[0051 ] V = V4+V3 = 0.000007466+0.00005412 = 0.000061586m3 ；
[0052]液體熱膨脹系數(shù)：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于:包括測(cè)試裝置主體部分 (1) 、輔助部分(2)、氣瓶(3)、儲(chǔ)氣罐(7);測(cè)試裝置主體部分（1)底部通過液體栗(8)、精密液 體流量計(jì)(9)與輔助部分(2)底部連接;氣瓶(3 )、儲(chǔ)氣罐(7)分別與輔助部分(2)連接;測(cè)試 裝置主體部分(1)安裝有測(cè)溫測(cè)壓系統(tǒng)(4)、顯示和采集系統(tǒng)(5)和溫度控制系統(tǒng)(6)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于:所 述的測(cè)試裝置主體部分(1)包括耐腐蝕套管（12)，耐腐蝕套管（12)的底部有進(jìn)液口（10)，頂 部密封并安裝有出液口（ 11);進(jìn)液口（ 10)通過精密液體流量計(jì)(9)和液體栗(8)與輔助部分 (2) 連接；出液口（ 11)上安裝有測(cè)量毛細(xì)管（16)和精密氣體流量計(jì)（17);耐腐蝕套管（12)內(nèi) 安裝有壓力傳感器（15);耐腐蝕套管（12)中心軸線處安裝加熱棒（13)，耐腐蝕套管（12)內(nèi) 還安置多個(gè)熱電偶組，每個(gè)熱電偶組包含兩只熱電偶（14)，每個(gè)熱電偶組的兩只熱電偶 (14)分別緊貼在耐腐蝕套管（12)內(nèi)壁和加熱棒（13)上;壓力傳感器（15)、熱電偶（14)分別 與控制裝置連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于:所 述的輔助部分(2)包括除氣溶氣罐（18)，除氣溶氣罐（18)頂部連接有進(jìn)氣管（19)和出氣管 (20)，底部有排液口（24);進(jìn)氣管（19)末端延伸到除氣溶氣罐（18)內(nèi)底部，進(jìn)氣管（19)末端 安裝有多個(gè)進(jìn)氣孔(21);進(jìn)氣管（19)頂部為進(jìn)氣口（22)，進(jìn)氣口（22)與氣瓶(3)連接；出氣 管(20)頂部為出氣口（23)，出氣口（23)與儲(chǔ)氣罐(7)連接;排液口（24)與測(cè)試裝置主體部分 (1)的進(jìn)液口（10)連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于:首 先在輔助部分(2)的除氣溶氣罐（18)里裝入待測(cè)液體，通過通入不同的氣體達(dá)到除氧或者 溶解氣體的目的，2h后將液體栗入耐腐蝕套管（12)內(nèi)，讓測(cè)量毛細(xì)管（16)的液面達(dá)到刻度 線處，打開精密氣體流量計(jì)（17)和加熱開關(guān)，然后當(dāng)耐腐蝕套管（12)內(nèi)壓力、溫度和測(cè)量毛 細(xì)管（16)處液面高度穩(wěn)定時(shí)，讀出此時(shí)氣體的出口和耐腐蝕套管（12)內(nèi)溫度差，計(jì)算出在 該溫度下液體的熱膨脹系數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于:包 括以下步驟， 第一步，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備： 測(cè)量出測(cè)量毛細(xì)管（I6)的內(nèi)徑，在耐腐蝕套管（⑵內(nèi)壁和加熱棒（13)上放置15組熱電 偶，檢查熱電偶分布情況及工作狀況，以確保其均勻分布和正常工作;將配好的液體倒入除 氣溶氣罐(18)，利用硅膠密封罐口，再通入所需的氣體，通入不少于2h; 第二步，測(cè)量耐腐蝕套管（12)內(nèi)溫度與壓力、流體膨脹體積及出口氣體量：首先將除氣溶氣罐（18)中流體栗入耐腐蝕套管（12)內(nèi)，液面達(dá)到測(cè)量毛細(xì)管（16)的刻 度線處，讀出精密氣體流量計(jì)（17)所示的氣體體積及測(cè)量毛細(xì)管（16)的液面高度，將精密 氣體流量計(jì)（17)清零，打開加熱開關(guān)，控制加熱溫度，待測(cè)量毛細(xì)管（16)中液面及耐腐蝕套 管（12)內(nèi)壓力溫度值穩(wěn)定時(shí)，讀取此時(shí)的溫度值、測(cè)量毛細(xì)管（16)中液面高度以及精密氣 體流量計(jì)(17)所顯示的出氣量，從而可以計(jì)算得出該氣體在某溫度條件下的熱膨脹系數(shù)： 由于液面上升而增加的出氣i 由于蒸發(fā)和揮發(fā)而增加的液仞 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的液彼亦ik骨.V=v4+V3 液體熱膨脹系I計(jì)算出溶解度α，其中L是液面上升的高度，Pl為液體的密度，d為測(cè)量毛細(xì)管的內(nèi)徑，V是 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的液體變化量，V1是進(jìn)入耐腐蝕套管（12)的液體量，％是從測(cè)量毛細(xì)管（16) 出來的氣體量，V 3是由于液面上升而增加的出氣量，V4是由于蒸發(fā)和揮發(fā)而增加的液體量， A T是穩(wěn)定后的溫度變化值，是液體分子量； 第三步，重復(fù)第二步驟，改變初始溫度條件，或加熱到不同的溫度，測(cè)量多個(gè)溫度下的 流體的熱膨脹系數(shù)； 第四步，使用不同流體做實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出不同流體在除氣后的熱膨脹系數(shù)； 第五步，使用不同流體、氣體做實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出流體在飽和了不同氣體時(shí)的熱膨脹系數(shù)； 第六步，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將耐腐蝕套管（12)內(nèi)的流體栗回除氣溶氣罐（18)， 清洗裝置。
【文檔編號(hào)】G01N25/16GK106018465SQ201610458450
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月22日
【發(fā)明人】張智, 周澤宇, 李晶, 劉志偉, 鐘顯康, 扈俊穎
【申請(qǐng)人】西南石油大學(xué)