油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測量裝置及測量方法
【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)的測量裝置及測量方法。測試裝置主體部分底部通過液體泵、精密液體流量計與輔助部分底部連接；氣瓶、儲氣罐分別與輔助部分連接；測試裝置主體部分安裝有測溫測壓系統(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)的測量裝置及測量方法，具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)簡單、易于拆卸、密封效果好的特點。采用溫度恒定、流體均勻加熱，適合于耐高溫流體。該裝置適用于測量油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)，可簡單有效的測量出在溫度變化較大時的油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)，且測試的準確度較高。
【專利說明】
油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測量裝置及測量方法
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)的測量裝置及測量 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，一方面會造成套管和油管的變形，甚至會造成管 材損壞；另一方面會給套管和油管的密封性以及安全生產(chǎn)帶來非常嚴重的影響。在測試和 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，會導致內(nèi)外層套管抗內(nèi)壓/外擠強度問題及油管的抗外擠強度的問題；同時，隨著油 氣井井筒環(huán)空內(nèi)壓力升高，也會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，從而造成嚴重的環(huán)境污染。因此，對油氣井井筒環(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)的測量裝置 及測量方法。
[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)的測量裝置，包括測試裝置主體部分、輔助部分、 氣瓶、儲氣罐;測試裝置主體部分底部通過液體栗、精密液體流量計與輔助部分底部連接； 氣瓶、儲氣罐分別與輔助部分連接;測試裝置主體部分安裝有測溫測壓系統(tǒng)、顯示和采集系 統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)。
[0006] 測試裝置主體部分包括耐腐蝕套管，耐腐蝕套管的底部有進液口，頂部密封并安 裝有出液口；進液口通過精密液體流量計和液體栗與輔助部分連接；出液口上安裝有測量 毛細管和精密氣體流量計;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)還安置多個熱電偶組，每個熱電偶組包含兩只熱電偶，每個熱電偶 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氣管和出氣管，底部有排液 口；進氣管末端延伸到除氣溶氣罐內(nèi)底部，進氣管末端安裝有多個進氣孔;進氣管頂部為進 氣口，進氣口與氣瓶連接；出氣管頂部為出氣口，出氣口與儲氣罐連接;排液口與測試裝置 主體部分的進液口連接。
[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。熱電偶與測溫測壓系統(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)對里層套管進行實時測量采集數(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，用來檢測溫度效應產(chǎn)生的熱膨脹壓力； 并安裝測量毛細管，測量出由溫度效應產(chǎn)生的熱膨脹體積。
[0010]耐腐蝕套管的進液口處安置精密液體流量計，測量出液體的進液量。
[0011]耐腐蝕套管的測量毛細管上安置精密氣體流量計，測量出氣體的出氣量。
[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液體，通過通入不同的氣體達到除氧或 者溶解氣體的目的，2h后將液體栗入耐腐蝕套管內(nèi)，讓測量毛細管的液面達到刻度線處，打 開精密氣體流量計和加熱開關(guān)，然后當耐腐蝕套管內(nèi)壓力、溫度和測量毛細管處液面高度 穩(wěn)定時，讀出此時氣體的出口和耐腐蝕套管內(nèi)溫度差，計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，實驗準備：
[0016] 測量測量毛細管的內(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)，液面達到測量毛細管的刻度線處， 讀出精密液體流量計讀數(shù)及測量毛細管的液面高度，將精密氣體流量計清零，打開加熱開 關(guān)，控制加熱溫度，待測量毛細管中液面及耐腐蝕套管內(nèi)壓力溫度值穩(wěn)定時，讀取此時的溫 度值、測量毛細管中液面高度以及精密氣體流量計所顯示的出氣量，從而可以計算得出該 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 ] 整個實驗過程中的液體變化量:V = V4+V3
[0022] 液體熱膨脹系數(shù)：
[0023] 計算出溶解度α，其中L是液面上升的高度，pL為液體的密度，d為測量毛細管的內(nèi) 徑，V是整個實驗過程中的液體變化量，W是進入耐腐蝕套管的液體量，V 2是從測量毛細管出 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，重復第二步驟，改變初始溫度條件，或加熱到不同的溫度，測量多個溫度 下的流體的熱膨脹系數(shù)。
[0025] 第四步，使用不同流體做實驗，計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、氣體做實驗，計算出流體在飽和了不同氣體時的熱膨脹系 數(shù)。
[0027] 第六步，實驗結(jié)束，記錄實驗結(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)的測量裝置及測量方法，具有耐高 溫、耐高壓、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)簡單、易于拆卸、密封效果好的特點。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、精密流量計采集數(shù)據(jù)，準確度較高。該裝 置適用于測量油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)，可簡單有效的測量出在溫度變化較大時的 油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)，且測試的準確度較高。
【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。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進一步說明。
[0033] 油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測量裝置，包括測試裝置主體部分1、輔助部分 2、氣瓶3、儲氣罐7;測試裝置主體部分1底部通過液體栗8、精密液體流量計9與輔助部分2底 部連接;氣瓶3、儲氣罐7分別與輔助部分2連接;測試裝置主體部分1安裝有測溫測壓系統(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的底部有進液口 10,頂部密 封并安裝有出液口 11;進液口 10通過精密液體流量計9和液體栗8與輔助部分2連接；出液口 11上安裝有測量毛細管16和精密氣體流量計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)還安置多個熱電偶組，每個熱電偶 組包含兩只熱電偶14,每個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頂部連接有進氣管19和出氣管20,底 部有排液口 24;進氣管19末端延伸到除氣溶氣罐18內(nèi)底部，進氣管19末端安裝有多個進氣 孔21;進氣管19頂部為進氣口 22，進氣口 22與氣瓶3連接；出氣管20頂部為出氣口 23，出氣口 23與儲氣罐7連接;排液口 24與測試裝置主體部分1的進液口 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 實現(xiàn)對管內(nèi)流體的溫度進行實時控制，對溫度、壓力的測試和采集由測溫測壓系統(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對流體進行除氣、溶氣處理，從而可以模擬實際井下工作環(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)。為測量各參 數(shù)值，可以設(shè)置相應的傳感器并連接顯示裝置將傳感器信號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到穩(wěn)定后進行測試，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，最后得到整個實驗過程中的液體 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)測量實例。
[0042] 第一步，實驗準備：
[0043]測量毛細管的內(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)，液面達到測量毛細管的刻度線處， 精密液體流量計讀數(shù)為〇. 〇〇4m3，將精密氣體流量計清零，打開加熱開關(guān)，控制加熱溫度，待 測量毛細管中液面及耐腐蝕套管內(nèi)壓力溫度值穩(wěn)定時，此時的溫度變化值為80°C、測量毛 細管中液面高度變化為1.92m，精密氣體流量計所顯示的出氣量為0.00006424m 3，從而可以 計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]整個實驗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】
1. 油氣井井筒環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)的測量裝置，其特征在于:包括測試裝置主體部分 (1) 、輔助部分(2)、氣瓶(3)、儲氣罐(7);測試裝置主體部分（1)底部通過液體栗(8)、精密液 體流量計(9)與輔助部分(2)底部連接;氣瓶(3 )、儲氣罐(7)分別與輔助部分(2)連接;測試 裝置主體部分(1)安裝有測溫測壓系統(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)的測量裝置，其特征在于:所 述的測試裝置主體部分(1)包括耐腐蝕套管（12)，耐腐蝕套管（12)的底部有進液口（10)，頂 部密封并安裝有出液口（ 11);進液口（ 10)通過精密液體流量計(9)和液體栗(8)與輔助部分 (2) 連接；出液口（ 11)上安裝有測量毛細管（16)和精密氣體流量計（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) 還安置多個熱電偶組，每個熱電偶組包含兩只熱電偶（14)，每個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)頂部連接有進氣管（19)和出氣管 (20)，底部有排液口（24);進氣管（19)末端延伸到除氣溶氣罐（18)內(nèi)底部，進氣管（19)末端 安裝有多個進氣孔(21);進氣管（19)頂部為進氣口（22)，進氣口（22)與氣瓶(3)連接；出氣 管(20)頂部為出氣口（23)，出氣口（23)與儲氣罐(7)連接;排液口（24)與測試裝置主體部分 (1)的進液口（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)里裝入待測液體，通過通入不同的氣體達到除氧或者 溶解氣體的目的，2h后將液體栗入耐腐蝕套管（12)內(nèi)，讓測量毛細管（16)的液面達到刻度 線處，打開精密氣體流量計（17)和加熱開關(guān)，然后當耐腐蝕套管（12)內(nèi)壓力、溫度和測量毛 細管（16)處液面高度穩(wěn)定時，讀出此時氣體的出口和耐腐蝕套管（12)內(nèi)溫度差，計算出在 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)的測量方法，其特征在于:包 括以下步驟， 第一步，實驗準備： 測量出測量毛細管（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)，液面達到測量毛細管（16)的刻 度線處，讀出精密氣體流量計（17)所示的氣體體積及測量毛細管（16)的液面高度，將精密 氣體流量計（17)清零，打開加熱開關(guān)，控制加熱溫度，待測量毛細管（16)中液面及耐腐蝕套 管（12)內(nèi)壓力溫度值穩(wěn)定時，讀取此時的溫度值、測量毛細管（16)中液面高度以及精密氣 體流量計(17)所顯示的出氣量，從而可以計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 整個實驗過程中的液彼亦ik骨.V=v4+V3 液體熱膨脹系I計算出溶解度α，其中L是液面上升的高度，Pl為液體的密度，d為測量毛細管的內(nèi)徑，V是 整個實驗過程中的液體變化量，V1是進入耐腐蝕套管（12)的液體量，％是從測量毛細管（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，重復第二步驟，改變初始溫度條件，或加熱到不同的溫度，測量多個溫度下的 流體的熱膨脹系數(shù)； 第四步，使用不同流體做實驗，計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、氣體做實驗，計算出流體在飽和了不同氣體時的熱膨脹系數(shù)； 第六步，實驗結(jié)束，記錄實驗結(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】G01N25/16GK106018465SQ201610458450
【公開日】2016年10月12日
【申請日】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
【申請人】西南石油大學