超臨界井筒多相流動實驗裝置

《超臨界井筒多相流動實驗裝置》是中國石油大學（華東）於2009年5月15日申請的專利，該專利的申請號為2009100153256，申請公布號為CN101560880，公布日為2009年10月21日，發明人是孫寶江、高永海、李明忠、劉建。

《超臨界井筒多相流動實驗裝置》涉及一種模擬臨界條件下高壓、高產天然氣田開採的超臨界井筒多相流動實驗裝置。其技術方案是：主要由水罐、高壓水泵、液體流量控制器、高壓氣體壓縮機、高壓氣罐、乾燥器、氣體流量控制器、氣液兩相混合器、高壓井筒、內管、回流管線、氣液分離罐、背壓控制系統、溫度控制系統、空隙率測量系統和壓力壓差測量系統組成。有益效果是：（1）超臨界條件下井筒氣體流動模擬；（2）臨界和超臨界條件下氣液多相流流動模擬；（3）常壓下氣體或氣液多相流流動模擬。該設備的建成將形成一個綜合的超臨界井筒多相流動模擬實驗平台，成為國內超臨界井筒多相流研究的重要基地。

2013年10月，《超臨界井筒多相流動實驗裝置》獲得第十五屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《超臨界井筒多相流動實驗裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：超臨界井筒多相流動實驗裝置
• 類別：發明專利
• 公布號：CN101560880
• 公布日：2009年10月21日
• 申請號：2009100153256
• 申請日：2009年5月15日
• 申請人：中國石油大學（華東）
• 地址：山東省東營市東營區北一路739號科技處
• 發明人：孫寶江、高永海、李明忠、劉建
• 分類號：E21B49/00（2006.01）I
• 專利代理機構：東營雙橋專利代理有限責任公司
• 代理人：侯華頌

專利背景

中國西南及西北地區蘊藏著大量的高壓、高產、高含硫的天然氣資源，這些天然氣資源在中國能源總量中所占地比重逐漸增加，正逐步成為中國油氣資源的開發重點。但由於這些地區普遍存在地質構造複雜、油氣資源埋藏較深、地層壓力高、產量高、部分地區伴有高濃度H₂S，且地層壓力預測困難等因素，使該類氣藏開發面臨許多安全問題，存在著許多安全隱患。因此，井筒壓力控制技術的研究一直是“三高氣田鑽完井安全技術體系”領域中的重要研究課題。它對提升中國三高氣田鑽完井安全技術水平和自主勘探開發三高氣田的能力，預防和杜絕三高氣田鑽完井重特大事故的發生，具有重要的現實意義和深遠的歷史意義，亦將產生巨大的社會效益和經濟效益。

對於“三高”氣藏，大都埋藏較深，地層流體處於臨界或超臨界狀態，而臨界或超臨界流體具有很好的溶解性，在井底條件下，鑽井液中會溶解大量的超臨界態流體，該多相流體系在沿井筒運移過程中受到壓力、溫度變化的影響，體系中各相會發生相態變化或相間傳質等物理化學過程以及能量、動量的傳遞，其結果導致井內流體各物性參數在極短時間內隨井深和時間發生快速變化，使環空內流體的流動規律變得十分複雜。如何根據環空內流體在各種不同井深條件下的流動形態、相態變化等來預測相應的環空壓力剖面是準確控制井筒壓力的難點。

發明內容

專利目的

《超臨界井筒多相流動實驗裝置》的目的就是針對2009年5月以前技術存在的缺陷，提供一種超臨界井筒多相流動實驗裝置，能夠模擬高溫高壓臨界狀態條件下，氣體或氣液兩相流體的井筒內流動規律的實驗裝置，進而可以研究臨界和超臨界條件下氣體在井筒內的流動特性，建立井筒多相流動態力學模型及計算方法，預測井筒多相流壓力，為油氣鑽探中井筒壓力控制奠定基礎。

技術方案

《超臨界井筒多相流動實驗裝置》主要由水罐、高壓水泵、液體流量控制器、高壓氣體壓縮機、高壓氣罐、乾燥器、氣體流量控制器、氣液兩相混合器、高壓井筒、內管、回流管線、氣液分離罐、背壓控制系統、溫度控制系統、空隙率測量系統和壓力壓差測量系統組成，所述的高壓井筒內腔設有內管，外側設有阻抗式空隙率計，所述的高壓井筒的底部通過管線連線氣液兩相混合器，氣液兩相混合器分別連通氣體流量控制器和液體流量控制器；所述的氣體流量控制器依次連線乾燥器、高壓氣罐和高壓氣體壓縮機，所述的液體流量控制器依次連線高壓水泵和水罐；所述的高壓井筒的頂端連線回流管線，所述的回流管線的另一端通過氣液分離罐、背壓控制系統和調控器連通水罐。

上述的水罐內設有加熱棒、溫度控制系統、水位監控器和溫度監控器，水罐內的水由加熱棒加熱，溫度由溫度控制系統控制，以保持試驗系統溫度恆定，最高溫度可以達到90度。

上述的氣液分離罐與背壓控制系統和調控器連通，背壓控制系統，以保持試驗系統壓力恆定，井筒最高壓力可以達到10兆帕，分離的水經過回流管線流入水罐，氣體經過背壓閥直接排大氣。

上述的高壓井筒的長為14米，外管外徑140毫米，外管內徑130毫米，內管外徑60毫米，高壓井筒出口設有壓力計，高壓井筒的上下兩端分別設有壓差計和阻抗式空隙率計；空隙率測量系統，用以判斷流型、測量氣泡上升速度、空隙率波傳播速度等；壓力壓差測量系統，用以研究井筒氣體或多相流動規律。

有益效果

《超臨界井筒多相流動實驗裝置》可實現高溫高壓超臨界條件下的井筒氣體或氣液多相流現象的模擬，是三高氣田開採技術研究必不可少的重要工具。該設備可實現：（1）超臨界條件下井筒氣體流動模擬；（2）臨界和超臨界條件下氣液多相流流動模擬；（3）常壓下氣體或氣液多相流流動模擬。該設備的建成將形成一個綜合的超臨界井筒多相流動模擬實驗平台，成為中國超臨界井筒多相流研究的重要基地。

附圖說明

圖1是《超臨界井筒多相流動實驗裝置》的結構示意圖。

圖中標記說明：水罐1、高壓水泵2、液體流量控制器3、高壓氣體壓縮機4、高壓氣罐5、乾燥器6、氣體流量控制器7、氣液兩相混合器8、高壓井筒9、內管10、回流管線11、氣液分離罐12、背壓控制系統13、回流管線14、阻抗式空隙率計15、15’、15”、壓差計16、16’、溫度控制器17、壓力計18、加熱棒19、溫度控制系統20、水位監控器21、溫度監控器22、計算機控制23、信號線24、調控器25。

圖1

權利要求

1.一種超臨界井筒多相流動實驗裝置，其特徵是：主要由水罐（1）、高壓水泵（2）、液體流量控制器（3）、高壓氣體壓縮機（4）、高壓氣罐（5）、乾燥器（6）、氣體流量控制器（7）、氣液兩相混合器（8）、高壓井筒（9）、內管（10）、回流管線（11）、氣液分離罐（12）、背壓控制系統（13）、溫度控制系統（20）、空隙率測量系統和壓力壓差測量系統組成，所述的高壓井筒（9）內腔設有內管（10），外側設有阻抗式空隙率計（15、15’、15”），所述的高壓井筒（9）的底部通過管線連線氣液兩相混合器（8），氣液兩相混合器（8）分別連通氣體流量控制器（7）和液體流量控制器（3）；所述的氣體流量控制器（7）依次連線乾燥器（6）、高壓氣罐（5）和高壓氣體壓縮機（4），所述的液體流量控制器（3）依次連線高壓水泵（2）和水罐（1）；所述的高壓井筒（9）的頂端連線回流管線（11），所述的回流管線（11）的另一端通過氣液分離罐（12）、背壓控制系統（13）和調控器（25）連通水罐（1）。

2.根據權利要求1所述的超臨界井筒多相流動實驗裝置，其特徵是：所述的水罐（1）內設有加熱棒（19）、溫度控制系統（20）、水位監控器（21）和溫度監控器（22），水罐內的水由加熱棒（19）加熱，溫度由溫度控制系統（20）控制。

3.根據權利要求1所述的超臨界井筒多相流動實驗裝置，其特徵是：所述的氣液分離罐（12）與背壓控制系統（13）和調控器（25）連通，水位由調控器（25）控制，分離的水經過回流管線（14）流入水罐（1），氣體經過背壓閥直接排大氣。

4.根據權利要求1所述的超臨界井筒多相流動實驗裝置，其特徵是：所述的高壓井筒（9）的長為14米，外管外徑140毫米，外管內徑130毫米，內管外徑60毫米，高壓井筒出口設有壓力計（18），高壓井筒的上下兩端分別設有壓差計（16、16’）和阻抗式空隙率計（15、15’、15”）。

實施方式

• 實施例1

結合附圖1，對《超臨界井筒多相流動實驗裝置》作進一步詳細的描述（超臨界條件下井筒氣體流動模擬）：

整體結構是：主要由水罐1、高壓水泵2、液體流量控制器3、高壓氣體壓縮機4、高壓氣罐5、乾燥器6、氣體流量控制器7、氣液兩相混合器8、高壓井筒9、內管10、回流管線11、氣液分離罐12、背壓控制系統13、回流管線14、阻抗式空隙率計15、15’、15”、壓差計16、16’、溫度控制器17、壓力計18、加熱棒19、溫度控制系統20、水位監控器21、溫度監控器22、計算機控制23、信號線24、調控器25連線組成。

用於模擬超深天然氣井鑽探過程中在超臨界條件下的井筒流動規律。

其技術方案是：上述其他結構不變，水罐1、高壓水泵2、液體流量控制器3、空隙率測量計15不需要工作。高壓氣體由高壓氣體壓縮機4、高壓氣罐5、乾燥器6、氣體流量控制器7提供，流經氣液兩項混合器8、高壓井筒9、內管10、回流管線11、氣液分離罐12、背壓控制系統13，壓差計16用於測量流動壓差。通過控制背壓（最大10兆帕）可以實現井筒內氣體的超臨界流動。可以測量的流動參數有井筒入口壓力、出口壓力、沿程壓差、流量、溫度等，以便計算分析。

• 實施例2

結合附圖1，對《超臨界井筒多相流動實驗裝置》作進一步詳細的描述（臨界和超臨界條件下氣液多相流流動模擬）：

用於模擬超深天然氣井鑽探過程中在超臨界條件下且有液體產出的井筒流動規律。

其技術方案是：上述其他結構不變，水罐1、高壓水泵2、液體流量控制器3用於提供高壓流動液體，加熱棒19來加熱用來加熱水、由溫度控制器20控制溫度值，高壓氣體由高壓氣體壓縮機4、高壓氣罐5、乾燥器6、氣體流量控制器7提供，流經氣液兩項混合器8、高壓井筒9、內管10、回流管線11、氣液分離罐12、背壓控制系統13，壓差計16用於測量流動壓差，空隙率測量計15用於測量流動過程井筒截面含氣率和空隙率波動。通過控制背壓（最大10兆帕）可以實現井筒內壓力，使氣體在超臨界條件下流動。可以測量的流動參數有井筒入口壓力、出口壓力、沿程壓差、流量、空隙率波、平均截面含氣率、溫度等，以便計算分析。

• 實施例3

結合附圖1，對《超臨界井筒多相流動實驗裝置》作進一步詳細的描述（常壓下氣體或氣液多相流流動模擬）：

同上述實施例2，只是背壓控制系統13的不工作，令井筒出口通大氣就可以實現。

榮譽表彰

2013年10月，《超臨界井筒多相流動實驗裝置》獲得第十五屆中國專利優秀獎。