专利名称：模拟深水油气开采的井筒多相流动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超临界管路天然气流动模拟和测试实验平台，特别涉及一种能够
模拟高温高压超临界状态条件下的模拟深水油气开采的井筒多相流动装置。
二背景技术：
随着陆地油气资源的日趋减少，石油和天然气勘探开发转向海洋已成必然趋势。 水下采油技术的发展不仅使深海石油开采成为可能，同时大大降低了深海采油成本，深水 和超深水海域的油气钻采技术正成为各国研究开发的热点。目前，国外的最大钻井水深 已超过3000米，而我国深海海域油气资源的勘探开发仍处在初期阶段，深海钻探能力仅 达600米。为了安全高效开发深海海洋油气资源，迫切需要加强深海油气钻采理论与技术 研究，因此，深水油气钻井与开采的技术都将面临着严峻的挑战。当水深达到2000ft(约 600m)以上时，环境温度将下降至40° F(4. 4°C )左右，因而深水钻采设备将处于高压和低 温条件之下。当井筒或海底管线暴露在如此低温的环境中，管线内流体的热量将大量散失， 温度会迅速降低。泥浆或原油的流变性将发生变化，粘度明显增加，天然气水合物、蜡等固 态物质也可能在钻柱、井筒或管道中析出并沉积。这些不利因素必然会影响钻采系统的正 常运行，在某些严重情况下，甚至会导致严重的事故。深水多相流的传热及流动规律是深水 钻采技术研发的理论基础，近年来，各相关单位虽也建立了一些实验装置，但这些装置一般 都只能在常压和绝热条件下进行实验研究，还存在着设备老化、实验参数窄、仪表精度低等 不足，已无法满足深水条件下多相流研究工作的需要。目前这方面的设备研发较少，模拟深 水油气开采的井筒多相流动装置未见报道。
三
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种模拟深水油气开采的
井筒多相流动装置，能够模拟1000米水深条件下的深水低温油气开采的井筒多相流动模
拟实验装置，进而可以研究深水流动条件下井筒内的多相流动规律，建立深水井筒多相流
动态力学模型及计算方法，为深水油气钻探中井筒流动计算和工程设计奠定基础。
其技术方案是模拟海洋低温环境的条件由环境温度保持流动系统完成，高压流
动环境由主井筒的背压控制系统来完成；高压流动环境的液体部分主要由水罐、高压水泵、
流动液温度控制系统和流量计连接组成，气体部分主要由气体压縮机、高压气罐、干燥器和
气体流量计连接组成，气液混合通过气泡发生器完成，然后流经控制阀进入主井筒；模拟天
然气水合物分解注入气体经过控制系统、气体注入管线进入主井筒；混合液经回流管线进
入气液分离罐完成循环。 上述的环境温度保持流动系统由制冷机组、冷却水箱、泵、环空流动井筒、回水管 线、温度控制器、温度传感器和计算机控制系统组成，环境水温可调可控，制冷是通过换热 器实现的，温度由温度控制器通过计算机来控制，通过温度控制保持模拟深水的低温流动 环境条件。
上述的流动液温度控制系统，系统注入水的温度可调可控，水罐内的水由加热棒 加热，温度由温度控制器通过计算机控制，保证井筒入口处循环水温度恒定，用以研究热传 导规律。 上述的模拟天然气水合物分解注入气体的控制系统控制通过注入管线的气体注
入量，以模拟井筒内天然气水合物分解对井筒内多相流动规律的影响规律。 上述的主井筒为高压井筒，其高为14m，外循环环空流动井筒的外径160mm，内径
为154mm ;外管外径140mm，外管内径130mm，承压可达10MPa ;内管外径55mm。 本发明的有益效果是可实现深水环境条件(低温、高压)下的复杂多相流现象的
模拟，是深水油气钻采技术研究必不可少的重要工具。该设备可实现(l)高压条件下水合
物形成和释放多相流瞬态模拟试验；(2)低温条件下多相流传热和流动试验；(3)水合物生
成条件模拟以及抑制剂的评价和筛选；(4)高压及中低压下圆形管道气液模拟试验。该设
备的建成将形成一个综合的深水油气流动模拟实验平台，成为国内深水多相流研究的重要基地。
四
附图1是本发明的结构示意图； 上图中水罐(1)、高压水泵(2)、流量计(3)、气体压縮机(4)、高压气罐(5)、干燥 器(6)、气体流量计(7)、气泡发生器(8)、控制阀(9)，主井筒(10)、回流管线(11)、气液分 离罐(12)、背压控制系统(13)、控制系统(14)、气体注入管线(15)、制冷机组(16)、冷却水 箱(17)、泵(18)、环空流动井筒(19)、回水管线(20)、温度控制器(21、21')、温度传感器 (22、22'、22")，计算机控制系统(23)、加热棒(24)、换热器(25)。
五具体实施例方式
实施例1 :结合附图l，对本发明作进一步详细的描述(深水条件下井筒液体流动 热传导模拟) 模拟海洋低温环境的条件由环境温度保持流动系统完成，高压流动环境由主井筒 的背压控制系统13来完成；高压流动环境的液体部分主要由水罐1、高压水泵2、流动液温 度控制系统和流量计3连接组成，气体部分主要由气体压縮机4、高压气罐5、干燥器6和气 体流量计7连接组成，气液混合通过气泡发生器8完成，然后流经控制阀9进入主井筒10 ; 模拟天然气水合物分解注入气体经过控制系统14、气体注入管线15进入主井筒10 ;混合液 经回流管线11进入气液分离罐12完成循环。 其中，环境温度保持流动系统由制冷机组16、冷却水箱17、泵18、环空流动井筒 19、回水管线20、温度控制器21、温度传感器22和计算机控制系统23组成，环境水温可调 可控，制冷是通过换热器25实现的，温度由温度控制器21通过计算机23来控制，通过温度 控制保持模拟深水的低温流动环境条件。 流动液温度控制系统，系统注入水的温度可调可控，水罐内的水由加热棒24加 热，温度由温度控制器21通过计算机23控制，保证井筒入口处循环水温度恒定，用以研究 热传导规律。 模拟天然气水合物分解注入气体的控制系统14控制通过注入管线15的气体注入量，以模拟井筒内天然气水合物分解对井筒内多相流动规律的影响规律。
上述的主井筒10为高压井筒，其高为14m，外循环环空流动井筒19的外径160mm， 内径为154mm ;外管外径140mm，外管内径130mm，承压可达lOMPa ;内管外径55mm，可以模拟 1000米深水的环境压力和温度条件。 本发明用于研究深水钻井时无气体产出条件下井筒热传导规律时
高压气体压縮机4、高压气罐5、干燥器6、气体流量控制器7、模拟天然气水合物分 解注入气体经过控制系统14、气体注入管线15、空隙率测量计15、不需要工作。高压水流由 水罐1 、高压水泵2、流量控制器3，流经气泡发生器(气液两相混合器)8、高压井筒10、回流 管线11、气液分离罐12、背压控制系统13流动，压差计16用于测量流动压差。温度传感器 22可以测量沿程的温度变化，以便计算分析。制冷机组16、冷却水箱17、泵18、环空流动井 筒19、回水管线20、温度控制器21、温度传感器22，计算机控制系统23等工作，通过温度控 制保持模拟深水的低温流动环境条件。 实施例2 :本发明应用于深水条件下井筒气液流动热传导模拟，用于研究深水钻 井时有气体产出条件下井筒热传导规律。 其技术方案是上述其他结构不变，模拟天然气水合物分解注入气体经过控制系 统14、气体注入管线15、不需要工作。高压气体由压縮机4、高压气罐5、干燥器6、气体流量 控制器7进入气液两相混合器8，高压水流由水罐1、高压水泵2、流量控制器3，流经气泡发 生器8与气体混合、进入高压井筒10、回流管线11、气液分离罐12、背压控制系统13流动， 压差计16用于测量流动压差。空隙率测量计15给出空隙率数值，以计算含气量，温度传感 器22"、22'可以测量沿程的温度变化，以便计算分析。制冷机组16、冷却水箱17、泵18、环 空流动井筒19、回水管线20、温度控制器21、温度传感器22，计算机控制系统23等工作，通 过温度控制保持模拟深水的低温流动环境条件。 实施例3 :结合附图l，对本发明作进一步详细的描述(天然气水合物相变对多相 流动规律变化的影响模拟) 同实施例2，只是模拟天然气水合物分解注入气体经过控制系统14、气体注入管 线15同时开始工作，就可以实现。
权利要求
一种模拟深水油气开采的井筒多相流动装置，其特征是模拟海洋低温环境的条件由环境温度保持流动系统完成，高压流动环境由主井筒的背压控制系统(13)来完成；高压流动环境的液体部分主要由水罐(1)、高压水泵(2)、流动液温度控制系统和流量计(3)连接组成，气体部分主要由气体压缩机(4)、高压气罐(5)、干燥器(6)和气体流量计(7)连接组成，气液混合通过气泡发生器(8)完成，然后流经控制阀(9)进入主井筒(10)；模拟天然气水合物分解注入气体经过控制系统(14)、气体注入管线(15)进入主井筒(10)；混合液经回流管线(11)进入气液分离罐(12)完成循环。
2. 根据权利要求1所述的模拟深水油气开采的井筒多相流动装置，其特征是所述的环境温度保持流动系统由制冷机组(16)、冷却水箱(17)、泵(18)、环空流动井筒(19)、回水 管线(20)、温度控制器(21)、温度传感器(22)和计算机控制系统(23)组成，环境水温可调 可控，制冷是通过换热器(25)实现的，温度由温度控制器(21')通过计算机(23)来控制， 通过温度控制保持模拟深水的低温流动环境条件。
3. 根据权利要求1所述的模拟深水油气开采的井筒多相流动装置，其特征是所述的 流动液温度控制系统，系统注入水的温度可调可控，水罐内的水由加热棒(24)加热，温度 由温度控制器(21)通过计算机(23)控制，保证井筒入口处循环水温度恒定，用以研究热传 导规律。
4. 根据权利要求1所述的模拟深水油气开采的井筒多相流动装置，其特征是所述的 模拟天然气水合物分解注入气体的控制系统(14)控制通过注入管线(15)的气体注入量， 以模拟井筒内天然气水合物分解对井筒内多相流动规律的影响规律。
5. 根据权利要求1所述的模拟深水油气开采的井筒多相流动装置，其特征是所述 的主井筒(10)为高压井筒，其高为14m，外循环环空流动井筒(19)的外径160mm，内径为 154mm ;外管外径140mm，外管内径130mm，承压达lOMPa ;内管外径55mm。
全文摘要
本发明涉及一种模拟深水油气开采的井筒多相流动装置。其技术方案是模拟海洋低温环境的条件由环境温度保持流动系统完成，高压流动环境的液体部分主要由水罐、高压水泵、流动液温度控制系统和流量计连接组成，气体部分主要由气体压缩机、高压气罐、干燥器和气体流量计连接组成，气液混合通过气泡发生器完成，然后流经控制阀进入主井筒；模拟天然气水合物分解注入气体经过控制系统、气体注入管线进入主井筒；混合液经回流管线进入气液分离罐完成循环。有益效果是能够模拟1000米水深条件下的深水低温的油气开采，进而研究深水流动条件下井筒内的多相流动规律，建立深水井筒多相流动态力学模型及计算方法。
文档编号E21B49/00GK101709639SQ20091023049
公开日2010年5月19日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者孙宝江, 李 昊, 李明忠, 高永海 申请人:中国石油大学(华东)