專利名稱：用于水平井氣液兩相管流機(jī)理研究的模擬裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油行業(yè)油氣相態(tài)領(lǐng)域中針對水平井氣液兩相管流機(jī)理研究的物理 模擬裝置及使用該裝置仿真水平井氣液兩相管流的方法。
背景技術(shù)：
水平井作為提高油、氣藏單井產(chǎn)能重要技術(shù)手段，在世界范圍內(nèi)均得到廣泛運(yùn)用。 至2009年底，僅中國四川盆地共鉆有水平井約100多口，主要分布在低滲砂巖氣藏、高含硫 氣藏。從該盆地低滲氣藏已投產(chǎn)水平井與臨近直井生產(chǎn)效果對比來看，均達(dá)到了提高單井 產(chǎn)能的目的。但是由于低滲砂巖氣藏普遍具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性及高含水飽和度特征，水平 井在實(shí)際鉆進(jìn)過程中為了提高儲層鉆遇率，往往形成起伏狀井軌跡或沿水平段進(jìn)氣位置不 均勻井軌跡。如果低滲氣藏生產(chǎn)到一定階段存在產(chǎn)水潛力，可能造成水平井水平段積液。對 于水平井而言，由于水平段積液存在，一方面水相降低井筒與儲層有效接觸面積；另一方面 液相占據(jù)氣相部分流動空間，減小氣體過流面積，氣液兩相流存在增大氣體流動阻力，使得 氣井產(chǎn)量降低。如果地層存在出水潛力，極限情況下當(dāng)液體完全充滿彎管段時，如果地層能 量不足以克服液相產(chǎn)生的阻力影響，氣井可能出現(xiàn)停產(chǎn)風(fēng)險。因此，研究水平井帶液機(jī)理對 于深入認(rèn)識復(fù)雜氣藏水平井生產(chǎn)動態(tài)特征具有重要意義。由于水平井復(fù)雜的井軌跡特征，氣液兩相流動狀態(tài)可能同時存在于水平管段、垂 直管段及彎管段；同時，三部分管流之間相互影響、相互制約。常規(guī)的氣液兩相管流機(jī)理主 要借助于物理模擬及數(shù)值模擬的方法。對于水平井復(fù)雜的井軌跡特征及儲層滲流特征，目 前石油行業(yè)常用管流數(shù)值模擬軟件無法實(shí)現(xiàn)，只有借助于物理模擬手段。文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果表 明，目前大量關(guān)于氣液兩相管流物理模擬均采用單垂直管或單水平管段實(shí)驗(yàn)裝置，無法仿 真類似于水平井包含垂直管段、彎管段及水平管段氣液兩相管流特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供用于水平井氣液兩相管流機(jī)理研究的模擬裝置，該裝置原 理可靠，操作方便，同時包含垂直管段、彎管段及水平管段，對研究水平井氣液兩相管流機(jī) 理，提供了極大便利。本發(fā)明的另一目的在于提供使用該裝置仿真水平井氣液兩相管流的方法，可定性 認(rèn)識不同井軌跡、積液量及氣產(chǎn)量條件下的氣液兩相管流特征，為存在產(chǎn)液潛力的水平井 的生產(chǎn)提供指導(dǎo)性意見。為達(dá)到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。用于水平井氣液兩相管流機(jī)理研究的模擬裝置，主要由氣源、玻璃管、氣液分離 器、氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)組成，所述玻璃管入口端連有氣源，出口端連有氣液分離器，所 述玻璃管與氣源之間有調(diào)壓閥，調(diào)壓閥連有壓力表，所述氣液分離器分別連有氣體流量計(jì) 和液體流量計(jì)，所述玻璃管采用耐壓、透明材料，同時包含水平管段、彎管段及垂直管段，水 平管段與垂直管段夾角為α，α介于30° 150°之間，所述玻璃管內(nèi)裝有實(shí)驗(yàn)流體。
在本發(fā)明中，所述玻璃管采用耐壓、透明材料，可直接觀測氣液兩相管流過程，達(dá) 到可視化的要求，同時包含垂直管段、彎管段及水平管段，水平管段與垂直管段夾角可變， 用來仿真不同井軌跡的水平井?dāng)y液特征；玻璃管入口端與氣源連接，為了保證壓力穩(wěn)定，在 氣源與入口端之間連接調(diào)壓閥，根據(jù)氣源壓力的不同，一般準(zhǔn)備三個不同量程大小的調(diào)壓 閥，調(diào)壓閥與高精度壓力表連接；為了仿真水平井不同進(jìn)氣位置，入口端進(jìn)氣管線可伸縮； 玻璃管出口端通大氣壓，且與氣液分離器連接，分離器上部與氣體流量計(jì)連接、分離器下部 與液體流量計(jì)連接。通過本發(fā)明的裝置，可觀察不同管段位置氣液兩相流動特征，并可監(jiān)測 壓力及出口端氣量及液量大小。使用上述裝置仿真水平井氣液兩相管流的方法，依次包括以下步驟(1)流體配樣及積液量確定實(shí)驗(yàn)流體可采用常規(guī)工業(yè)用氮?dú)獯鎸?shí)際天然氣(壓力至少IOMPa)、加染色劑水 仿真水平井井筒積液，為了便于實(shí)驗(yàn)觀察，染色劑一般采用紅色。流體準(zhǔn)備好以后，根據(jù)實(shí) 驗(yàn)測試要求，把一定體積比(液量體積/水平管段容積)的液體加入水平管段。(2)啟動壓差測試啟動壓差指的是氣相克服垂直井筒段液柱產(chǎn)生的附加壓降所需要的最小壓差，該 測試內(nèi)容針對水平管段與垂直管段夾角不等于90°的井軌跡。實(shí)驗(yàn)測試前記錄當(dāng)天大氣壓 及室內(nèi)溫度，實(shí)驗(yàn)過程中盡量保持室內(nèi)溫度恒定；然后通過調(diào)壓閥緩慢增大壓差，觀察水平 管段及彎管段液相形態(tài)變化；當(dāng)出現(xiàn)第一個氣泡時記錄下此時對應(yīng)的壓差，該壓差即為此 積液量條件下的啟動壓差。(3)氣液兩相管流特征測試氣液兩相管流特征測試，主要用于診斷不同管段氣液兩相管流特征及不同流態(tài)相 互轉(zhuǎn)化條件。測試前記錄當(dāng)天大氣壓及室內(nèi)溫度，通過調(diào)壓閥緩慢增大壓差，每一個壓差點(diǎn) 穩(wěn)定3-5分鐘，并記錄下對應(yīng)的氣量(Vg)、液量(V。)、壓差(ΔΡ)及流態(tài)變化資料。當(dāng)出口 端連續(xù)5個壓差點(diǎn)，液量及氣量達(dá)到穩(wěn)定時，停止測試。(4)攜液效果分析記錄玻璃管中剩余的水量，與初始時刻加入水量比較，確定攜帶出液量，可以分析 不同夾角α、不同氣體流速及進(jìn)氣位置對攜液效果的影響。(5)水平井?dāng)y液機(jī)理分析根據(jù)每一個壓差點(diǎn)記錄時間、氣量、液量，確定對應(yīng)的氣體流量(qe)、液體流量 (qL)；結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程中記錄的流態(tài)變化資料，可定量分析不同夾角α、不同積液量條件下克 服垂直管段液柱附加壓降即啟動壓差的變化規(guī)律；其次，分析水平管段、彎管段及垂直管段 氣液兩相管流流態(tài)差異和不同流態(tài)相互轉(zhuǎn)化的臨界條件。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于，綜合考慮了實(shí)際水平井管流特征，可直 觀反映出水平管段、彎管段及垂直管段氣液兩相管流特征及其相互影響，可定性認(rèn)識水平 井不同井軌跡、不同積液量及不同氣產(chǎn)量條件下的氣液兩相管流特征，為存在產(chǎn)液潛力的 水平井的生產(chǎn)提供指導(dǎo)性意見。


圖1是本發(fā)明模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1-氣源2-玻璃管3-氣液分離器4-氣體流量計(jì)5-液體流量計(jì)(量筒)6-手動閥7-調(diào)壓閥8-壓力表 α-水平管段與垂直管段夾角
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。參看圖1。用于水平井氣液兩相管流機(jī)理研究的模擬裝置，主要由氣源1、玻璃管2、氣液分 離器3、氣體流量計(jì)4、量筒5組成，所述玻璃管2入口端采用密封塞，氣源1管線從密封塞 中間穿過，所述玻璃管與氣源之間有三只不同量程的調(diào)壓閥7，每個調(diào)壓閥上游端、下游端 分別連接手動閥6及壓力表8，所述玻璃管2出口端連有氣液分離器3，所述氣液分離器分 別連有氣體流量計(jì)4和量筒5，所述玻璃管采用耐壓、透明材料，同時包含水平管段、彎管段 及垂直管段，水平段與垂直段夾角為α，所述玻璃管內(nèi)裝有實(shí)驗(yàn)流體。在本發(fā)明中，玻璃管為核心部件，為了減少界面影響并便于實(shí)施，玻璃筒內(nèi)徑為 20mm ；水平管段、垂直管段長度分別為70cm ；玻璃筒必須能夠承受壓力。氣液分離器 由長度約為30cm，上部帶側(cè)孔的玻璃管組成，側(cè)孔通過軟膠管與氣量計(jì)連接。
權(quán)利要求
1.用于水平井氣液兩相管流機(jī)理研究的模擬裝置，主要由氣源(1)、玻璃管O)、氣液 分離器(3)、氣體流量計(jì)G)、液體流量計(jì)( 組成，其特征在于，所述玻璃管( 入口端連 有氣源(1)，出口端連有氣液分離器(3)，所述玻璃管與氣源之間有調(diào)壓閥(7)，調(diào)壓閥連有 壓力表(8)，所述氣液分離器分別連有氣體流量計(jì)(4)和液體流量計(jì)(5)，所述玻璃管采用 耐壓、透明材料，同時包含水平管段、彎管段及垂直管段，水平管段與垂直管段夾角為α，α 介于30° 150°之間，所述玻璃管內(nèi)裝有實(shí)驗(yàn)流體。
2.使用如權(quán)利要求1所述的裝置仿真水平井氣液兩相管流的方法，依次包括以下步驟(1)氣源采用壓力至少IOMPa的工業(yè)用氮?dú)?，向玻璃管中加入水仿真水平井井筒積液；(2)打開氣源，記錄大氣壓及室內(nèi)溫度，保持溫度恒定并通過調(diào)壓閥緩慢增大壓差，觀 察水平管段及彎管段液相形態(tài)變化，當(dāng)出現(xiàn)第一個氣泡時記錄下此時對應(yīng)的壓差，即得到 此積液量條件下的啟動壓差；(3)通過調(diào)壓閥緩慢增大壓差，每一個壓差點(diǎn)穩(wěn)定3-5分鐘，并記錄下對應(yīng)的氣量、液 量、壓差及流態(tài)變化資料；(4)記錄玻璃管中剩余的水量，與初始時刻加入水量比較，確定攜帶出液量，分析不同 夾角α、不同氣體流速及進(jìn)氣位置對攜液效果的影響；(5)根據(jù)每一個壓差點(diǎn)記錄的氣量、液量，確定對應(yīng)的氣體流量、液體流量，結(jié)合實(shí)驗(yàn)過 程中記錄的流態(tài)變化資料，分析不同夾角α、不同積液量條件下克服啟動壓差的變化規(guī)律， 從而得到水平管段、彎管段及垂直管段氣液兩相管流流態(tài)差異和不同流態(tài)相互轉(zhuǎn)化的臨界 條件。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于水平井氣液兩相管流機(jī)理研究的模擬裝置及方法，該裝置主要由氣源、玻璃管、氣液分離器、氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)組成，所述玻璃管入口端連有氣源，出口端連有氣液分離器，所述玻璃管與氣源之間有調(diào)壓閥，調(diào)壓閥連有壓力表，所述氣液分離器分別連有氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)，所述玻璃管同時包含水平管段、彎管段及垂直管段，水平管段與垂直管段夾角為α，α介于30°～150°之間。該裝置原理可靠，操作方便，對研究水平井氣液兩相管流機(jī)理，提供了極大便利，使用該裝置仿真水平井氣液兩相管流的方法，可定性認(rèn)識不同井軌跡、積液量及氣產(chǎn)量條件下的氣液兩相管流特征，為存在產(chǎn)液潛力的水平井的生產(chǎn)提供指導(dǎo)性意見。
文檔編號E21B49/08GK102128031SQ20111000430
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者杜建芬, 汪周華, 郭平 申請人:西南石油大學(xué)