一種垂直井筒中煤粉產(chǎn)出模擬實(shí)驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油與天然氣技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種垂直井筒中煤粉產(chǎn)出模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置不僅可以模擬垂直井筒中煤粉在氣、水?dāng)y帶下運(yùn)移產(chǎn)出情況，而且能夠模擬垂直井筒中單相液體流動(dòng)、氣液兩相流動(dòng)情況。
【背景技術(shù)】
[0002]煤層氣是指儲(chǔ)存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是一種非常規(guī)天然氣資源，俗稱瓦斯。隨著常規(guī)石油資源的日益枯竭，國(guó)際上對(duì)煤層氣開采的重視程度大增，煤層氣已經(jīng)成為常規(guī)天然氣產(chǎn)量的重要補(bǔ)充。我國(guó)作為產(chǎn)煤、用煤大國(guó)，煤層氣儲(chǔ)量豐富，合理開發(fā)利用煤層氣資源，對(duì)緩解我國(guó)能源緊張、改善能源結(jié)構(gòu)、降低對(duì)外依賴具有重要意義。
[0003]我國(guó)的煤層通常壓力低、滲透率低、吸附氣飽和度低，因此單井產(chǎn)量低，經(jīng)濟(jì)效益不高。為了提高產(chǎn)量，煤層氣井通常采用壓裂措施。在壓裂后，煤層氣井會(huì)產(chǎn)出一些煤粉。煤粉的產(chǎn)出受氣體解吸、孔喉大小、氣液流速等因素的影響。在產(chǎn)出過(guò)程中，煤粉會(huì)滯留在煤藏、井底、井筒、水平井段等不同位置，對(duì)煤層氣的生產(chǎn)造成不良影響，如造成孔喉和割理堵塞、引起栗筒磨損或卡栗事故、甚至造成埋栗。掌握煤粉在井筒中的運(yùn)移規(guī)律，對(duì)有效防控煤粉的產(chǎn)生、合理控制煤粉的運(yùn)移、保證煤層氣井的正常生產(chǎn)具有重要意義。本發(fā)明的目的是為了模擬煤粉在煤層氣垂直井筒中的產(chǎn)出、運(yùn)移規(guī)律，為排采制度的制定提供依據(jù)。
[0004]除此之外，在工程領(lǐng)域，垂直管道中多相、復(fù)雜流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一個(gè)普遍問(wèn)題，需要研發(fā)實(shí)驗(yàn)室研究裝置，研究垂直井筒中的多相流動(dòng)規(guī)律，為解決工程領(lǐng)域中井筒流動(dòng)計(jì)算和工程設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種煤層氣垂直井筒煤粉產(chǎn)出模擬評(píng)價(jià)裝置，模擬煤粉被攜帶產(chǎn)出或在井筒中沉降的條件和影響因素，測(cè)量煤粉顆粒的沉降速度，為煤層氣井的排采設(shè)計(jì)提供依據(jù)，它涉及垂直井筒中的氣、液、固多相流動(dòng)，因此還可以用來(lái)模擬垂直井筒中多相流動(dòng)規(guī)律。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種垂直井筒中煤粉產(chǎn)出模擬實(shí)驗(yàn)裝置，它包括一個(gè)垂直模擬井筒，所述的模擬井筒底部作為入口連接有為其提供恒定流速液體的供液系統(tǒng)、為其提供恒定流速氣體的供氣系統(tǒng)和為其提供可調(diào)壓力的供壓及穩(wěn)壓系統(tǒng)；所述模擬井筒的頂部作為出口連接有回收清理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將模擬井筒兩端壓力、液體流動(dòng)的速度和流場(chǎng)以及流動(dòng)現(xiàn)象統(tǒng)一采集到計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行處理，形成了一個(gè)綜合的井筒多相流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
[0008]所述的供液系統(tǒng)包括封閉穩(wěn)壓罐、節(jié)流閥及液體流量計(jì)，穩(wěn)壓罐入口端經(jīng)閘閥與液源連接，穩(wěn)壓罐內(nèi)氣體的壓力為常壓狀態(tài)的情況下，打開連接閘閥向罐內(nèi)添加液體；供壓系統(tǒng)加壓時(shí)，閘閥處于關(guān)閉狀態(tài)，穩(wěn)壓罐出口端液體在壓力驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)節(jié)流器、液體流量計(jì)向模擬井筒流動(dòng)。
[0009]所述供氣系統(tǒng)包括空壓機(jī)、分流器、單向節(jié)流閥I及氣體流量計(jì)，空壓機(jī)氣體出口端氣體經(jīng)過(guò)分流器分流，部分氣體經(jīng)過(guò)單向節(jié)流閥I及氣體流量計(jì)流入支線路徑，然后經(jīng)主線路徑流向模擬井筒，為模擬井筒提供恒定流速的氣體。
[0010]所述供壓及穩(wěn)壓系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)、分流器、穩(wěn)壓罐以及壓力表；空壓機(jī)出口端氣體流經(jīng)分流器，單向節(jié)流閥II部分氣體流向穩(wěn)壓罐，氣體在穩(wěn)壓罐中壓縮，形成驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的壓力。
[0011]所述的穩(wěn)壓罐的出口串聯(lián)有一個(gè)節(jié)流閥，通過(guò)節(jié)流閥的調(diào)節(jié)控制穩(wěn)壓罐驅(qū)動(dòng)壓力。
[0012]所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)終端以及與其相連的PIV粒子成像測(cè)速儀、高速攝像儀、三個(gè)壓力測(cè)量傳感器、液體流量傳感器、氣體流量傳感器；所述的高速攝像儀和PIV粒子成像測(cè)速儀分別安裝在模擬井筒的兩側(cè)，用于實(shí)時(shí)記錄模擬井筒流動(dòng)的現(xiàn)象、流場(chǎng)分布，粒子和流體的運(yùn)動(dòng)速度；
[0013]所述的兩個(gè)壓力測(cè)量傳感器分別安裝在模擬井筒的出口和入口，測(cè)量模擬井筒的壓差，且兩個(gè)壓力測(cè)量傳感器分別與壓力表相連；另外一個(gè)壓力測(cè)量傳感器用于測(cè)量穩(wěn)壓罐內(nèi)的壓力；所述的液體流量傳感器用于測(cè)量穩(wěn)壓罐出口的液體的流量；所述的氣體流量傳感器用于檢測(cè)供氣系統(tǒng)的單向節(jié)流閥出口的氣體流量。
[0014]所述回收清理系統(tǒng)包括一個(gè)回收罐，所述的回收罐包括按照設(shè)定的順序上下疊置起來(lái)的多層布篩網(wǎng)，且各層的各篩網(wǎng)目數(shù)不同，回收所得固體顆粒重復(fù)利用。
[0015]所述的回收罐入口端通過(guò)管匯與模擬井筒出口相連，流體進(jìn)入到回收罐，通過(guò)篩網(wǎng)層層過(guò)濾，固體顆粒依次滯留在不同的目篩網(wǎng)上，液體通過(guò)篩網(wǎng)，進(jìn)入排液通道。
[0016]所述的模擬井筒為內(nèi)徑50mm、長(zhǎng)6米的垂直放置的有機(jī)玻璃管，其頂端和底端處各設(shè)有固體顆粒加砂口。
[0017]所述的垂直井筒中煤粉產(chǎn)出模擬實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法:
[0018]模擬液體在不同壓力條件下的流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)壓罐壓力控制由供壓和穩(wěn)壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，單向節(jié)流閥I關(guān)閉狀態(tài)下，單向節(jié)流閥II和節(jié)流閥共同作用進(jìn)行調(diào)節(jié)模擬井筒底端壓力和流體流量，進(jìn)而改變模擬井筒中流體流動(dòng)狀態(tài)。其中模擬井筒底端壓力數(shù)據(jù)的由壓力傳感器采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端，傳感器壓力標(biāo)定和校正通過(guò)壓力表讀數(shù)完成。
[0019]對(duì)于模擬地層條件下流體排采過(guò)程而言，調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥II控制穩(wěn)壓罐壓力相當(dāng)于改變地層壓力；調(diào)節(jié)節(jié)流閥目的是改變模擬井筒底端壓力，對(duì)應(yīng)而言相當(dāng)于改變井底壓力。穩(wěn)壓罐和模擬井筒底端壓力的壓力是由于地層巖石的物性造成的；當(dāng)節(jié)流閥全部打開，忽略管匯壓力損耗的情況，穩(wěn)壓罐壓力和模擬井筒底端壓力是相等的，此時(shí)可將穩(wěn)壓罐看作水平井的水平段，而模擬井筒則是水平井的垂直井段。
[0020]模擬氣液兩相在不同壓力條件下的流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，氣液兩種流體進(jìn)入模擬井筒之前混合，氣液兩種流體進(jìn)入模擬井筒之前混合，液體流經(jīng)管匯上的節(jié)流閥和液體流量計(jì)、穩(wěn)壓罐、單向節(jié)流閥I1、分流器串聯(lián)，氣體管匯上的單向節(jié)流閥1、氣體流量計(jì)和分流器串聯(lián)，兩條路徑并聯(lián)在一起和空氣壓縮機(jī)聯(lián)通；此時(shí)單向節(jié)流閥I1、單向節(jié)流閥I1、節(jié)流閥三者同時(shí)影響流體的流動(dòng)，兩個(gè)路徑的流體流量通過(guò)液體流量計(jì)、氣體流量計(jì)標(biāo)定。首先通過(guò)調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥I調(diào)節(jié)穩(wěn)壓罐壓力，穩(wěn)壓罐壓力穩(wěn)定后調(diào)節(jié)節(jié)流閥進(jìn)行流體流量的調(diào)節(jié)，同時(shí)調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥II調(diào)節(jié)氣體流量。相應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)中定產(chǎn)量生產(chǎn)，定壓生產(chǎn)條件，實(shí)際操作中可以以氣液流量為調(diào)節(jié)對(duì)象，也可以以模擬井筒底端壓力為調(diào)節(jié)對(duì)象，完成這一過(guò)程，便可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置模擬流動(dòng)狀態(tài)。不同壓力條件，不同流量條件氣液兩相在模擬井筒中流動(dòng)形態(tài)變化很大，表現(xiàn)為泡流，段塞流，環(huán)流，霧流，其相應(yīng)的流動(dòng)參數(shù)和條件參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來(lái)。
[0021]模擬煤層氣井垂直井筒中煤粉產(chǎn)出過(guò)程時(shí)，需要準(zhǔn)備加砂環(huán)節(jié)，通過(guò)模擬井筒上下兩端的加砂裝置，可以將混合均勻的煤水混合液注入到模擬井筒中。
[0022]本發(fā)明的有益效果如下:
[0023]本發(fā)明可以提供一種煤層氣垂直井筒煤粉產(chǎn)出模擬評(píng)價(jià)裝置，用來(lái)模擬煤粉被攜帶產(chǎn)出或在井筒中沉降的條件和影響因素，測(cè)量煤粉顆粒的沉降速度，為煤層氣井的排采設(shè)計(jì)提供依據(jù)；它還涉及垂直井筒中的氣、液、固多相流動(dòng)，因此還可以用來(lái)模擬垂直井筒中多相流動(dòng)規(guī)律。
【附圖說(shuō)明】
[0024]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0025]圖1是發(fā)明的主體示意圖，
[0026]圖2是發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0027]圖中:1穩(wěn)壓罐、2模擬井筒、3回收罐、4采集器及計(jì)算機(jī)終端、5空氣壓縮機(jī)、6高速攝像儀、7液體流量傳感器、8壓力傳感器、9氣體流量傳感器、10壓力傳感器、11壓力表、12壓力表、13壓力表、14氣體流量計(jì)、15液體流量計(jì)、16分流器、17單向節(jié)流閥1、18節(jié)流閥、19壓力傳感器、20單向節(jié)流閥I1、21PIV粒子成像測(cè)速儀。
【具體實(shí)施方式】
[0028]實(shí)施例1
[0029]如圖1，2所示，一種垂直井筒中煤粉產(chǎn)出模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括提供恒定流速氣體的供氣系統(tǒng)；提供恒定流速液體的供液系統(tǒng)；可調(diào)節(jié)的供壓及穩(wěn)壓系統(tǒng)；智能化多功能數(shù)據(jù)及圖像采集處理系統(tǒng)；以及設(shè)置于模擬井筒系統(tǒng)出口的用于流體和分離的進(jìn)的回收及清理系統(tǒng)；具體包括封閉耐壓容器穩(wěn)壓罐1、高強(qiáng)度有機(jī)玻璃管柱2、可以回收利用固體顆粒并具有排污水作用的回收罐3、智能化易操作的采集器及計(jì)算機(jī)終端4、供壓供氣設(shè)備空氣壓縮機(jī)5、高速攝像儀6、各類電子數(shù)據(jù)采集裝置液體流量傳感器7、氣體流量傳感器9、壓力傳感器8、10、19、常規(guī)儀表壓力表11、12、13、氣體流量計(jì)14、液體流量計(jì)15，將供壓和供氣系統(tǒng)串聯(lián)起來(lái)的分流器16，閥門和控制閥門單向節(jié)流閥117、1120，節(jié)流閥18可以精確測(cè)量流動(dòng)速度以及流場(chǎng)的PIV粒子成像測(cè)速儀21。
[0030]其中，所述的供液系統(tǒng)主要包括封閉穩(wěn)壓罐1、節(jié)流閥18及液體流量計(jì)15，穩(wěn)壓罐I入口端經(jīng)閘閥21與液源連接，罐內(nèi)氣體的壓力為常壓狀態(tài)的情況下，打開連接閘閥21可以向罐內(nèi)添加液體。供壓系統(tǒng)加壓時(shí)，閘閥21處于關(guān)閉狀態(tài)，穩(wěn)壓罐出口端液體在壓力驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)節(jié)流器18、液體流量計(jì)15向模擬井筒流動(dòng)；
[0031]所述供氣系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)5、分流器16、單向節(jié)流閥16及氣體流量計(jì)14，空壓機(jī)5氣體出口端氣體經(jīng)過(guò)分流器15分流，部分氣體經(jīng)過(guò)單向節(jié)流閥16流入支線路徑，經(jīng)主線路徑流向模擬井筒。該系統(tǒng)可以用高壓貯氣瓶代替空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)；
[0032]所述供壓及穩(wěn)壓系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)5、分流器16、穩(wěn)壓罐I以及壓力表11?？諌簷C(jī)5出口端氣體流經(jīng)分流器16，單向節(jié)流閥1120部分氣體流向穩(wěn)壓罐1，由于氣體在穩(wěn)壓罐5中壓縮，形成驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的壓力，其中節(jié)流閥的調(diào)節(jié)可以控制穩(wěn)壓罐I驅(qū)動(dòng)壓力；
[0033]所述的數(shù)據(jù)及圖像采集處理系統(tǒng)由液體流量計(jì)15、氣體流量計(jì)14、壓力表11、12、13、壓力測(cè)量傳感器8、10、19、液體流量傳感器7、氣體流量傳感器9、液體流量計(jì)15、