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原文传递测量深水气井环空测试液保温性能的装置及方法

专利名称：	测量深水气井环空测试液保温性能的装置及方法
摘要：	本发明涉及一种测量深水气井环空测试液保温性能的装置，包括：井筒、气体供给系统、热水供给系统、环空测试液供给系统、液膜测量系统、液滴测量系统、温度测量系统、压力测量系统、气液混合器、气液分离器；液膜测量系统用于测量井筒内管气液两相环雾流动中液膜的流量；液滴测量系统用于测量井筒内管气液两相环雾流动中液滴的速度和尺寸；温度、压力测量系统实时监测内管和环空管上下两端的温度和压力数据，并将监测到的温度、压力数据传输到计算机。本发明能够准确测量环雾流条件下井筒内液滴的速度和尺寸、液膜的流量以及井筒出入口的温度压力，获得具体的传热参数，进而计算环空测试液的对流换热系数，测量环空测试液的保温性能。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	中国石油大学(华东)
发明人：	王志远;刘徽;孙宝江;张振楠;张超;弓正刚
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-24T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-17T00:00:00+0800
申请号：	CN201910069313.5
公开号：	CN109765265A
代理机构：	北京思格颂知识产权代理有限公司
代理人：	潘珺;杨超
分类号：	G01N25/20(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	266580 山东省青岛市黄岛区经济技术开发区长江西路66号
主权项：	1.一种测量深水气井环空测试液保温性能的装置，包括：井筒、气体供给系统、热水供给系统、环空测试液供给系统、液膜测量系统、液滴测量系统、温度测量系统、压力测量系统、气液混合器、气液分离器；其特征在于：气体供给系统、热水供给系统分别用于向井筒注入气体和热水；环空测试液供给系统用于向环空中注入测试液；液膜测量系统用于测量井筒内管气液两相环雾流动中液膜的流量；液滴测量系统用于测量井筒内管气液两相环雾流动中液滴的速度和尺寸；气液混合器用于混合气体供给系统和热水供给系统提供的气体和热水，再注入井筒内管；温度、压力测量系统实时监测内管和环空管上下两端的温度和压力数据，并将监测到的温度、压力数据传输到电脑。 2.根据权利要求1所述的测量深水气井环空测试液保温性能的装置，其特征在于：井筒，包括：内管和环空管，内管与环空管同心设置，内管位于井筒内腔正中心，环空管与内管之间形成环空，内管上部依次连接液膜测量系统、液滴测量系统和气液分离器，由内管底部注入热流体，热流体为气体与热水经气液混合器混合过后的混合流体，热流体依次匀速流过井筒、液膜测量系统、液滴测量系统和气液分离器，气液混合流体经气液分离器分离后，气体由排气管线排入大气，液体通过排液管线排出；内管底部通过管线连接气液混合器，热流体通过管线由气液混合器进入内管底部。 3.根据权利要求1-2所述的测量深水气井环空测试液保温性能的装置，其特征在于：环空管与内管之间的环空为环空测试液管路，环空测试液供给系统提供的测试液由环空管顶部入口进入，从环空管底部流出，环空测试液由上往下匀速流动，与热流体流动方向相反。 4.根据权利要求1-3所述的测量深水气井环空测试液保温性能的装置，其特征在于：液膜测量系统，包括：液膜收集器、除液膜口、第四球形阀、第三液体玻璃转子流量计；液膜收集器安装在内管外部，为圆柱形容器，通过除液膜口与内管相通，除液膜口为内管在液膜收集器内开的小口，高度为10mm，用于除去内管中管壁上的液膜，避免液膜影响液滴的测量；液膜以远低于气体和液滴的速度向上流动，混合流体流经除液膜口时，液膜由于内管与液膜收集器之间中的压力差被推出内管，从内管中分离出去，液滴以接近气体的速度流动，它们较大的惯性使其继续向上流动，避免了从内管中移除；液膜收集器中收集的液膜通过液膜回注管线经第四球形阀、第三液体玻璃转子流量计流入循环水罐，通过第三液体玻璃转子流量计测量液膜的流量；除液膜口上部有一段管流段，使气流场恢复至除液膜之前的状态，避免气流场形态变化影响液滴的测量结果。 5.根据权利要求1-4所述的测量深水气井环空测试液保温性能的装置，其特征在于：液滴测量系统，包括：液滴测量窗口、抗反射玻璃、三维粒子动态分析仪；液滴测量窗口形状为长方体形容器，顶部和底部都与内管相连，左右两侧壁面为抗反射玻璃；三维粒子动态分析仪发出的激光束通过抗反射玻璃聚焦于内管中向上运动的液滴，三维粒子动态分析仪安装有PDA接受探头、3维速度测量探头以及二维FiberFlow探头三个探头；通过调节三维粒子动态分析仪自带的位移系统能够对测量点进行上下左右四个方向上的移动，即能对液滴测量窗口内不同位置处液滴的速度和尺寸进行测量；三维粒子动态分析仪与电脑连接，通过电脑上的BSA Flow软件对三维粒子动态分析仪测量得到的数据进行处理，可以导出环雾流条件下垂直内管测量部位不同位置处液滴的三维速度分布以及液滴的平均尺寸。 6.根据权利要求1-5所述的测量深水气井环空测试液保温性能的装置，其特征在于：温度测量系统，包括：第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器；第一温度传感器安装于内管的下端入口处；第二温度传感器安装于内管的上端；第三温度传感器安装于环空管的上端入口处；第四温度传感器安装于环空管的下端。 7.根据权利要求1-6所述的测量深水气井环空测试液保温性能的装置，其特征在于：压力测量系统，包括：第一压力计、第二压力计、第三压力计、第四压力计、第五压力计、第六压力计、第七压力计；第一压力计安装于内管的下端入口处，第二压力计安装于内管的上端，第三压力计安装于环空管的上端入口处，第四压力计安装于环空管的下端，分别用来实时监测内管和环空管上下两端的压力，并将压力数据传输至电脑；第五压力计安装于气体玻璃转子流量计的上游，第六压力计安装于第一液体玻璃转子流量计的上游，第七压力计安装于第二液体玻璃转子流量计的上游。 8.根据权利要求1-7所述的测量深水气井环空测试液保温性能的装置，其特征在于：液滴测量窗口上部流出的气体与液滴混合流体经气液分离器处理，气体由排气管线注入空气中，液体经排水管线进入循环水罐，维持液相的循环流动。 9.根据权利要求1-8所述的测量深水气井环空测试液保温性能的装置，其特征在于：气体供给系统，包括：空气压缩机、注气管线、高压气罐、干燥机、第一球形阀、气体玻璃转子流量计；注入空气由空气压缩机产生，通过注气管线依次经过高压气罐、干燥机、第一球形阀、气体玻璃转子流量计进入气液混合器；热水供给系统，包括循环水罐、含加热器水罐、电加热温控系统、第二球形阀、第一液体齿轮泵、注水管线第一液体玻璃转子流量计；循环水罐中的水通过注水管线依次经过含加热器水罐、第二球形阀、第一液体齿轮泵、第一液体玻璃转子流量计进入气液混合器的液体入口；含加热器水罐中设有电加热温控系统，电加热温控系统能够对含加热器水罐中的水进行加热，并进行恒温控制；环空测试液供给系统，包括：储液罐、第三球形阀、第二液体齿轮泵、第二液体玻璃转子流量计、注液管线；储液罐中配置好的环空测试液通过注液管线经第三球形阀、第二液体齿轮泵、第二液体玻璃转子流量计进入环空管上端的液体入口，环空管下端流出的环空测试液返注入储液罐，保持环空测试液的循环流动；内管外径60mm，内径55mm，环空管外径120mm，内径110mm。 10.一种测量深水气井环空测试液保温性能的方法，采用权利要求1-9所述测量深水气井环空测试液保温性能的装置，其特征在于，步骤如下： (1)实验前，关闭所有阀门，将已经配置好设定参数的环空保温测试液注入储液罐，向循环水罐、含加热器水罐中注水，打开电加热器温控系统，将含加热器水罐中的水加热到预期的温度，控制温度保持恒定； (2)缓缓打开第一球形阀，第五球形阀，启动空气压缩机，启动干燥机，向井筒内管中注气，调节第一球形阀的开度直至气体玻璃转子流量计刻度流量为设定的气体流量值； (3)打开第二球形阀和第一液体齿轮泵，向井筒内管注入热水，调节第一液体齿轮泵的转速直至第一液体玻璃转子流量计显示的刻度流量为设定的热水流量值，打开第四球形阀； (4)打开第三球形阀和第二液体齿轮泵，往环空管内注入环空测试液，调节第二液体齿轮泵的转速，直至第二液体玻璃转子流量计的刻度流量为设定的环空测试液流量值； (5)当流动达到稳定后，通过三维粒子动态分析仪测量内管中液滴的速度和尺寸，通过电脑上的BSA Flow软件得到液滴的平均直径dm和速度ud； (6)通过气体玻璃转子流量计读取气体的流量Qg，第一液体玻璃转子流量计读取水的的流量Qw；第二液体玻璃转子流量计读取保温测试液的的流量QL，第三液体玻璃转子流量计读取液膜的流量QLf； (7)通过第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器分别采集内管、环空管上下两端的温度Tt1、Tt2、Ta1、Ta2，通过第一压力计、第二压力计、第三压力计、第四压力计分别采集内管和环空管上下两端的压力Pt1、Pt2、Pa1、Pa2； (8)保持热水的流量不变，调节第一球形阀的开度，改变气体的流量，重复步骤(2)～(6)采集每个气体流量下的实验数据； (9)配置不同粘度、密度、切力的环空保温测试液，重复上述步骤，测量不同物性参数的环空测试液条件下的实验数据； (10)综合上述实验得到的数据计算环空保温测试液对流换热系数ha，方法如下： ①根据步骤(6)测量得到的液膜流量，以及内管中液体的粘度、密度、比热容等参数，通过公式(1)计算液膜的对流换热系数hF；式中，NuF为液膜的努塞尔数，λL为液体的导热系数W/(m·K)，dF为内管的内径，m； ②气核中的分散液滴有着比液膜更大的气液接触面积，很大程度上影响着气核与液膜间的热量传递，根据步骤(5)测量得到的液滴直径，液滴速度以及气体的粘度，导热系数等数据，通过公式(2)计算气核与液膜间的对流换热系数hC；式中Numc为气液混合流体的努塞尔数；λC为气体的导热系数，W/(m·K)；dC为气核的直径，m；Remc，Prmc为气核中混合流体的雷诺数和普朗特数； ③通过公式(3)计算内管中混合流体的密度ρm，通过公式(4)计算内管中混合流体的流速um，根据测步骤(7)测得的温度Tt1、Tt2、Ta1、Ta2，通过公式(5)反算环空测试液的对流换热系数ha； ρm＝ρgfg+ρL(1-fg) (3) 式中，ρg为气体的密度，Kg/m3，ρL为液体的密度，Kg/m3，fg为空隙率，Aa、At分别为环空管和内管的面积，m2；rto、rti分别为环空管和内管的半径，m；kt为内管壁的导热系数，W/(m·℃)；Cpa为环空测试液的比热，J/(kg·℃)，ua为环空管中测试液的流速； (11)环空管中的热流密度为对流换热系数ha与温度差的乘积，如公式(6)所示，因此，对流换热系数ha越小，内管101中流体通过环空对流向外散发的热量越少，环空测试液的保温性能就越好，通过对比步骤(10)得到的不同粘度、密度、切力的环空测试液的对流换热系数ha，能够比较不同环空测试液的保温性能，分析环空保温测试液的保温机理； qa＝haΔt (6) qa为单位时间内管与环空管间的热流密度，W/m2，Δt为内管与环空管间的温差，℃。
所属类别：	发明专利