一种模拟在复杂地下环境里耦合作用下裂隙网络两相流流动的实验装置

摘要

本发明公开了一种模拟在复杂地下环境里耦合作用下裂隙网络两相流流动的实验装置，属于模拟两相流体实验装置领域。该装置包括一套岩石裂隙网络模型、一套电热板、一套水平放置台、一套加压装置、一套红外测温仪、一套高清摄像机、两套蠕动泵、两套供流箱、一套油水回收箱。岩石裂隙网络模型放置在电热板上，电热板可通过改变温度模拟地下不同深度处石油所处环境温度的变化，可以模拟温度场，并在岩石裂隙网络模型两侧安装有加压装置，通过加压模拟地下石油渗流时周围岩石产生的地压，可以模拟压力场，可通过改变加压装置压力值的大小模拟不同深度处地压值的变化。能模拟地下的复杂环境中地压、温度对于两相流的影响，考虑温度场、压力场、流场的耦合作用。

说明书

技术领域

本发明涉及模拟两相流体实验装置领域，具体涉及在模拟复杂的地下环境下，来检测和研究在温度场、流场、压力场耦合作用下岩石裂隙网络油水两相流流动特性。

背景技术

近年来不相容的两相流在越来越多的技术领域得以被关注，例如石油的开采、核能、CO2存储、医学等领域。而作为其中一种类型的液液两相流相对于气液两相流、固液两相流、气固两相流来说研究还较为薄弱，但其在实际中的应用确是十分重要，尤其是在石油开采领域，油水两相流越来越受到人们的广泛关注。在经济快速发展的今天，各国对石油的需求量不断提高，如何更高效的开采石油成为一个人们所要考虑的问题。由于现在石油的不断开采，导致油压不断降低，石油无法通过自身压力喷射出来，所以往往需要通过向油井内压水来提高开采的油量，随着开采时间延长石油中的含水量越来越高，开采过程中往往是油水两相流的情况，石油存在的岩石裂隙为渗流提供了通道，所以研究油水两相流对于石油的开采具有很重要的意义。

石油往往大部分集中在地下浅层或中深层，油水两相在地下岩体裂隙中渗流时，周围环境的地下温度往往高于地上温度，周围也存在岩石造成的地压，实际的地下环境往往比实验时的周围环境要复杂的多，但已有的模拟两相流实验装置都是单纯实现两相接触流动的简易装置，只是在室内环境下进行两相流实验的，而室内实验的温度通常远远不到石油地下环境的温度，且已有装置无法模拟周围岩石造成的地压，所以不考虑地下环境因素影响而进行的实验是不够准确的，不能得到真实的两相流实验规律。由于现有的装置无法模拟在复杂地下环境下岩体裂隙中油水两相在实际生产过程中的真实流动状态，所以设计出一个可以在模拟地压和地下温度条件下，可视化的观测在不同流速、不同注入口排出口时油水在裂隙中流动规律的装置是很有必要的。

中国专利公开号CN107084914A，公开了一种裂隙网络两相流实验装置及方法，但是其装置仅仅考虑通过压力控制流体的进出，但是未考虑其他因素对两相流规律的影响，通常温度和地压对于油水两相流的影响也是很重要的影响因素。

发明内容

由于上述背景技术中所存在的问题，本发明的目的就是提供一个模拟在温度场、压力场、流场耦合作用下研究裂隙网络中两相流流动规律的装置。

一种模拟在复杂地下环境里耦合作用下裂隙网络两相流流动的实验装置，该装置包括水平放置台、电热板、岩石裂隙网络模型、加压装置、流量计、T型三通转换头、透明软管、控制水进入T型三通转换头的阀门、控制油进入T型三通转换头的阀门、控制水注入口数量的阀门、控制油注入口数量的阀门、阀门、水分流器、油分流器、流体分流器、抽水蠕动泵、抽油蠕动泵、水供流箱、油供流箱、油水回收箱、高清摄像机、红外测温仪。

岩石裂隙网络模型由岩石板和有机玻璃板制作而成，岩石板在岩石裂隙网络模型下层，有机玻璃板在岩石裂隙网络模型上层。岩石板内刻有二维裂隙网络，并通过粘结胶与有机玻璃板相粘结，岩石裂隙网络模型的裂隙注入口及出口处均安装有出口转换头，用来连接裂隙出入口与透明软管。岩石裂隙网络模型放置在电热板上，电热板可通过改变温度模拟地下不同深度处石油所处环境温度的变化，可以模拟温度场，并通过红外测温仪测量流体在岩石裂隙网络模型的裂隙中流动时，岩石裂隙网络模型不同处的温度。岩石裂隙网络模型与电热板放置在水平放置台上，以保证实验时岩石裂隙网络模型始终保证水平。

岩石裂隙网络模型两侧安装有加压装置，通过加压模拟地下石油渗流时周围岩石产生的地压，可以模拟压力场，可通过改变加压装置压力值的大小模拟不同深度处地压值的变化。

岩石裂隙网络模型排出口处通过出口转换头连接透明软管，并在透明软管上安装有阀门和流量计，流量计负责测量各排出口透明软管中排出液体的流量多少。透明软管另一侧与流体分流器相连，流体分流器一端与排出口处透明软管连接另一端与另一根透明软管连接，使流体通过一根透明软管排出，并将另一根透明软管与油水回收箱连接，使排出的流体通过透明软管流入油水回收箱。

油供流箱中装有油并与与抽油蠕动泵相连接，水供流箱中装有水并与抽水蠕动泵相连，抽水蠕动泵、抽油蠕动泵可调节流速来控制水、油的流动。

岩石裂隙网络模型可设置多个注入口，以其中一注入口为例。在注入口处通过出口转换头连接透明软管，并在透明软管上安装流量计，流量计用来测量进入各注入口的流体流量，透明软管通过T型三通转换头与另外两根软管相连接，两根透明软管按方向分为左侧透明软管和右侧透明软管，左侧透明软管靠近T型三通转换头处安装有控制水进入T型三通转换头的阀门，左侧透明软管另一侧与水分流器连接，并在靠近水分流器处安装控制水注入口数量的阀门，水分流器一端与左侧透明软管连接另一侧引出一透明软管与抽水蠕动泵相连接。同样右侧透明软管靠近T型三通转换头处安装有控制油进入T型三通转换头的阀门，右侧透明软管另一侧与油分流器连接，并在靠近油分流器处安装控制油注入口数量的阀门，油分流器一端与右侧透明软管连接另一侧引出一透明软管与抽油蠕动泵相连接。

岩石裂隙网络模型上侧设有高清摄像机，通过高清摄像机实时记录油水两相在岩石裂隙网络模型中的流动情况。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果；

1、能模拟地下的复杂环境中地压、温度对于两相流的影响，考虑温度场、压力场、流场的耦合作用。

2、可以通过流速控制油水的进入，并通过流量计实时监测注入口、排出口的流量变化。

3、可以独立控制油、水各自的注入口数量及位置。

附图说明

图1是本发明所设计的一种模拟在复杂地下环境里耦合作用下裂隙网络两相流流动的实验装置结构示意图。

图2是实验装置中岩石裂隙网络模型的结构示意图。

图3是实验装置中T型三通装换头的结构示意图。

图中所示：1-水平放置台；2-电热板；3-岩石裂隙网络模型；3a-岩石板；3b-有机玻璃板；3c-出口转换头；4-加压装置；5-流量计；6-T型三通转换头；6a-透明软管a；6b-透明软管b；6c-透明软管c；7a-控制水进入T型三通转换头的阀门；7b-控制油进入T型三通转换头的阀门；8a-控制水注入口数量的阀门；8b-控制油注入口数量的阀门；9a-水分流器；9b-油分流器；9c-流体分流器；10-抽水蠕动泵；11-抽油蠕动泵；12-水供流箱；13-油供流箱；14-油水回收箱；15-高清摄像机；16-阀门。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的说明。

本发明所要解决的技术问题在于设计了一个在温度场、压力场、流场耦合作用下研究裂隙网络中两相流流动规律的装置，该装置能够模拟在石油开采过程中，处于复杂地下环境中的油水两相在岩石裂隙中的流动情况。该装置不仅能够模拟地下的温度和地压，还能够模拟油、水不同流速、不同注入口注入、不同排出口排出时油水两相在岩石裂隙中的流动规律，并通过流量计测量不同注入口、排出口的流量，以得到比例关系。综合考虑了温度场、压力场、流场耦合作用对于油水两相流的影响。

图1是本发明所设计的一种模拟在复杂地下环境里耦合作用下裂隙网络两相流流动的实验装置结构示意图。

一种模拟在复杂地下环境里耦合作用下裂隙网络两相流流动的实验装置，该装置包括水平放置台1、电热板2、岩石裂隙网络模型3、加压装置4、流量计5、T型三通转换头6、控制水进入T型三通转换头的阀门7a、控制油进入T型三通转换头的阀门7b、控制水注入口数量的阀门8a、控制油注入口数量的阀门8b、水分流器9a、油分流器9b、流体分流器9c、抽水蠕动泵10、抽油蠕动泵11、水供流箱12、油供流箱13、油水回收箱14、高清摄像机15、阀门16，图中实线连接线为透明软管。电热板2置于水平放置台1上，以保证整个实验装置的水平；岩石裂隙网络模型3置于电热板2上，岩石裂隙网络模型3的两侧安装有加压装置4，岩石裂隙网络模型3的注入口接出的透明软管与T型三通转换头6相连，并在透明软管上安装流量计5，T型三通转换头6的另两个接头分别连接两根透明软管，两根透明软管分别与水分流器9a和油分流器9b的一侧连接，在与水分流器9a一侧连接的透明软管上依次安装有控制水进入T型三通转换头的阀门7a、控制水注入口数量的阀门8a；在与油分流器9b一侧连接的透明软管上依次安装有控制油进入T型三通转换头的阀门7b、控制油注入口数量的阀门8b，水分流器9a另一侧与抽水蠕动泵10相连并连接到水供流箱12，油分流器9b的另一侧与抽油蠕动泵11相连并连接到油供流箱13。岩石裂隙网络模型3排出口接出的透明软管与流体分流器9c相连，并在透明软管上安装阀门16、流量计5，流体分流器9c另一侧与油水回收箱14相连，岩石裂隙网络模型3的正上方布置有高清摄像机15，高清摄像机15用于拍摄记录岩石裂隙网络模型的裂隙中液体的流动情况。

图2是实验装置中岩石裂隙网络模型的结构示意图。岩石裂隙网络模型3包括岩石板3a、有机玻璃板3b、出口转换头3c、流量计5、阀门16。实验时，在岩石板3a上雕刻裂隙，裂隙的隙宽、隙长、裂隙深度和裂隙分布根据实验所需自行进行设计；裂隙注入口和裂隙排出口处的裂隙宽度、深度要大于岩石裂隙网络模型3内的裂隙宽度和裂隙深度，以保证进入的液体在裂隙全断面中流动，岩石板3a布设在岩石裂隙网络模型3的下层，有机玻璃板3b布设在岩石裂隙网络模型3的上层，有机玻璃板3b通过粘结胶与岩石板3a粘结，图2示例只给出了其中的一种裂隙分布。出口转换头3c安装在岩石裂隙网络模型3的出入口处，出口转换头3c一端为正方形且与岩石裂隙网络模型3相连，出口转换头3c另一端为圆形且与透明软管相连，通过出口转换头3c使岩石裂隙网络模型3与透明软管相连。加压装置4安装在岩石裂隙网络模型3的两侧，用于模拟地压和实验中的压力场；阀门16和流量计5设置在与排出口相连的透明软管上。

图3是实验装置中T型三通装换头的结构示意图。T型三通转换头6的三通道分别与透明软管a6a、透明软管b6b和透明软管c6c连接，控制水进入T型三通转换头的阀门7a，控制油进入T型三通转换头的阀门7b。透明软管a6a为水流动的软管，透明软管b6b为油流动的软管，透明软管c6c为油水混合流体进入裂隙模型的软管。

现有的实验装置中要么油水一起从同一注入口注入，要么从不同的注入口注入，不能独立地控制油、水的注入口，T型三通转换头的作用就是油水既可以从同一注入口注入也可以从不同注入口注入，在油、水选注入口的时候能独立地选择实验时需要油、水分别从哪几个口注入。

如图3所示，具体的操作为当水从水分流器9a流入到透明软管a，当油从油分流器9b流入到透明软管b中时，关闭控制水进入T型三通转换头的阀门7a和控制油进入T型三通转换头的阀门7b，如果水和油的流速不一样，当水的流速快于油的流速时，水会先流到控制水进入T型三通转换头的阀门7a，这时候打开控制水进入T型三通转换头的阀门7a，保持控制油进入T型三通转换头的阀门7b处于关闭，水通过T型三通转换头6流入到透明软管c中，当流速慢的油流到控制油进入T型三通转换头的阀门7b时，打开控制油进入T型三通转换头的阀门7b，让油通过T型三通转换头6流入到透明软管c中，一直保持控制水进入T型三通转换头的阀门7a和控制油进入T型三通转换头的阀门7b处于打开状态，这时油水两相就同时从T型三通转换头6流入到透明软管c中。

控制水进入T型三通转换头的阀门7a、控制油进入T型三通转换头的阀门7b的作用是防止油、水经T型三通转换头6流入到对方的软管中，如果没有控制水进入T型三通转换头的阀门7a和控制油进入T型三通转换头的阀门7b，水的速度如果快于油，则水会先流到T型三通转换头6，这时水会通过T型三通转换头6分别流入到透明软管b和透明软管c中，在透明软管b中的油可能会与流入其中的水混相，造成实验结果的不能反映真实的规律。

将实验装置连接完成后，根据所需要模拟的地下环境，调节电热板2和加压装置4，将电热板2的温度调为需要模拟的地下温度，将加压装置4调为需要模拟的地压。根据实验所需通过开闭控制水注入口数量的阀门8a、控制油注入口数量的阀门8b确定水、油注入口的数量，通过开闭阀门16确定排出口的数量。根据实验所需要的油、水流速分别调节抽油蠕动泵11、抽水蠕动泵10的流速大小。水供流箱12通过抽水蠕动泵10将水注入到水分流器9a的一端，油供流箱13通过抽油蠕动泵11将油注入到油分流器9b的一端，水分流器9a、油分流器9b的另一端同时各连接有五根透明软管，水、油分别通过打开的控制水注入口数量的阀门8a、控制油注入口数量的阀门8b由水分流器9a、油分流器9b流入到透明软管a、透明软管b，透明软管a、透明软管b的另一端分别装有控制水进入T型三通转换头的阀门7a、控制油进入T型三通转换头的阀门7b，关闭所有控制水进入T型三通转换头的阀门7a和控制油进入T型三通转换头的阀门7b，根据水、油在透明软管a、透明软管b中的流动情况，哪根透明软管a或透明软管b中的流体快流到控制水进入T型三通转换头的阀门7a或控制油进入T型三通转换头的阀门7b时打开上面的控制水进入T型三通转换头的阀门7a或控制油进入T型三通转换头的阀门7b，通过打开的控制水进入T型三通转换头的阀门7a、控制油进入T型三通转换头的阀门7b使水、油通过T型三通转换头6流入到透明软管c，并通过出口转换头3c注入到岩石裂隙网络模型3中，观察油水两相在岩石裂隙网络模型3中的流动情况，并通过高清摄像机15进行记录，在渗流过程中通过红外测温仪测量岩石裂隙网络模型3的温度，当流体流满整个裂隙后，从阀门16打开的透明软管中流出，经流体分流器9c汇集流入到油水回收箱14中。通过实验中注入口处的流量计5，测量不同注入口注入岩石裂隙网络模型3时的流量，通过计算得到不同注入口注入的流体流量比例，通过排出口处的流量计5测量排出的流量，计算得到不同排出口排出岩石裂隙网络模型的流体流量比例。

实验过程按以下步骤进行：

步骤1、制作岩石裂隙网络模型3，确定实验裂隙的隙宽，隙长，裂隙深度，裂隙分布。

步骤2、将裂隙网络两相流流动的实验装置进行预先调试。

步骤3、分别将电热板2的温度、加压装置4的加压值、抽水蠕动泵10、抽油蠕动泵11的流速调到实验所需，并调节控制水注入口数量的阀门8a、控制油注入口数量的阀门8b、阀门16的开闭来控制油、水注入口的数量和位置以及排出口的数量及位置。

步骤4、按步骤3的实验过程进行油水两相流的实验。

步骤5、记录流量计5中的流量大小，并得到流量的比例关系。

步骤6、重复步骤2到步骤5，调整所需要的实验变量值的大小，进行多组实验。

步骤7、实验完成后，整理实验装置，以便下次实验使用。

流体进入时温度为常温，进入岩石裂隙网络模型后，由于岩石裂隙网络模型的温度较高，所以在两相流的过程中流体的温度也会慢慢变高，排出口处与注入口处的流动规律可能会有所不同，所以温度的考虑是很有必要的，并通过红外测温仪测量岩石裂隙网络模型的温度，看两相流过程中模型的温度是否有变化。在岩石裂隙网络模型两侧加压后，油水两相在岩石裂隙网络模型中的流动规律也会有变化。所以说模拟地下环境中的温度以及地压，考虑其对油水两相流规律的影响是很有必要的。所以本发明装置既可以模拟地下环境的温度和地压，又可以模拟不同油、水注入的流速，以及模拟不同油、水的注入口和排出口，能够考虑多种因素对油水两相在岩石裂隙网络模型中渗流规律的影响。综上，本发明设计的一种模拟在复杂地下环境里耦合作用下裂隙网络两相流流动的实验装置具有较强的实用价值。