测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置及方法

摘要

本发明涉及的是测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置及方法，其中测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置包括多相流装置、超声多普勒测速装置、涡流工具，多相流装置包括气体分配管路、液体分配管路、导轨、行车起吊机构、手动卷扬机、有机玻璃管测量机构、电控装置、计算机，空气压缩机经气体分配管路连接至混合器，水槽经由泵、液体分配管路连接混合器，混合器经管线分别连接相应的有机玻璃管，该管线安装电动阀；其中一个有机玻璃管内有涡流工具，有机玻璃管安装在移动支架上；超声多普勒测速装置用于对环膜厚度和液相速度进行测量。本发明能够测量不同井斜角及不同气液比条件下经过涡流工具后井筒内环膜的厚度及液相的速度。

说明书

技术领域

本发明涉及涡流工具排水采气技术，具体涉及测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置及方法。

背景技术

在气井生产过程中，由于天然气生产初期，地层能量供给充足，产气量高；随着生产的进行，地层能量逐渐降低导致产气量降低，气流产生的向上托举力不足，气井积液无法随着气流一起带出并在井底逐渐积聚，能量损失变大，产气量进一步减少。在气井出水初期，能量供给充足，气量能够携带积液至地面；气井出水中后期，随着地层能量的衰竭和出水量的增大，气藏的压力和流动速度逐步降低，致使井筒中的产出水和凝析液不能完全排出，使其滞留在井中，增加了天然气井产气层的整体回压，液体不断积存造成了气井井底积液。解决井底积液问题的一种重要工艺技术是涡流工具排水采气工艺，利用该工艺可实现对井底积液的气井进行排水采气的目的。

涡流工具排水采气工艺是通过应用涡流工具来实现井下气液分离、产出水回注和采气集于一体的新型排水采气工艺。涡流工具优点是结构简单、体积小、效率高。气液两相流由井底进入井筒，在井筒中的状态由于涡流工具的作用发生了改变。在流经涡流工具之前，气液两相流沿管径方向分布均匀，经过涡流工具后气液两相流由于离心力作用发生分离，中心处形成气柱，管壁处形成液膜。随着气体继续向上举升液体。环绕井筒的的液膜倾角斜率不断增大，且呈逐渐稳定的螺旋状态。整个过程中，由于涡流工具的作用效果不同，环膜的厚度不断变化。因此可以根据环膜厚度及液相速度验证涡流工具排水采气效果。

目前对涡流工具的研究主要集中于利用数值模拟技术进行计算，在设计阶段软件模拟的涡流工具软件中效果很好，但在实际生产中并不能达到预期的效果。主要原因是室内实验验证较少，无法对数值模拟结果进行验证，直接应用于现场工况，效果不够稳定。特别是室内实验研究中经过涡流排水采气工具后产生的旋流及稳定后的环膜厚度测量这一关键性难题一直无法解决。

发明内容

本发明的一个目的是提供测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置，这种测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置用于解决室内实验研究中经过涡流排水采气工具后产生的旋流及稳定后的环膜厚度测量这一关键性难题一直无法解决的问题，本发明的另一个目的是提供测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置进行测量实验的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置包括多相流装置、超声多普勒测速装置、涡流工具，多相流装置包括空气压缩机、气体分配管路、水槽、液体分配管路、移动支架、导轨、行车起吊机构、手动卷扬机、混合器、有机玻璃管测量机构、电控装置、计算机，空气压缩机经由气体分配管路连接至混合器，水槽经由泵、液体分配管路连接至混合器，混合器经管线分别连接相应的有机玻璃管，该管线上安装电动阀，电动阀连接电控装置，每个有机玻璃管通过管线连接气液分离器，气液分离器连接水槽；其中一个有机玻璃管内有涡流工具，有机玻璃管上安装差压传感器、温度传感器、孔隙率变送器，每个有机玻璃管安装在移动支架上，移动支架具有脚轮；导轨由卧式导轨一侧设置立式导轨构成，具有工字形轨道，移动支架倾斜设置在卧式导轨与立式导轨之间，与卧式导轨与立式导轨均通过脚轮滑动连接；每个有机玻璃管均安装差压传感器、温度传感器、孔隙率变送器，气体分配管路、液体分配管路分别安装多个流量计；差压传感器、温度传感器、孔隙率变送器均连接计算机；

超声多普勒测速装置包括超声波探头、超声多普勒测速仪、数据上传分析设备，超声多普勒测速仪通过夹持装置架放于内部有涡流工具的有机玻璃管附近进行非接触式测量，测量时通过夹持装置改变多普勒角，超声多普勒测速仪与计算机连接，超声多普勒测速装置用于对环膜厚度和液相速度进行测量。

上述方案中气体分配管路由三条流量分配管线并联构成，每条流量分配管线均安装流量计和阀门，气体分配管路经稳定罐连接混合器。

上述方案中液体分配管路由三条流量分配管线并联构成，每条流量分配管线均安装流量计和阀门。

上述测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置进行测量实验的方法：

步骤一、确定实验所选择的有机玻璃管直径，有机玻璃管用于模拟井筒，将涡流工具加载至有机玻璃管底部，模拟井筒放涡流工具至井底的现场工况；将超声多普勒测速仪架放于有机玻璃管附近以实现进行非接触式测量；

步骤二、打开电控柜总电源，打开空气压缩机和泵电源，设定气体进入井筒时间的流量和压力，再给定不同液体流量，打开计算机，进行系统加压和流动实验；

步骤三、利用手动卷扬机对移动支架进行牵引拉动，模拟相应斜井段井斜角，若需要移动支架处于垂直位置时，打开行车电源对移动支架进行起吊；

步骤四、对有机玻璃管内液相速度进行测量时，在超声波探头外加套管，并在套管内加入介质水；超声波探头与有机玻璃管壁之间存在多普勒角，因产生的环膜呈螺旋上升趋势，测量时在0°~360°范围内选择测量点，选取周向位置几个测量角度，再从每个周向位置的轴向位置进行测量点的选取；厚度测量选取测量点与此相同；

环膜厚度测量时，在有机玻璃管外壁面涂抹防止超声波衰减的介质，在周向上对0°~360°位置的环膜厚度进行测量；将超声测速探头紧贴有机玻璃管壁面，与有机玻璃管壁面保持垂直；

步骤五、记录有机玻璃管压降数据及对管内气液流态进行拍照，实时输出流动状态参数及液相速度，完成本组实验数据的采集；

步骤六、依次加载不同结构参数的涡流工具，重复步骤一至步骤五，采集不同组别的数据，分析各流动参数变化规律以及液相速度变化；

步骤七、计算液膜厚度，超声波多普勒测速仪基于多普勒效应，超声波在经过两相界面会出现强反射，由于发射和接收信号是有固定的时间间隔，因此通过获得的反射波的频率和强度对两相界面间距离进行计算，本发明有壁面-液膜和液膜-气体两个相界面，其对应的两个较强反射信号峰之间的距离即为环膜厚度；

步骤八、将有机玻璃管斜角和气体分配管路、液体分配管路所模拟的气井生产参数进行改变，得到不同生产工况下的环膜厚度及液相速度。

上述方案中步骤七中环膜厚度的计算方法：

超声多普勒测速仪的超声发射器周期性地发出短超声脉冲，接收器连续性地收到由可能在超声波路径内的目标所产生的回波，环膜厚度为δ，超声波在水中的速度c，当接收器受到的回波出现了第一个较强反射信号开始记录时间T₁，当出现第二个较强反射信号时记录时间T₂，环膜厚度通过以下公式计算：

。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明首次采用多普勒超声测速装置测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度及液相速度，测量和计算方法简单，设备费用低且测量精度较高，精度可达到0.0001m。解决了室内实验涡流工具所在井筒内环膜厚度无法测量的技术难题。从而实现了实验室内对涡流工具排水采气效果的验证，对涡流工具设计结果无法匹配现场实际应用问题提供实验室内参考数据支持和技术支持。

2、本发明可重复利用并且实验过程安全，自动化程度高，可控性强。可匹配不同生产工况和不同工具参数条件进行模拟。

3、本发明实验过程可视，可实时采集图像和观察旋流状态及现象，并可实时输出不同实验条件下的流动状态参数及液相速度，并可通过计算得到该状态下的环膜速度。

4、本发明能够通过改变移动支架角度对不同角度的井斜角进行模拟，可以测量不同井斜角及不同气液比条件下经过涡流工具后井筒内环膜的厚度及液相的速度，可重复利用并且实验过程安全。

附图说明

图1为测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置示意图。

图2为多普勒超声测速装置厚度测量点示意图。

图3为多普勒超声测量装置测量环膜厚度测量点示意图。

图中：1.空气压缩机，2.水槽，3.阀门，4.流量计，5.泵，6.稳定罐，7.混合器，8.电动阀，9.差压传感器，10.孔隙率变送器，11.导轨，12. 超声多普勒测速装置，13.涡流工具，14.有机玻璃管，15.气液分离器，16.温度传感器，17.超声波探头，18.液膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置包括多相流装置、超声多普勒测速装置、涡流工具，多相流装置包括空气压缩机1、气体分配管路、水槽2、液体分配管路、移动支架、导轨11、行车起吊机构、手动卷扬机、混合器7、有机玻璃管测量机构、电控装置、计算机，空气压缩机1经由气体分配管路连接至混合器7，水槽2经由泵5、液体分配管路连接至混合器7，气体分配管路、液体分配管路均连接至混合器7，便于充分混合气液两相。混合器7经管线分别连接相应的有机玻璃管14，该管线上安装电动阀8，电动阀8连接电控装置，每个有机玻璃管14通过管线连接气液分离器15，气液分离器15连接水槽2；其中一个有机玻璃管14内有涡流工具13，每个有机玻璃管14安装在移动支架上；有机玻璃管上安装差压传感器、温度传感器、孔隙率变送器，差压传感器、温度传感器、孔隙率变送器均连接计算机，构成有机玻璃管测量机构。气体分配管路由三条流量分配管线并联构成，每条流量分配管线均安装流量计4和阀门3，气体分配管路经稳定罐6连接混合器7。液体分配管路由三条流量分配管线并联构成，每条流量分配管线均安装流量计4和阀门3。气体分配管路、液体分配管路均设计三条流量分配管线，便于流量调节以及防止仪器损坏留作备用。

导轨11由卧式导轨一侧设置立式导轨构成，具有工字形轨道，移动支架倾斜设置在卧式导轨与立式导轨之间，移动支架具有脚轮，移动支架与卧式导轨与立式导轨均通过脚轮滑动连接；每个有机玻璃管14均安装差压传感器9、温度传感器16、孔隙率变送器10，气体分配管路、液体分配管路分别安装多个流量计4；差压传感器9、温度传感器16、孔隙率变送器10均连接计算机。

超声多普勒测速装12置包括超声波探头17、超声多普勒测速仪、数据上传分析设备，超声多普勒测速仪通过夹持装置架放于内部有涡流工具13的有机玻璃管14附近进行非接触式测量，测量时通过夹持装置改变多普勒角，超声多普勒测速仪与计算机连接，超声多普勒测速装置12用于对环膜厚度和液相速度进行测量。

涡流工具13包括不同工具参数组合的涡流工具及涡流工具加载装置，涡流工具加载装置用于将涡流工具13固定至模拟井筒底部（本发明采用机玻璃管14做为模拟井筒）。

这种测量涡流排水采气工具所在井筒内环膜厚度的装置进行测量实验的方法

1.连接空气压缩机1、阀门3以及流量计4，装置设计三条流量分配管线以便流量调节以及防止仪器损坏留作备用。同理将水槽2、泵5、流量计4进行连接。将上述气体分配管路、液体分配管路同时连接至混合器7，以便充分混合气液两相。

2.确定好实验所选择的有机玻璃管14通径，连接流动时所需打开的阀门3。将涡流工具13加载至实验测试管段底部（有机玻璃管14底部），选择好与该流向相配套的差压传感器9、温度传感器16和流量计4相应阀门。整个装置安装在移动支架上，承受移动支架立起时重量的脚轮，装配在侧面，并在工字形轨道上实现不脱轨移动。利用涡流工具加载装置将涡流工具13加载至有机玻璃管14内，模拟井筒放涡流工具13至井底的现场工况。完成阀门3以及电动阀8的连接，完成对本发明装置的启停及其他操作的控制。

3.将超声多普勒测速仪固定于其夹持装置并与计算机连接，架放于有机玻璃管14附近进行非接触式测量，为保证测量精度应尽量靠近玻璃管，以减小空气介质对超声多普勒测速仪发射信号及接受反射信号的影响。本实验装置安装完毕。

4.确定上述工作均准备好后，打开电控柜总电源，打开空气压缩机1和泵5电源，设定气体进入井筒时间的流量和压力，再给定不同液体流量，打开计算机，进行系统加压和流动实验。

5.移动支架处于垂直位置时还需打开行车电源对移动支架进行起吊，同时还需利用手动卷扬机对移动支架进行牵引拉动以此来达到模拟相应斜井段井斜角的目的。

6.将多普勒超声测速装置12固定于超声多普勒超声测速装置夹持装置上进行调节。对有机玻璃管14内液相速度进行测量时，由于仪器的需要与有机玻璃管壁存在一定角度即多普勒角。因产生的环膜呈螺旋上升趋势。因此需在测量时在0°~360°范围内选择测量点。在进行速度测量时需要在超声波探头17外加套管，并在套管内加入介质水，以防止超声波通过空气介质发生衰减。可自行选取周向位置几个测量角度，再从每个周向位置的轴向位置进行测量点的选取。厚度测量测量点选取同速度测量点的选取。如图2所示。

环膜厚度的测量需在有机玻璃管14外壁面涂抹防止超声波衰减的介质。在周向上对0°~360°位置的环膜厚度进行测量。在轴向上，测量点范围可自行进行调节。为避免角度测量误差的影响以及降低超声波的衰减程度，测量环膜厚度时可令超声测速探头紧贴壁面，与壁面保持垂直。如图3所示。

7.记录管柱压降数据及对管内气液流态进行拍照。在完成后依次加载不同结构参数涡流工具重复以上操作。采集不同组别的数据，分析各流动参数变化规律以及液相速度变化。液膜厚度需要进行计算。超声波多普勒测速仪基于多普勒效应，超声波在经过两相界面会出现强反射，而由于发射和接收信号是有固定的时间间隔，因此可通过获得的反射波的频率和强度对两相界面间距离进行计算。本装置有壁面-液膜18和液膜18-气体两个相界面，其对应的两个较强反射信号峰之间的距离即为环膜厚度。计算方法如下：

超声多普勒测速仪的超声发射器周期性地发出短超声脉冲，接收器连续性地收到由可能在超声波路径内的目标所产生的回波，环膜厚度为δ，超声波在水中的速度c，当接收器受到的回波出现了第一个较强反射信号开始记录时间T₁，当出现第二个较强反射信号时记录时间T₂，环膜厚度可通过以下公式计算：

8.将斜井段井斜角和气井生产参数进行改变，即可得到不同生产工况下的环膜厚度及液相速度。