分体式多相井筒管流模拟试验装置

摘要

本发明涉及一种分体式多相井筒管流模拟试验装置，包括多个试验主体单元和支撑架、高压软管连接的组合结构。所述试验主体单元包括高压软管套头、中心管接头、试验套管接头、试验套管、持气检测仪外套、有孔中心管、径向输气盘管、径向输液盘管和持气率监测仪。本装置将试验井筒分解为试验主体单元，将若干数量的试验单元灵活组合，试验单元之间使用高压软管连接，从而装配成任意结构井筒，进而有针对性地实施多相井筒管流模拟试验。该装置不仅可以模拟各种常规井筒，也可以模拟诸如侧钻井、叠式分支井和鱼骨形分支井等复杂结构井筒。为优化采油工艺以及提高现场作业可靠性提供重要理论依据，以便有效地指导生产过程的高效实施。

说明书

技术领域

本发明涉及油气田开采领域油气井生产所用的井筒管流模拟试验装置，尤其是一种分体式多相井筒管流模拟试验装置。

背景技术

目前油气井有直井、斜井、水平井和分支井等多种类型，其井筒管流特征各不相同，其中纵式井和鱼骨井的管流特征尤为复杂。此外，一口油气井不同部位的管流状态以及同一类型井筒之间的管流状态也不尽相同，比如：对于一口水平井而言，其直井段、跟端、水平段和趾端部位的管流状态差别很大；对于斜井而言，不同斜率的井筒管流状态也有较大差别。准确描述不同井筒结构油气井的不同井筒部位的管流状态，可以为优化采油工艺以及提高现场作业可靠性提供重要理论依据，以便有效地指导生产过程的高效实施。因此，诸多专家学者设计了各具特点的井筒管流模拟试验装置。

中国专利公开号CN203420706U公开了一种变角度水平井模拟试验装置。其包括模拟水平井筒，模拟水平井筒含有多个模拟水平井筒段，相邻的两个模拟水平井筒段 之间通过连接软管连通，模拟水平井筒连接有用于改变模拟水平井筒段的角度的调整装 置。模拟水平井筒含有两个模拟水平井筒段。模拟水平井筒段为透明有机玻璃套管。模拟水平井筒段包括透明有机玻璃筛管和套设在所述透明有机玻璃筛管外的透明有 机玻璃套管。模拟水平井筒的两端分别设置有变径法兰。调整装置为升降支架。升降支架连接于模拟水平井筒段和所述连接软管之间。所述变角度水平井模拟实验装置还设有用于向模拟水平井筒中注入液体的注入装置。所述注入装置包括油罐和水罐，油罐和水罐通过搅拌器与模拟水平井筒连接。所述变角度水平井模拟实验装置还设有用于回收模拟水平井筒内液体的回收装置，所述回收装置包括油水分离器，油水分离器与油罐和水罐连接。该试验装置的局限在于，不能模拟水平井造斜段和垂直段内的流动过程，也不能模拟其它类型结构井筒的井筒管流，且未引入气相流动。

中国专利公开号CN202970645U公开了一种全可视化定向井气液流态井筒模拟实验装置。包括上段模拟筒体和下段模拟筒体、中段模拟筒体，所述上段模拟筒体为用于模拟定向井直井段油管和套管的双层筒体，所述中段模拟筒体为用于模拟定向井造斜段的可塑性模拟筒体，所述下段模拟筒体为用于模拟定向井产层段的单层筒体，上段模拟筒体、中段模拟筒体和下段模拟筒体依次密封连接。所述上段模拟筒体顶部设置有用于模拟排液出口的排液管，顶部还密封连接有用于模拟定向井添加油田助剂接口的注药口。 所述下段模拟筒体内并联设置有用于模拟定向井长距产层的产气、产水的气液流出口组，气液流出口组位于下段模拟筒体外部的接头处通过气液三通连接有用于模拟不同水气比的流入状态的进气阀门及进液阀门。所述上段模拟筒体和下段模拟筒体的外壁均套装有直径大于模拟筒体外径的恒温循环水浴夹层，所述恒温循环水浴夹层的两端封闭，且两端均设置有循环液进出口。所述上段模拟筒体和下段模拟筒体均为中空透明的有机玻璃管。所述中段模拟筒体为中空柔性透明有机玻璃复合钢丝管。该实验装置用于模拟并直观描述定向井的井筒管流流态，进行积液过程和泡沫排水研究，为定向井的排水采气研究、工艺优化和现场作业提供可靠的理论依据。该实验装置的局限在于，不能模拟复杂井眼轨迹条件下的定向井井筒管流，也不能模拟其它类型结构井筒的井筒管流。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种将试验井筒分割为试验主体单元，将若干个试验主体单元进行自由组合，可以组成任意结构井筒，具备一机多能的分体式多相井筒管流模拟试验装置。

本发明的技术方案包括：

分体式多相井筒管流模拟试验装置，包括多个试验主体单元和支撑架、高压软管连接的组合结构。

所述试验主体单元包括高压软管套头、中心管接头、试验套管接头、试验套管、持气检测仪外套、有孔中心管、径向输气盘管、径向输液盘管和持气率监测仪；其中，试验套管外壁设有注汽接头和注液接头，两个试验套管接头分别与试验套管上下端链接，上下两个中心管接头分别卡接在上下两个试验套管接头内部，持气检测仪外套紧固连接在试验套管上端的中心管接头上，持气率监测仪安装在持气检测仪外套内，高压软管套头径向设有连接注入口，高压软管套头连接在下端的中心管接头下端，有孔中心管安装于试验套管内部，有孔中心管两端分别与上下端的中心管接头紧密连接，径向输气盘管套装于有孔中心管和试验套管的环空内，其接头安装于试验套管的注汽接头内，径向输液盘管套装于有孔中心管和试验套管的环空内，其接头安装于试验套管的注液接头内；所述高压软管与试验主体单元的高压软管套头和持气检测仪外套连接配合。

上述方案进一步包括：

所述支撑架包括升降杆、L型接长杆、套管U型支架、支架底板、支架加长杆、三通；其中升降杆下端与支架底板固定配合，升降杆上端分别与L型接长杆、套管U型支架和支架加长杆连接配合，三通与试验主体单元和高压软管连接配合。

支架底板下方设有三或四个行走轮，行走轮分别安装在支架底板的轮轴支架上。

所述升降杆为液压驱动杆或者气压驱动杆、直线电动螺杆，升降杆与支架底板固定链接；所述L型接长杆固定连接在U型支架底部， L型接长杆的转轴与升降杆上端部的U型槽的通孔铰链配合。

径向输气盘管和径向输液盘管为多圈盘管结构，管壁径向加工有微型通孔的线性阵列。

所述试验套管的外壁设有凸轴，凸轴与套管U型支架上设有的安装孔的插接配合。

所述L型接长杆上设有转轴和插孔，转轴与升降杆的通孔插接配合。

所述持气率监测仪⑾为光纤探针式持气率监测仪。

上下两个中心管接头与上下两个试验套管接头结合部设有密封胶圈，密封胶圈分别安装于中心管接头的内密封圈槽和外密封圈槽内。

所述试验套管两端与试验套管接头之间、有孔中心管两端与中心管接头之间均采用螺纹连接。

本发明将试验井筒分割为试验主体单元，将若干个试验主体单元进行自由组合，可以组成任意结构井筒，具备一机多能的优点；能够满足不同结构井筒的多相井筒管流展开系统的科学试验分析，建立综合性试验平台。

本发明的分体式多相井筒管流模拟试验装置，其整体结构简单，布置灵活性高，模拟试验范围宽，不但能满足常规井的多相井筒管流试验分析，对于侧钻井、叠式分支水平井和鱼骨井等复杂结构井，也能通过灵活合理地布置试验单元，进行有针对性的多相管流模拟试验研究。试验主体单元可根据试验需要选择合适的径向和轴向尺寸，以满足不同规格井筒的管流试验。

附图说明

图1中a、b分别是本发明所提供的多相井筒管流模拟试验装置之试验主体单元的剖视结构示意图和外观结构示意图；

图2是本发明所提供的高压软管套头的结构示意图；

图3是本发明所提供的中心管接头的结构示意图；

图4是本发明所提供的试验套管接头的结构示意图；

图5是本发明所提供的试验套管的结构示意图；

图6是本发明所提供的持气检测仪外套的结构示意图；

图7是本发明所提供的有孔中心管的结构示意图；

图8是本发明所提供的径向输气盘管（径向输液盘管）的结构示意图；

图9是本发明所提供的支撑架（液压支撑架）的结构示意图；

图10是本发明所提供的升降杆（活塞杆）的结构示意图；

图11是本发明所提供的L型接长杆的结构示意图；

图12是本发明所提供的U型支架的结构示意图；

图13是本发明所提供的支架底板的结构示意图；

图14是本发明所提供的支架加长杆的结构示意图；

图15是本发明所提供的三通的结构示意图；

图16是本发明所提供的垂直试验单元的装配示意图；

图17是本发明所提供的倾斜试验单元的装配示意图；

图18是本发明所提供的水平试验单元的装配示意图；

图19是本发明所提供的垂直井井筒试验装置的装配简图；

图20是本发明所提供的斜直井井筒试验装置的装配简图；

图21是本发明所提供的定向井井筒试验装置的装配简图；

图22是本发明所提供的水平井井筒试验装置的装配简图；

图23是本发明所提供的侧钻井井筒试验装置的装配简图；

图24是本发明所提供的叠式分支水平井井筒试验装置的装配简图；

图25是本发明所提供的鱼骨形分支水平井井筒试验装置的装配简图。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1:

一种分体式多相井筒管流模拟试验装置，包括多个试验主体单元和支撑架、高压软管1连接组成的组合结构。

参照图1，所述试验主体单元包括高压软管套,2、中心管接头3、试验套管接头4、试验套管5、持气检测仪外套6、有孔中心管8、径向输气盘管9、径向输液盘管10和持气率监测仪11。

试验套管5（参照附图5）外壁设有注汽接头52和注液接头54，两个试验套管接头4（参照附图4）分别与试验套管5上下端链接，上下两个中心管接头3（参照附图3）分别卡接在上下两个试验套管接头4内部，持气检测仪外套6（参照附图6）紧固连接在试验套管5上端的中心管接头3上，持气率监测仪11安装在持气检测仪外套6内，高压软管套头2（参照附图2）径向设有连接注入口，高压软管套头2连接在下端的中心管接头3下端，有孔中心管8（参照附图7）安装于试验套管5内部，有孔中心管8两端分别与上下端的中心管接头3紧密连接，径向输气盘管9（参照附图8）套装于有孔中心管8和试验套管5的环空内，其接头91安装于试验套管5的注汽接头52内，径向输液盘管10（参照附图8）套装于有孔中心管8和试验套管5的环空内，其接头安装于试验套管5的注液接头54内；所述高压软管1与试验主体单元的高压软管套头2和持气检测仪外套6连接配合。

该实施例1中支撑架可以采用多种形式，例如脚手架搭接的支撑架，或者焊接阶梯支架。

实施例2：

在实施例1的基础上，提供了专用支撑架组合。

参照图9-15，所述支撑架包括升降杆14、L型接长杆15、套管U型支架16、支架底板17、支架加长杆19、三通20；其中升降杆14下端与支架底板17固定配合，升降杆14上端分别与L型接长杆15、套管U型支架16和支架加长杆19连接配合，三通20与试验主体单元和高压软管⑴连接配合。

进一步的，支架底板17下方设有三或四个行走轮18，行走轮18分别安装在支架底板17的轮轴支架172上。

进一步的，所述升降杆14为液压驱动杆或者气压驱动杆、直线电动螺杆，升降杆14与支架底板(17)固定链接；所述L型接长杆15固定连接在U型支架16底部， L型接长杆15的转轴152与升降杆上端部的U型槽142的通孔143铰链配合。

进一步的，径向输气盘管9和径向输液盘管10为多圈盘管结构，管壁径向加工有微型通孔的线性阵列92。

实施例3：

在实施例2的基础上，进一步优化部件之间的连接方式，更有利用现场操作和调整。

试验套管5的外壁设有凸轴53，凸轴53与套管U型支架16上设有的安装孔161的插接配合。所述L型接长杆15上设有转轴152和插孔，转轴152与升降杆14的通孔143插接配合。

持气率监测仪11为光纤探针式持气率监测仪。

上下两个中心管接头3与上下两个试验套管接头4结合部设有密封胶圈7，密封胶圈7分别安装于中心管接头3的内密封圈槽31和外密封圈槽32内。

试验套管5两端与试验套管接头4之间、有孔中心管8两端与中心管接头3之间均采用螺纹连接。

典型实施例4：

本实施例所述的分体式多相井筒管流模拟试验装置由若干个试验主体单元和液压支撑架（支撑架的优先实施例）组成。

所述的试验主体单元（见图1）主要由高压软管1、高压软管套头2、中心管接头3、试验套管接头4、试验套管5、持气检测仪外套6、密封胶圈7、有孔中心管8、径向输气盘管9、径向输液盘管10、光纤探针式持气率监测仪11组成。

所述的高压软管套头2（见图2）为一空心回转体，上部加工有胶管卡槽22，下部加工有平式螺纹21。

所述的中心管接头3（见图3）为一空心回转体，上部加工有外密封圈槽32，孔内加工有内密封圈槽31，孔内上下部各加工有平式内螺纹扣33和34，下部被加工成锥型。

所述的试验套管接头4（见图4）为一空心回转体，孔内加工有标准石油锥型螺纹41，上部加工有孔42。

所述的试验套管5（见图5）为一管状体，上下部各加工有标准石油锥型螺纹51，一侧加工有通孔并分别安装有注汽接头53和注液接头54，套管外侧安装有若干个支架凸轴52。

所述的持气检测仪外套6（见图6）为一空心回转体，一侧加工有一个出线接头61，上部内孔加工有内槽62，中部加工有通孔63，并以其轴心加工有若干个通孔64，下部加工有外螺纹65。

所述的有孔中心管8（见图7），管壁上加工有许多通孔81，上下端部各加工有标准石油锥型螺纹82。

所述的径向输气盘管9和径向输液盘管10结构完全一样（见图8），以径向输气盘管9为例，盘管端部安装有接头91，管壁内径方向上加工有通孔的线性阵列92，盘管另一端部被堵头封堵93。

所述的光纤探针式持气率监测仪11为标准仪器。

所述的液压支撑架（见图9）：主要由液缸13、活塞杆（相当于技术方案中的升降杆）14、L型接长杆15、套管U型支架16、支架底板17、行走轮18、支架加长杆19、三通20组成。

所述的活塞杆14（见图10）：由活塞141、U型槽142和活塞杆组成，U型槽开有通孔143。

所述的L型接长杆15（见图11）：为一L型钢体，加工有通孔151，转轴152。

所述的套管U型支架16（见图12）为一U型结构，上部加工有安装孔161。

所述的支架底板17（见图13）为一平板Y型钢体，中部加工有安装液缸13的通孔171，安装有轮轴支架172，每对轮轴支架172安装有行走轮18。

所述的支架加长杆19（见图14）为一矩形杆状构件，其顶端部加工有顶部通槽191和通孔193，底部加工有底部通槽192和通孔194。

所述的三通20（见图15）为一管状构件，其侧部60°角度有一侧管201。

实施过程是：通过试验套管5的凸轴53与套管U型支架16的安装孔161的配合将试验主体单元和液压支撑架组合在一起，形成一个完整的试验装置单元。通过L型接长杆15的转轴152与活塞杆14的通孔143的配合，使得试验主体单元可以在液压支撑架上进行一定范围的旋转，可以获得垂直（见图16）、倾斜（见图17）和水平状态（见图18）等不同效果。

将若干个试验装置单元进行组合，可以组成垂直井井筒（见图19）、斜直井井筒（见图20）、定向井井筒（见图21）、水平井井筒（见图22）以及其它复杂井筒（见图23～25），以满足不同结构井筒的试验要求。

试验主体单元装配：首先将径向输气盘管9和径向输液盘管10放入试验套管5内，径向输气盘管9的端部接头91套入试验套管5的注气接头52孔内，径向输液盘管10的端部接头91套入试验套管5的注液接头54孔内，并保证径向输气盘管9和径向输液盘管10的内径与试验套管5同轴。将有关密封胶圈7安装于中心管接头3的内胶圈槽31和外胶圈槽32内，将两个中心管接头3通过螺纹连接分别安装在有孔中心管8上下两端。再将其套入试验套管5内并保持同轴，将试验套管接头4分别通过标准石油螺纹与试验套管5的上下两端连接。将光纤探针式持气率监测仪11安装于持气检测仪外套6的通孔63内，其数据线通过出线接头61引出。再将持气检测仪外套6与上端的中心管接头3螺纹连接。将高压软管套头2与试验套管5下端的中心管接头3螺纹连接。最后将装好高压软管1分别与高压软管套头2与持气检测仪外套6螺纹连接，完成安装（见图1）。

液压支撑架装配：首先将三个行走轮18分别安装在支架底板17的三个轮轴支架172上，将液缸13与活塞杆14配合完成后安装在支架底板17的通孔171并焊接固定。将L型接长杆15焊接在U型支架16底部，将L型接长杆15的转轴152与活塞杆14的U型槽142的通孔143轴孔铰链配合，完成安装（见图9）。三通20用于组装侧钻井、叠式分支水平井筒和鱼骨形分支水平井筒试验装置的装配所用（见图23、图24、图25）。

试验装置单元装配：将试验主体单元中试验套管5的四个凸轴53分别与液压支撑架的U型支架16的四个通孔161相对位置用螺栓连接。主体单元可以绕L型接长杆15的转轴152旋转，完成安装（见图16～18）。

试验装置垂直井井筒组配：可根据试验需要决定试验装置单元的数量。安装时将其中第一个试验装置单元的试验主体单元垂直摆放，此时液压支撑架的L型接长杆15竖直向上，将一支支架加长杆19的底部通槽192套装于L型接长杆15上，底部通槽192的通孔194与L型接长杆15上的通孔151相对应并用螺拴连接固定。将第二个试验装置单元的液压支撑架只保留L型接长杆15和U型支架16（其余拆除不用），将其L型接长杆15的转轴152与支架加长杆19的顶部通槽191的通孔193铰链配合并用螺拴固定。依次类推，可将若干个试验主体单元垂直向上安装，相互之间通过高压软管1连通。即为垂直井井筒模拟状态（见图19）。

试验装置斜直井筒状态组配：可根据试验需要决定试验装置单元的数量。将若干个试验装置单元摆成一排，相互之间通过高压软管1连通。通过调整每个液压支撑架的活塞杆14的高度，即为试验装置的斜直井井筒模拟状态（见图20）。

试验装置定向井井筒状态组配：根据试验需要安排试验装置单元的数量。这是垂直井筒安装方式与倾斜井筒安装方式的结合运用。通过加入支架加长杆19和调整有关液压支撑架的活塞杆14的高度，相互之间通过高压软管1连通。即为试验装置的定向井曲率段模拟井筒（见图21）。

试验装置水平井井筒组配：根据试验需要安排试验装置单元的数量，并将其排成一排，相互之间通过高压软管1连通。即为试验装置的水平井水平段模拟井筒（见图22）。

试验装置侧钻井井筒组配：在试验装置垂直井筒状态的基础上，在适当位置上将相邻的两个垂直试验单元用三通20代替高压软管1连接，将另一组包含若干试验单元的组件的输出端与三通20的侧管连接。即为试验装置的侧钻井模拟井筒状态（见图23）。

试验装置叠式分支水平井井筒组配：在定向井筒试验装置状态的基础上，在适当位置上将相邻的两个垂直试验单元用三通20代替高压软管1连接，将另一组包含若干试验单元的组件的输出端与三通20的侧管连接。即为试验装置的叠式分支水平井模拟井筒状态（见图24）。

试验装置鱼骨形分支水平井井筒组配：在定向井筒试验装置状态的基础上，在适当位置上将相邻的两个水平试验单元用若干个三通20代替高压软管1连接，将另几组试验单元组件的输出端分别与三通20的侧管连接。即为试验装置的鱼骨形分支水平井模拟井筒状态（见图25）。

分体式多相井筒管流模拟试验装置的试验主体单元（见图1），在实验中由注汽接头9和注液接头10分别向径向输气盘管和径向输液盘管注入一定流量的气体和液体以模拟多相试验流体，流体通过盘管通孔线性阵列92向轴心射出以模拟地层径向流动，适当调节注汽和注液的比例以符合地层流体的各相组成。试验数据由光纤探针式持气率监测仪11和试验单元外部配置的流量计、压力计提供。