一种带有连续油管的井筒携砂能力模拟实验装置及方法

摘要

本发明公开一种带有连续油管的井筒携砂能力模拟实验装置，包括用于模拟井筒的外管、用于模拟连续油管的内管、气液固注入系统和井筒监测系统，内管活动安装在外管并伸入至外管腔体内，伸入至外管内的内管末端安装有电动旋转头，气液固注入系统的第一出口与露出在外管之外的内管顶端连通连接，以向内管注入水流，气液固注入系统的第二出口与设置在外管末端的注入口连通连接，以向外管内腔注入气液固混合物，井筒监测系统用于观测内筒在外管腔体内模拟各种作业情况下的外管腔体内出砂量。本发明首次将连续油管的模拟结构加入井筒中，通过进行连续油管上提下放活动作业、旋转作业和冲砂作业，达到对不同井筒位置的携砂流动状态的实时精准监测。

说明书

技术领域

本发明涉及井筒携砂能力模拟装置技术领域，具体是一种带有连续油管的井筒携砂能力模拟实验装置及方法。

背景技术

在天然气水合物试采工程中，经常会将少量泥质和大量的小粒径地层砂带入生产井井筒中，为了防止地层砂堵塞或影响井筒正常试采作业，需要通过井筒携砂方式将地层砂从井筒内带至作业平台上，以防止生产井井筒内出现砂卡、砂堵或砂埋的现象，不影响人工举升结构的正常生产运作。但是在实际试采工程中，作业人员并无法直接观看到井筒内地层砂情况，从而无法判断井筒携砂能力，若携砂能力弱，仍有可能导致砂卡、砂堵等问题的发送。因此，有必要在实验室内实现模拟出井筒携砂能力，以便在实际试采工程中，设置满足携砂需求的试采作业井筒装置。

在现有井筒携砂能力模拟实验装置，大多数是仅以直井井筒作为研究对象，只单纯对井筒进行不同气液比或流速下的携砂能力进行分析和对比。例如，公开号为CN109211516A和CN108894772A的中国发明申请，这些着重于注气或采气直井井筒以及排水采气过程的气水流态特征及压力分布规律，或者分析砂粒在井筒中的运移、沉降规律。这些现有技术中，几乎没有涉及到具有连续油管辅助井筒携砂作业的情况下的井筒携砂能力，因此，有必要模拟在连续油管作用下井筒的携砂能力，以便使得模拟结果能够更好指导实际生产作业。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种带有连续油管的井筒携砂能力模拟实验装置，其能够解决在连续油管辅助作用下井筒携砂能力模拟实验的问题。

实现本发明的目的的技术方案为：一种带有连续油管的井筒携砂能力模拟实验装置，包括用于模拟井筒的外管、用于模拟连续油管的内管、气液固注入系统和井筒监测系统，内管从外管顶端的第一入口沿外管轴向方向伸入至外管腔体内，并活动安装在外管上，使得内管可沿外管轴向方向自由移动以及在外管腔体内相对于外管自由旋转转动，外管和内管形状相适配，伸入至外管内的内管末端安装有电动旋转头，

气液固注入系统的第一出口与露出在外管之外的内管顶端连通，以向内管注入水流，气液固注入系统的第二出口与设置在外管末端的注入口连通，以向外管内腔注入气液固混合物，

井筒监测系统用于观测内筒在外管腔体内模拟各种作业情况下的外管腔体内出砂量，其中，模拟各种作业至少包括内管模拟上提下放、旋转和冲砂作业。

进一步地，所述外管包括用于模拟水平井井筒的L型管体和用于模拟直井井筒的直线型管体。

进一步地，还包括固定支撑装置，所述外管活动安装在固定支撑装置上，可调节外管的倾斜角度，以模拟井筒在不同倾斜角度情况下的携砂能力。

进一步地，所述气液固注入系统包括用于存储地层砂的加砂罐、用于存储液态水的储液罐、用于存储气体的气瓶、泥浆泵、气液固混合器，气液固混合器用于将地层砂、液态水和气体混合成气液固混合物，加砂罐和储液罐的第一输出端分别通过一个管道汇合接入泥浆泵的输入端，储液罐的第二输出端通过另一个管道与内管连通连接，泥浆泵的输出端通过管道与气液固混合器的输入端连接，气瓶的输出端通过管道与气液固混合器的输入端连接。

进一步地，在加砂罐和泥浆泵之间的管道、储液罐与泥浆泵之间的管道、储液罐与内管之间的管道、气瓶与气液固混合器之间的管道上均设置有单向阀，单向阀用于防止对应物体倒灌，

在储液罐与泥浆泵之间的管道上设置有液流量计和温压传感器，用于分别测量输出到泥浆泵的水流流量和温压，在气瓶与气液固混合器之间的管道上设置有气流量计和温压传感器，在储液罐和内管之间的管道上设置有液流量计和泵，在泥浆泵与气液固混合器之间的管道上还安装有控制阀，控制阀用于控制泥浆泵输出到气液固混合器内的液固混合物量，气液固混合器与注入口之间的管道上设置有控制阀和温压传感器。

进一步地，还包括分离沉砂系统，分离沉砂系统包括三相分离器和沉砂罐，三相分离器的输入端与外管顶部的第一出口连通连接，三相分离器的第一输出端通过管道与气液固混合器连通连接，三相分离器的第二输出端通过管道与气液固混合器连通连接，三相分离器的第三输出端通过管道与沉砂罐连通连接，三相分离器用于将气液固混合物分别分离出气体、液态水和地层砂。

进一步地，在第一输出端与气液固混合器之间的管道上安装有液流量计和温压传感器，在第二输出端与气液固混合器之间的管道上安装有气流量计和温压传感器。

进一步地，在三相分离器与沉砂罐之间的管道上还安装有重力传感器，重力传感器用于实时测量出三相分离器分离出地层砂的重量，此地层砂的重量定量化表征井筒携砂能力。

进一步地，所述井筒监测系统包括数据处理终端、若干三相流检测器和若干摄像机，摄像机包括移动高速摄像机和安装在固定位置的固定高速摄像机，固定高速摄像机用于对准外管某一位置进行拍摄，移动高度摄像机沿着外管轴向方向移动拍摄，

各个三相流检测器沿着外管的轴向方向固定安装在外管腔体的内壁上，在外管的上中下段均至少各安装有一个三相流检测器，三相流检测器用于实时测量井筒各个位置处流过的气液固三相的比例值。

一种利用所述带有连续油管的井筒携砂能力模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤1：向加砂罐加入地层砂、气瓶加入气体、储液罐加入液态水，并控制注入到液固混合器内的地层砂、气体和液态水量值和三者的比例；

步骤2：气液固混合器将地层砂、气体和液态水充分搅拌后形成气液固混合物，并控制流量和流速经外管底部的注入口向外管腔体注入气液固混合物，以使得外管腔体内形成稳定的流型且外管顶端的第一出口无地层砂携出；

步骤3：启动内管在外管腔体模拟各种作业，使得内管分别在外管腔体内分别进行上提下放、旋转和冲砂作业，并调节控制内管上提下放作业频率、旋转作业频率或冲砂作业液量和流速，循环上述作业一段时间，直至外管腔体内的第一出口不再有地层砂携出；

步骤4：通过井筒观测系统观测外管循环携出地层砂量情况，进行带有连续油管的井筒携砂能力模拟实验，并获得相关实验数据。

本发明的有益效果为：本发明首次将连续油管的模拟结构加入井筒中，通过进行连续油管上提下放活动作业、旋转作业和冲砂作业，可以对同一实验条件下，单纯通过流速带动的井筒携砂能力和连续油管辅助的井筒携砂能力进行对比分析，得出更符合水合物试采工况的携砂规律分析和流动保障注水方案。首次将气液固三相混合物通过多点的注入口(即图中的多点注入口)注入至作为井筒的外管底部，用于模拟水合物试采井筒中实际的出砂情况。将三相流检测器安装在井筒内径管壁上，并分别安装在井筒顶部、中部和底部位置上，可以实时测量井筒中顶部、中部和底部位置上的瞬间流过的气液固三相的比例值，达到对不同井筒位置的携砂流动状态的实时精准监测。将重力传感器运用在沉砂罐的质量监测上，可以实时测量砂粒被携带出井筒的变化过程，为分析不同变量参数下井筒的携砂规律提供模拟实验支撑。

相比于其他井筒携砂规律实验装置，本发明能够更为准确的模拟水合物试采过程中生产井井筒的真实情况，设计该实验装置不仅可以进行不同规格井筒在不同气液比、不同流速条件下的气液固三相流型和井筒携砂规律，而且可以对具有连续油管辅助井筒携砂作业的情况下，对不同规格井筒在不同气液比、不同流速、不同冲砂条件下的气液固三相流型和井筒携砂规律，为天然气水合物生产井井筒的流动保障注水方案提供更为准确且符合实际工况的实验依据。

附图说明

图1为安装直井井筒下的结构示意图；

图2为安装水平井井筒下的结构示意图。

具体实施方案

下面结合附图及具体实施方案，对本发明做进一步描述：

如图1和图2所示，一种带有连续油管的井筒携砂能力模拟实验装置，包括用于模拟井筒的外管、用于模拟连续油管的内管、气液固注入系统和井筒监测系统，井筒监测系统用于观测在作为模拟连续油管的内筒各种作业情况下作为模拟井筒的外管腔体内出砂量，也即是监测模拟井筒的外管的携砂能力。内管从外管顶端的第一入口沿外管轴向方向伸入至外管腔体内，外管和内管形状相适配，以使得内管能够很好地伸入至内管的腔体内。伸入至外管内的内管末端安装有电动旋转头，电动旋转头用于转动外管腔体内的气液固混合物，以模拟旋转和冲砂作业。内管活动安装在外管上，使得内管可沿外管轴向方向自由移动以及在外管腔体内相对于外管自由旋转转动。也即内管可在外管腔体内进行上提下放作业、旋转作业和冲砂作业。

其中，图2中示意安装了3根不同直径尺寸的外管，当需要模拟不同尺寸的井筒时，也即需要更换外管时，可以将内管直接插入对应的外管内即可，达到快速更换从而模拟不同尺寸井筒下的携砂能力的目的。

对内管进行上提下放和旋转可通过人工直接进行操作，也即人手握住外露在外管之外的内管一端后进行移动内管，使得内管沿着外管轴向方向移动以及转动内管，使得内管相对于外管进行转动，达到模拟上提下放作业和旋转作业的目的。

当然，也可以通过驱动装置驱动内管进行移动和旋转，驱动装置包括电机(即图中的驱动电机)、升降台和固定杆(即图中的固定设备)，固定杆固定安装在升降台的一侧，电机与固定杆传动连接，电机用于驱动固定杆转动，固定杆与内管传动连接，从而带动内管在外管腔体内旋转转动。升降台可自由升降，进而带动固定杆上升和下降，从而使得与固定杆传动连接的内管沿着外管的轴向方向移动。

其中，内管与外管顶部第一入口的连接处通过密封圈等密封件进行密封连接，以防止外管腔体内的气液固混合物从顶部流出或外部的气体物质混入进外管腔体内。

气液固注入系统通过第一出口与露出在外管之外的内管顶端连通连接，以向内管注入水流，气液固注入系统通过第二出口与设置在外管末端的注入口(对应图中的多点注入口)连通连接，以向外管内腔注入气液固混合物。其中，在外管末端挖设有多个注入口，各个注入口间隔分布设置在外管末端。

作为实施例的另外一个实施方式，还包括固定支撑装置，通过将外管安装在固定支撑装置上，从而将外管和内管整体均安装在固定支撑装置上。其中，外管活动安装在固定支撑装置上，以便于调节外管的倾斜角度，以模拟井筒在不同倾斜角度情况下的携砂能力。其中外管为呈L型的管体或直线型的管体，L型的管体模拟水平井井筒，直线型的管体模拟直井井筒。相对应的，内管与外管形状相适配，也即内管也为呈L型的管体或直线型的管体。

所述气液固注入系统包括用于存储地层砂的加砂罐、用于存储液态水的储液罐、用于存储气体的气瓶、泥浆泵、气液固混合器，加砂罐和储液罐的第一输出端分别通过一个管道汇合接入泥浆泵的输入端，储液罐的第二输出端通过另一个管道与内管连通连接，以便于将储液罐的液体(即水流)输入至用于模拟连续油管的内管内。泥浆泵的输出端通过管道与气液固混合器的输入端连接，气瓶的输出端通过管道与气液固混合器的输入端连接。其中，气瓶的输出端连接的管道与泥浆泵的输出端连接的管道汇合后再接入混合器的输入端，或者，气瓶和泥浆泵各自通过一根管道单独接入气液固混合器的输入端。加砂罐内储存的地层砂和储液罐内储存的液体通过管道输入至泥浆泵内，地层砂和液体在泥浆泵内进行混合成液固混合物，通过设定好泥浆泵的排量和压力，可以很好控制液固混合物的输出量和流速。气瓶将存储的气体输出至气液固混合器内，并与气液固混合器内的液固混合物进行混合后形成气液固混合物，气液固混合器再将气液固混合物通过管道输出后经外管上的注入口注入至外管的腔体内。

优选地，在加砂罐和泥浆泵之间的管道、储液罐与泥浆泵之间的管道、储液罐与内管之间的管道、气瓶与气液固混合器之间的管道上均设置有单向阀(即分别对应图中的单向阀3、单向阀2、单向阀4、单向阀1)，以防止倒灌包括防止地层砂倒灌进入加砂罐内、液体倒灌进入储液罐内、气体倒灌(倒流)至气瓶内、液固混合物倒灌进入泥浆泵内。在储液罐与泥浆泵之间的管道上设置有液流量计(对应图中的液流量计1)和温压传感器(对应图中的温压传感器2)，以测量输出到泥浆泵的水流流量和温压。同样的，在气瓶与气液固混合器之间的管道上设置有气流量计(对应图中的气流量计1)和温压传感器(对应图中的温压传感器1)，在储液罐和内管之间的管道上设置有液流量计(对应图中的液流量计3)和泵，泵起到对储液罐输出的水流产生推力的作用，以便能够以更大的流速和冲力输出至内管内，模拟实际试采作业过程中海水冲刷连续油管的情景。在泥浆泵与气液固混合器之间的管道上还安装有控制阀(对应图中的控制阀1)，控制阀用于控制泥浆泵输出到气液固混合器内的液固混合物量，防止输出量过多或过少。气液固混合器与注入口之间的管道上也设置有控制阀(对应图中的控制阀2)和温压传感器(对应图中的温压传感器3)，以便控制向注入口输出的气液固输出量以及测量出当前管道内的温压。

所述井筒监测系统包括数据处理终端(可以选用通用的计算机)、若干三相流检测器(图中示意了三个三相流检测器1,2,3)和若干摄像机，摄像机包括移动高速摄像机(对应图中的移动式高速摄像机)和安装在固定位置的固定高速摄像机(对应图中的高速摄像机1、高速摄像机2、高速摄像机3)，固定高速摄像机用于对准外管某一位置进行拍摄，以观测外管内某一位置处的出砂情况，固定位置高速摄像机可在不同位置各安装一台。移动高度摄像机可通过人工操作或顺着滑轨对外管移动拍摄，从而观测到外管各处的出砂情况。上述各个管道上的各个液流量计、气流量计和温压传感器均与数据处理终端电性连接，以便于测得的参数上传到数据处理终端并由数据处理终端进行后续处理。图中的虚线即指测得的参数数据需要上传到数据处理终端上。

各个三相流检测器沿着外管的轴向方向固定安装在外管腔体的内壁上，至少包括安装在腔体的上中下段，也即对水平井井筒而言，在外管的水平段、弯曲段和垂直段上均至少各安装有一个三相流检测器，对直井井筒而言，则在外管的前段、中段和后段均至少各安装有一个三相流检测器。以实时测量井筒中水平段、弯曲段和垂直段的瞬间流过的气液固三相的比例值，从而更好检测出不同气液比、不同流速调节下的气液固三相流型。

作为实施例的另外一个实施方式，还包括分离沉砂系统，分离沉砂系统包括三相分离器和沉砂罐，三相分离器的输入端与外管顶部的第一出口连通连接。三相分离器的第一输出端通过管道与气液固混合器连通连接，三相分离器的第二输出端通过管道与气液固混合器连通连接，三相分离器的第三输出端通过管道与沉砂罐连通连接。外管携砂循环出来的气液固混合物经过第一出口后排出至三相分离器，三相分离器将气液固混合物经过分离处理后，将属于固体的地层砂经过第三输出通道排出至沉砂罐内，气体和液体通过各自管道送入至气液固混合器内，实现气相和液相的循环使用。

优选地，在三相分离器与沉砂罐之间的管道上还安装有重力传感器，重力传感器用于实时测量出三相分离器分离出地层砂的重量，此地层砂的重量也代表着外管循环出的地层砂量，从而可以定量化地模拟出井筒携砂能力。

同样的，在三相分离器第一输出端与气液固混合器之间的管道上安装有液流量计(对应图中的液流量计2)和温压传感器(对应图中的温压传感器6)，在三相分离器第二输出端与气液固混合器之间的管道上安装有气流量计(对应图中的气流量计2)和温压传感器(对应图中的温压传感器5)，在三相分离器输入端与外管顶部的第一出口之间的管道上安装有温压传感器(对应图中的温压传感器4)。

基于以上装置，本发明还提供一种实验方法，包括以下步骤：

步骤1：向加砂罐加入地层砂、气瓶加入气体、储液罐加入液态水，通过单向控制阀控制注入到液固混合器内的地层砂、气体和液态水量值和三者的比例。

步骤2：液固混合器将地层砂、气体和液态水充分搅拌后形成气液固混合物，并控制流量和流速经外管底部的注入口向外管腔体注入气液固混合物，以使得外管腔体内形成稳定的流型且外管顶端的第一出口无地层砂携出。

步骤3：启动内管，使得内管分别在外管腔体内分别进行上提下放、旋转和冲砂作业，并调节控制好内管上提下放作业频率、旋转作业频率或冲砂作业液量和流速，循环上述作业一段时间，直至外管腔体内的第一出口已不再有地层砂携出。

步骤4：通过井筒观测系统观测外管循环携出地层砂量情况，达到带有连续油管的井筒携砂能力模拟目的，并获得相关实验数据。

其中，还可通过重力传感器定量化测量出携砂能力。

本发明首次将连续油管的模拟结构加入井筒中，通过进行连续油管上提下放活动作业、旋转作业和冲砂作业，可以对同一实验条件下，单纯通过流速带动的井筒携砂能力和连续油管辅助的井筒携砂能力进行对比分析，得出更符合水合物试采工况的携砂规律分析和流动保障注水方案。首次将气液固三相混合物通过多点的注入口(即图中的多点注入口)注入至作为井筒的外管底部，用于模拟水合物试采井筒中实际的出砂情况。将三相流检测器安装在井筒内径管壁上，并分别安装在井筒顶部、中部和底部位置上，可以实时测量井筒中顶部、中部和底部位置上的瞬间流过的气液固三相的比例值，达到对不同井筒位置的携砂流动状态的实时精准监测。将重力传感器运用在沉砂罐的质量监测上，可以实时测量砂粒被携带出井筒的变化过程，为分析不同变量参数下井筒的携砂规律。

相比于其他井筒携砂规律实验装置，本发明能够更为准确的模拟水合物试采过程中生产井井筒的真实情况，设计该实验装置不仅可以进行不同规格井筒在不同气液比、不同流速条件下的气液固三相流型和井筒携砂规律，而且可以对具有连续油管辅助井筒携砂作业的情况下，对不同规格井筒在不同气液比、不同流速、不同冲砂条件下的气液固三相流型和井筒携砂规律，为天然气水合物生产井井筒的流动保障注水方案提供更为准确且符合实际工况的实验依据。

本说明书所公开的实施例只是对本发明单方面特征的一个例证，本发明的保护范围不限于此实施例，其他任何功能等效的实施例均落入本发明的保护范围内。对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。