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超临界井筒多相流动实验装置背景
中国西南及西北地区蕴藏着大量的高压、高产、高含硫的天然气资源，这些天然气资源在中国能源总量中所占地比重逐渐增加，正逐步成为中国油气资源的开发重点。但由于这些地区普遍存在地质构造复杂、油气资源埋藏较深、地层压力高、产量高、部分地区伴有高浓度H2S，且地层压力预测困难等因素，使该类气藏开发面临许多安全问题，存在着许多安全隐患。因此，井筒压力控制技术的研究一直是“三高气田钻完井安全技术体系”领域中的重要研究课题。它对提升中国三高气田钻完井安全技术水平和自主勘探开发三高气田的能力，预防和杜绝三高气田钻完井重特大事故的发生，具有重要的现实意义和深远的历史意义，亦将产生巨大的社会效益和经济效益。
对于“三高”气藏，大都埋藏较深，地层流体处于临界或超临界状态，而临界或超临界流体具有很好的溶解性，在井底条件下，钻井液中会溶解大量的超临界态流体，该多相流体系在沿井筒运移过程中受到压力、温度变化的影响，体系中各相会发生相态变化或相间传质等物理化学过程以及能量、动量的传递，其结果导致井内流体各物性参数在极短时间内随井深和时间发生快速变化，使环空内流体的流动规律变得十分复杂。如何根据环空内流体在各种不同井深条件下的流动形态、相态变化等来预测相应的环空压力剖面是准确控制井筒压力的难点。[3]
超临界井筒多相流动实验装置发明内容
超临界井筒多相流动实验装置目的
《超临界井筒多相流动实验装置》的目的就是针对2009年5月以前技术存在的缺陷，提供一种超临界井筒多相流动实验装置，能够模拟高温高压临界状态条件下，气体或气液两相流体的井筒内流动规律的实验装置，进而可以研究临界和超临界条件下气体在井筒内的流动特性，建立井筒多相流动态力学模型及计算方法，预测井筒多相流压力，为油气钻探中井筒压力控制奠定基础。[3]
超临界井筒多相流动实验装置技术方案
《超临界井筒多相流动实验装置》主要由水罐、高压水泵、液体流量控制器、高压气体压缩机、高压气罐、干燥器、气体流量控制器、气液两相混合器、高压井筒、内管、回流管线、气液分离罐、背压控制系统、温度控制系统、空隙率测量系统和压力压差测量系统组成，所述的高压井筒内腔设有内管，外侧设有阻抗式空隙率计，所述的高压井筒的底部通过管线连接气液两相混合器，气液两相混合器分别连通气体流量控制器和液体流量控制器；所述的气体流量控制器依次连接干燥器、高压气罐和高压气体压缩机，所述的液体流量控制器依次连接高压水泵和水罐；所述的高压井筒的顶端连接回流管线，所述的回流管线的另一端通过气液分离罐、背压控制系统和调控器连通水罐。
上述的水罐内设有加热棒、温度控制系统、水位监控器和温度监控器，水罐内的水由加热棒加热，温度由温度控制系统控制，以保持试验系统温度恒定，温度可以达到90度。
上述的气液分离罐与背压控制系统和调控器连通，背压控制系统，以保持试验系统压力恒定，井筒压力可以达到10兆帕，分离的水经过回流管线流入水罐，气体经过背压阀直接排大气。
上述的高压井筒的长为14米，外管外径140毫米，外管内径130毫米，内管外径60毫米，高压井筒出口设有压力计，高压井筒的上下两端分别设有压差计和阻抗式空隙率计；空隙率测量系统，用以判断流型、测量气泡上升速度、空隙率波传播速度等；压力压差测量系统，用以研究井筒气体或多相流动规律。[3]
超临界井筒多相流动实验装置有益效果
《超临界井筒多相流动实验装置》可实现高温高压超临界条件下的井筒气体或气液多相流现象的模拟，是三高气田开采技术研究的重要工具。该设备可实现：（1）超临界条件下井筒气体流动模拟；（2）临界和超临界条件下气液多相流流动模拟；（3）常压下气体或气液多相流流动模拟。该设备的建成将形成一个综合的超临界井筒多相流动模拟实验平台，成为中国超临界井筒多相流研究的重要基地。[3]
超临界井筒多相流动实验装置附图说明
图1是《超临界井筒多相流动实验装置》的结构示意图。
图中标记说明：水罐1、高压水泵2、液体流量控制器3、高压气体压缩机4、高压气罐5、干燥器6、气体流量控制器7、气液两相混合器8、高压井筒9、内管10、回流管线11、气液分离罐12、背压控制系统13、回流管线14、阻抗式空隙率计15、15’、15”、压差计16、16’、温度控制器17、压力计18、加热棒19、温度控制系统20、水位监控器21、温度监控器22、计算机控制23、信号线24、调控器25。[3]
图1
超临界井筒多相流动实验装置权利要求
1.一种超临界井筒多相流动实验装置，其特征是：主要由水罐（1）、高压水泵（2）、液体流量控制器（3）、高压气体压缩机（4）、高压气罐（5）、干燥器（6）、气体流量控制器（7）、气液两相混合器（8）、高压井筒（9）、内管（10）、回流管线（11）、气液分离罐（12）、背压控制系统（13）、温度控制系统（20）、空隙率测量系统和压力压差测量系统组成，所述的高压井筒（9）内腔设有内管（10），外侧设有阻抗式空隙率计（15、15’、15”），所述的高压井筒（9）的底部通过管线连接气液两相混合器（8），气液两相混合器（8）分别连通气体流量控制器（7）和液体流量控制器（3）；所述的气体流量控制器（7）依次连接干燥器（6）、高压气罐（5）和高压气体压缩机（4），所述的液体流量控制器（3）依次连接高压水泵（2）和水罐（1）；所述的高压井筒（9）的顶端连接回流管线（11），所述的回流管线（11）的另一端通过气液分离罐（12）、背压控制系统（13）和调控器（25）连通水罐（1）。
2.根据权利要求1所述的超临界井筒多相流动实验装置，其特征是：所述的水罐（1）内设有加热棒（19）、温度控制系统（20）、水位监控器（21）和温度监控器（22），水罐内的水由加热棒（19）加热，温度由温度控制系统（20）控制。
3.根据权利要求1所述的超临界井筒多相流动实验装置，其特征是：所述的气液分离罐（12）与背压控制系统（13）和调控器（25）连通，水位由调控器（25）控制，分离的水经过回流管线（14）流入水罐（1），气体经过背压阀直接排大气。
4.根据权利要求1所述的超临界井筒多相流动实验装置，其特征是：所述的高压井筒（9）的长为14米，外管外径140毫米，外管内径130毫米，内管外径60毫米，高压井筒出口设有压力计（18），高压井筒的上下两端分别设有压差计（16、16’）和阻抗式空隙率计（15、15’、15”）。[3]
超临界井筒多相流动实验装置实施方式
- 实施例1
结合附图1，对《超临界井筒多相流动实验装置》作进一步详细的描述（超临界条件下井筒气体流动模拟）：
整体结构是：主要由水罐1、高压水泵2、液体流量控制器3、高压气体压缩机4、高压气罐5、干燥器6、气体流量控制器7、气液两相混合器8、高压井筒9、内管10、回流管线11、气液分离罐12、背压控制系统13、回流管线14、阻抗式空隙率计15、15’、15”、压差计16、16’、温度控制器17、压力计18、加热棒19、温度控制系统20、水位监控器21、温度监控器22、计算机控制23、信号线24、调控器25连接组成。
用于模拟超深天然气井钻探过程中在超临界条件下的井筒流动规律。
其技术方案是：上述其他结构不变，水罐1、高压水泵2、液体流量控制器3、空隙率测量计15不需要工作。高压气体由高压气体压缩机4、高压气罐5、干燥器6、气体流量控制器7提供，流经气液两项混合器8、高压井筒9、内管10、回流管线11、气液分离罐12、背压控制系统13，压差计16用于测量流动压差。通过控制背压（10兆帕）可以实现井筒内气体的超临界流动。可以测量的流动参数有井筒入口压力、出口压力、沿程压差、流量、温度等，以便计算分析。
- 实施例2
结合附图1，对《超临界井筒多相流动实验装置》作进一步详细的描述（临界和超临界条件下气液多相流流动模拟）：
用于模拟超深天然气井钻探过程中在超临界条件下且有液体产出的井筒流动规律。
其技术方案是：上述其他结构不变，水罐1、高压水泵2、液体流量控制器3用于提供高压流动液体，加热棒19来加热用来加热水、由温度控制器20控制温度值，高压气体由高压气体压缩机4、高压气罐5、干燥器6、气体流量控制器7提供，流经气液两项混合器8、高压井筒9、内管10、回流管线11、气液分离罐12、背压控制系统13，压差计16用于测量流动压差，空隙率测量计15用于测量流动过程井筒截面含气率和空隙率波动。通过控制背压（10兆帕）可以实现井筒内压力，使气体在超临界条件下流动。可以测量的流动参数有井筒入口压力、出口压力、沿程压差、流量、空隙率波、平均截面含气率、温度等，以便计算分析。[3]
- 实施例3
结合附图1，对《超临界井筒多相流动实验装置》作进一步详细的描述（常压下气体或气液多相流流动模拟）：
同上述实施例2，只是背压控制系统13的不工作，令井筒出口通大气就可以实现。[3]
超临界井筒多相流动实验装置荣誉表彰
2013年10月，《超临界井筒多相流动实验装置》获得第十五届中国优秀奖。[2]
参考资料
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