井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備及方法，該設備由環(huán)空井筒、改進的PIV系統(tǒng)、定電流法裝置、高速攝像機、攪拌池、雜質泵、空氣壓縮機、壓力傳感器、流量計、管路和閥門組成；本發(fā)明首次將PIV系統(tǒng)、激光誘導技術、折射率匹配技術、定電流法、高速攝像機記錄技術相結合，利用透明鉆井液和透明巖屑，系統(tǒng)研究了井筒環(huán)空中氣液固三相流動中滑脫特性；本發(fā)明通過研究不同鉆井液粘稠度、鉆井液流量、巖屑濃度和截面含氣率因素的試驗，得到巖屑和氣體在井筒環(huán)空氣液固三相流動中滑脫方式的規(guī)律和滑脫速度的具體表達式，為鉆井的工藝設計和井控安全提供有效的技術支持。
【專利說明】井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種油氣井領域探測技術，具體地說是井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備及方法。

【背景技術】
[0002]鉆井時井筒環(huán)空中普遍存在巖屑、氣體和鉆井液的三相流動，三相流動相間的滑脫方式和滑脫速度直接決定三相流動的流動狀態(tài)以及井筒的壓力分布，由于氣液固三相流動中相間性質差別巨大，相間流型變化頻繁，相間存在互相遮擋，固體顆粒與氣體難以識另O，針對氣液固三相流動的研究大多集中在宏觀的壓強分布上面，而對微觀相間滑脫特性研究難以展開。
[0003]目前，德國Lavis1n公司生產的TOMO型PIV系統(tǒng)，PIV系統(tǒng)包括氬離子激光器、4臺相機和PIV分析系統(tǒng)，廣泛的應用于低濃度固液兩相流動和低濃度氣液兩相流動滑脫特性的研究，但是Piv系統(tǒng)難以應用于高濃度固液兩相流動、高濃度氣液兩相流動和氣液固三相流動滑脫特性的研究，這是由于Piv系統(tǒng)難以識別出氣液固三相流動中的巖屑顆粒；同時，當氣液固三相流動中產生氣泡時，氣泡會反射氬離子激光器產生的強光，從而燒壞相機的鏡頭。
[0004]另外，在井筒環(huán)空氣液固三相流動中由于高濃度巖屑顆粒之間的相互遮擋，使用常規(guī)試驗方法難以進行巖屑和氣體流型的觀察，難以進行不同形狀巖屑的滑脫特性分析。
[0005]因此，在目前的實際應用中，還沒有發(fā)現(xiàn)一種有效的針對井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量的設備及方法。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是為解決上述不足，提供井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備及方法，以解決現(xiàn)有技術中缺少針對井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備及方法的問題。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0008]提供了井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備，由環(huán)空井筒、改進的PIV系統(tǒng)、定電流法裝置、高速攝像機、攪拌池、雜質泵、空氣壓縮機、壓力傳感器、流量計、管路和閥門組成；環(huán)空井筒頂端設有出口，頂端出口通過管路與攪拌池連通，環(huán)空井筒底端設有入口，入口上安裝有三通接頭，攪拌池通過管路與雜質泵連通，雜質泵通過管路與三通接頭連通，雜質泵與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、液體壓力傳感器和液體流量計；空氣壓縮機通過管路與三通接頭連通，空氣壓縮機與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、氣體壓力傳感器和氣體流量計；環(huán)空井筒中間設有試驗區(qū)域，試驗區(qū)域的一側放置改進的PIV系統(tǒng)的氬離子激光器，試驗區(qū)域的另一側放置高速攝像機和改進的PIV系統(tǒng)的相機；環(huán)空井筒上設有6個鉆孔，環(huán)空井筒頂端和底端分別設有I個鉆孔，試驗區(qū)域的上截面和下截面處的環(huán)空井筒上分別設有2個鉆孔，液體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域下截面的I個鉆孔上，氣體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域上截面的I個鉆孔上；恒流電源通過導線與安裝在環(huán)空井筒頂端和底端鉆孔上的監(jiān)測銅環(huán)連接，數(shù)據(jù)采集儀通過導線與安裝在試驗區(qū)域上截面和下截面處的2個監(jiān)測銅環(huán)連接，計算機通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀連接。
[0009]其中，所述的環(huán)空井筒分為外井筒和內井筒，外井筒和內井筒均由石央玻璃制成，內井筒兩端封閉，內井筒通過細鋼條固定于外井筒的正中心，內井筒與外井筒組成環(huán)空井筒；環(huán)空井筒為三相流動提供試驗區(qū)域，試驗區(qū)域位于環(huán)空井筒的中心位置，外井筒的頂端、底端和試驗區(qū)域的上下兩個截面處設有鉆孔；外井筒的底端設有入口，入口上安裝有三通接頭，外井筒的頂端設有出口 ；
[0010]所述的定電流法裝置由恒流電源、數(shù)據(jù)采集儀、計算機、監(jiān)測銅環(huán)和導線組成，恒流電源為6655A型恒流電源；數(shù)據(jù)采集儀為INV306型智能信號采集處理分析系統(tǒng)；
[0011]所述的聞速攝像機為V310型聞速攝像機；
[0012]所述的攪拌池為Im3的池子；
[0013]所述的雜質泵為100KF-32型不銹鋼雜質泵；
[0014]所述的空氣壓縮機為W3.0型活塞式空氣壓縮機；
[0015]所述的壓力傳感器分為氣體壓力傳感器和液體壓力傳感器，氣體傳感器為PG1300Y型氣體壓力傳感器；液體壓力傳感器為PT500-700型液體壓力傳感器；
[0016]所述的流量計分為氣體流量計和液體流量計，氣體流量計為MH6120型氣體流量計；液體流量計為LZNDB型液體流量計；
[0017]所述的管路為阻燃尼龍軟管；
[0018]所述的閥門為調節(jié)閥。
[0019]其中，所述的改進的PIV系統(tǒng)相機鏡頭前放置藍色濾光片。
[0020]井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法，包括如下步驟:巖屑分組步驟、制備鉆井液步驟、巖屑形狀修正因子試驗步驟、設備安裝及調試步驟、三相流動中相間滑脫特性試驗步驟、圖像分析和數(shù)據(jù)處理步驟。
[0021]其中，所述的巖屑分組步驟，巖屑為兩部分，第一部分巖屑用于巖屑沉降形狀修正因子試驗步驟，由體積不同的球體玻璃巖屑和體積不同的圓片體玻璃巖屑混合而成；第二部分巖屑用于三相流動中相間滑脫特性試驗步驟，由玻璃珠組成的玻璃巖屑，玻璃珠直徑為0.9mm,比重為2.5，透光率為86%，將1%。的玻璃巖屑表面涂上二苯乙烯熒光涂料，作為突光示蹤粒子。
[0022]其中，所述的制備鉆井液步驟，制備4組鉆井液，在4組清水中分別加入2%的降濾失劑和分別加入1%。、2%。、3%。、4%。的增粘劑,鉆井液制備完成后分別測量4組鉆井液的S度、粘稠度和折射率，并記錄。
[0023]其中，所述的巖屑形狀修正因子試驗步驟，將制備的4組鉆井液靜止放置，將第一部分巖屑放置在I組鉆井液中，分別測量球體玻璃巖屑和圓片體玻璃巖屑的沉降速度，繪制圓片體玻璃巖屑的沉降速度與圓片體玻璃巖屑的等效直徑和寬厚比的關系圖，通過對比圓球體巖屑與圓片體巖屑的沉降速度，計算巖屑形狀修正因子；使用其它3組鉆井液，重復以上步驟。
[0024]其中，所述的設備安裝及調試步驟，設備安裝，環(huán)空井筒頂端的出口通過管路與攪拌池連通，攪拌池通過管路與雜質泵連通，環(huán)空井筒底端入口上安裝的三通接頭通過管路與雜質泵連通，雜質泵與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、液體壓力傳感器和液體流量計，空氣壓縮機通過管路與三通接頭連通，空氣壓縮機與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、氣體壓力傳感器和氣體流量計，在環(huán)空井筒的試驗區(qū)域一側放置改進的Piv系統(tǒng)的氬離子激光器，試驗區(qū)域的另一側放置高速攝像機和改進的Piv系統(tǒng)的相機，液體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域下截面的I個鉆孔上，氣體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域上截面的I個鉆孔上，恒流電源通過導線與安裝在環(huán)空井筒頂端和底端鉆孔上的監(jiān)測銅環(huán)連接，數(shù)據(jù)采集儀通過導線與安裝在試驗區(qū)域上截面和下截面處的2個監(jiān)測銅環(huán)連接，計算機通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀連接；設備調試，開啟各個設備后，鉆井液依次按照10L/S，20L/S，30L/S，40L/s的流量輸送，每種輸送的鉆井液流量中巖屑濃度依次按照
6%改變，在每種情況下進行系統(tǒng)調試，使設備正常運行、連接處無滲漏和采集圖像清晰可見。
[0025]其中，所述的三相流動中相間滑脫特性試驗步驟:在攪拌池中將第二部分巖屑與鉆井液混合，開啟步調試好的試驗設備進行試驗，首先選用I組鉆井液，在攪拌池中配置好體積濃度為0.5%的鉆井液，第二部分巖屑中1%。巖屑表面涂上二苯乙烯類熒光涂料；開啟雜質泵，使鉆井液排量為lOL/s，然后開啟空氣壓縮機，利用定電流法裝置監(jiān)測試驗區(qū)域上下兩個截面的含氣率，當平均截面含氣率為5%時，開啟氬離子激光器、改進的PIV系統(tǒng)和高速攝像機，記錄試驗區(qū)域內巖屑和氣體在鉆井液中的流動狀態(tài)，同時記錄環(huán)空井筒入口氣體的壓力和流量，以及此時截面含氣率脈動曲線，逐步增大氣體流量，直到截面含氣率為90%，在每一個設定的截面含氣率下記錄以上數(shù)據(jù)，然后再改變鉆井液的組次、流量和巖屑濃度，重復以上步驟。
[0026]其中，所述的圖像分析和數(shù)據(jù)處理步驟，定電流法裝置信號轉換，將定電流法裝置記錄監(jiān)測銅環(huán)間的電壓信號，轉化為截面含氣率信號，是通過公式:
[0027]==
Λ K Um
[0028]式中:α為截面含氣率，A0為環(huán)空截面積，Am為液體所占面積，R0為單相液體時監(jiān)測銅環(huán)間的電阻，Rffl為氣液兩相時監(jiān)測銅環(huán)間的電阻，U0為單相液體時監(jiān)測銅環(huán)間的電壓，Uffl為氣液兩相時監(jiān)測銅環(huán)間的電壓；
[0029]量綱分析和多元回歸分析，能夠確定影響巖屑滑脫速度的主要因素包括:單顆粒巖屑在靜止鉆井液中沉速，巖屑形狀影響因子β，平均巖屑體積濃度Sv，平均截面含氣率α，流型X，鉆井液運移速度\，得出巖屑在氣液固三相流動中的滑脫速度表達式:
[0030]ω c = f ( ω ⑶,β , Sv, α，χ , Vl)
[0031]能夠確定影響氣體滑脫速度的主要因素包括:平均巖屑體積濃度Sv，平均截面含氣率α，微小氣泡在靜止鉆井液中的上升速度Oai，流型X，鉆井液運移速度' ;得出氣體在氣液固三相流動中的滑脫速度表達式:
[0032]qg = f (qgo, β , Sv, α，χ , VL)
[0033]量綱分析和多元回歸分析，得出巖屑在氣液固三相流動中的滑脫無量綱速度表達式:
/y \
[0034]— = / β,Ξν,α,χ,
iyCOVωοο >
[0035]得出氣體在氣液固三相流動中的滑脫無量綱速度表達式:
fy \
[0036]-^ = / Sv,a,x,^
coGO ViyGo y
[0037]本發(fā)明的有益效果:
[0038]本發(fā)明的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備，首次將PIV系統(tǒng)、激光誘導技術、折射率匹配技術、定電流法、高速攝像機記錄技術相結合，利用透明鉆井液和透明巖屑，系統(tǒng)研究了井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫特性；
[0039]本發(fā)明的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法，通過研究不同鉆井液粘稠度、鉆井液流量、巖屑濃度和截面含氣率因素的試驗，得到巖屑和氣體在井筒環(huán)空氣液固三相流動中滑脫方式的規(guī)律和滑脫速度的具體表達式，為鉆井的工藝設計和井控安全提供有效的技術支持。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0041]圖1為本發(fā)明實施例所提供的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備布置示意圖；
[0042]圖2為本發(fā)明實施例所提供的定電流法測定截面含氣率裝置結構示意圖；
[0043]圖3為本發(fā)明實施例所提供的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法流程圖。

【具體實施方式】
[0044]以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解這些實施例是用于說明本發(fā)明而不是限制本發(fā)明的范圍。實施例中采用的實施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進一步調整，未注明的實施條件通常為常規(guī)試驗中的條件。
[0045]請參照圖1至圖2，圖1為本發(fā)明實施例所提供的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備布置示意圖；圖2為本發(fā)明實施例所提供的定電流法測定截面含氣率裝置結構示意圖。
[0046]在一種具體實施例中，提供了井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備，由環(huán)空井筒、改進的PIV系統(tǒng)、定電流法裝置、高速攝像機、攪拌池、雜質泵、空氣壓縮機、壓力傳感器、流量計、管路和閥門組成；環(huán)空井筒頂端設有出口，頂端出口通過管路與攪拌池連通，環(huán)空井筒底端設有入口，入口上安裝有三通接頭，攪拌池通過管路與雜質泵連通，雜質泵通過管路與三通接頭連通，雜質泵與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、液體壓力傳感器和液體流量計；空氣壓縮機通過管路與三通接頭連通，空氣壓縮機與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、氣體壓力傳感器和氣體流量計；環(huán)空井筒中間設有試驗區(qū)域，試驗區(qū)域的一側放置改進的PIV系統(tǒng)的氬離子激光器，試驗區(qū)域的另一側放置高速攝像機和改進的PIV系統(tǒng)的相機；環(huán)空井筒上設有6個鉆孔，環(huán)空井筒頂端和底端分別設有I個鉆孔，試驗區(qū)域的上截面和下截面處的環(huán)空井筒上分別設有2個鉆孔，液體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域下截面的I個鉆孔上，氣體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域上截面的I個鉆孔上；恒流電源通過導線與安裝在環(huán)空井筒頂端和底端鉆孔上的監(jiān)測銅環(huán)連接，數(shù)據(jù)采集儀通過導線與安裝在試驗區(qū)域上截面和下截面處的2個監(jiān)測銅環(huán)連接，計算機通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀連接。
[0047]具體的，所述的環(huán)空井筒分為外井筒和內井筒，外井筒和內井筒均由石英玻璃制成，由于石英玻璃具有透光性，試驗時，能夠觀察環(huán)空井筒內部的氣液固三相流動狀態(tài)；夕卜井筒長為5.0m,內徑為14.9cm ；內井筒長為4.0m,外徑為7.3cm ；內井筒兩端封閉，內井筒通過細鋼條固定于外井筒的正中心組成環(huán)空井筒，內井筒兩端距外井筒兩端各0.5m長；環(huán)空井筒為三相流動提供試驗區(qū)域，試驗區(qū)域位于環(huán)空井筒的中心位置，試驗區(qū)域的長度為0.4m，試驗區(qū)域的上下兩個截面的外井筒筒壁上設有鉆孔，壓力傳感器和定電流法裝置的監(jiān)測銅環(huán)能夠固定在鉆孔上；外井筒的底端設有入口，入口上安裝有三通接頭，外井筒的頂端設有出口。
[0048]進一步的，所述的改進的PIV系統(tǒng)相機鏡頭前放置藍色濾光片，相機通過藍色濾光片只能夠接受熒光示蹤粒子激發(fā)出的藍色光，消除氣液固三相流動時氣泡的影響，使PIV系統(tǒng)的相機能夠連續(xù)拍攝示蹤粒子的圖片，確定巖屑的滑脫狀態(tài)。
[0049]進一步的，所述的定電流法裝置由恒流電源、數(shù)據(jù)采集儀、計算機、監(jiān)測銅環(huán)和導線組成，恒流電源為Agilent公司生產的6655A型恒流電源，此型恒流電源能夠加快測試速度、減少噪聲產生和提高測試精度；數(shù)據(jù)采集儀為北京東方震動與噪聲控制技術研究所生產的INV306型智能信號采集處理分析系統(tǒng)，此型數(shù)據(jù)采集儀能夠為定電流法裝置提供信號的智能采集和分析；計算機為通用微機，包括臺式、筆記本式或便攜式平板等計算機；監(jiān)測銅環(huán)分為4個，2個監(jiān)測銅環(huán)安裝在環(huán)空井筒頂端和底端的鉆孔上，2個監(jiān)測銅環(huán)間安裝在試驗區(qū)域上截面和下截面處，通過安裝在試驗區(qū)域上截面和下截面處2個監(jiān)測銅環(huán)兩端的電壓值能夠判斷氣液固三相流動截面的含氣率。
[0050]進一步的,所述的高速攝像機為美國Phantom公司生產的V310型高速攝像機,此型高速攝像機能夠用來連續(xù)拍攝氣泡運動的圖像，并以此計算氣泡的滑脫速度。
[0051]進一步的，所述的攪拌池和雜質泵能夠為裝置輸送巖屑和鉆井液，攪拌池為Im3的池子，攪拌池能夠用來配置、儲存和回收巖屑和鉆井液，試驗時，攪拌池始終處于攪拌狀態(tài)，使巖屑和鉆井液混合均勻；雜質泵為東莞冠星水泵廠生產的100KF-32型不銹鋼雜質泵，此型能夠用來輸送巖屑和鉆井液。
[0052]進一步的，所述的空氣壓縮機能夠為裝置輸送氣源，空氣壓縮機為上海博巨公司生產的W3.0型活塞式空氣壓縮機，此型空氣壓縮機能夠調節(jié)輸送氣量，以上攪拌池、雜質泵和空氣壓縮機能夠滿足本試驗要求。
[0053]進一步的，所述的壓力傳感器分為氣體壓力傳感器和液體壓力傳感器，氣體傳感器為日本松葉電氣生產的PG1300Y型氣體壓力傳感器,共2個；液體壓力傳感器佛山普量電子生產的PT500-700型液體壓力傳感器，共2個，能夠用來測量鉆井液和巖屑混合流體的壓力；以上兩種壓力傳感器能夠滿足本試驗的要求。
[0054]進一步的，所述的流量計分為氣體流量計和液體流量計，氣體流量計為MH6120型氣體流量計，共2個；液體流量計為LZNDB型液體流量計，共2個，能夠用來測量鉆井液和巖屑混合流體的流量；以上兩種流量計能夠滿足本試驗的要求。
[0055]進一步的，所述的管路為阻燃尼龍軟管，具有柔韌性好、彎曲性好、承重性好和耐油性好的特點；閥門為調節(jié)閥，能夠調節(jié)氣體、巖屑和鉆井液的壓力和流量；以上管路和閥門組合能夠滿足本試驗的要求。
[0056]請參照圖3，圖3為本發(fā)明實施例所提供的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法流程圖。
[0057]在一種具體實施例中，提供了井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法，包括如下步驟:巖屑分組步驟、制備鉆井液步驟、巖屑形狀修正因子試驗步驟、設備安裝及調試步驟、三相流動中相間滑脫特性試驗步驟、圖像分析和數(shù)據(jù)處理步驟。
[0058]進一步的，所述的巖屑分組步驟:巖屑為兩部分，第一部分巖屑用于巖屑形狀修正因子試驗，第二部分巖屑用于三相流動中相間滑脫特性試驗。
[0059]進一步的，所述的第一部分巖屑，由體積不同的球體玻璃巖屑10組和體積不同的圓片體玻璃巖屑40組混合而成,第一部分巖屑用于考察球體巖屑和圓片體巖屑在靜止鉆井液中沉降速度差異，用于測量球體巖屑和圓片體巖屑的形狀修正因子；所述的第二部分巖屑，由總重量為500kg的玻璃珠組成的玻璃巖屑，玻璃珠直徑為0.9mm,比重為2.5，透光率為86%，將1%。的玻璃巖屑表面涂上二苯乙烯熒光涂料，作為熒光示蹤粒子，玻璃巖屑折射率能夠與鉆井液折射率匹配，能夠避免高巖屑濃度鉆井液中巖屑顆粒的相互遮擋效應，試驗時，光能夠順利進入到流體內部而在玻璃巖屑接觸表面不產生折射。
[0060]進一步的，所述的制備鉆井液步驟，制備4組鉆井液各3m3，在4組清水中分別加入2%的降濾失劑和分別加入1%。、2%。、3%。、4%。的增粘劑,其中加入1%。增粘劑的鉆井液為弟I組鉆井液，其中加入2%。增粘劑的鉆井液為弟2組鉆井液，其中加入3%。增粘劑的鉆井液為弟3組鉆井液，其中加入4%。增粘劑的鉆井液為弟4組鉆井液，鉆井液制備完成后分別測量4組鉆井液的密度、粘稠度和折射率，并記錄；制備不同粘稠度的、透明的鉆井液，用于模擬鉆井過程中采用的鉆井液。
[0061]進一步的，所述的巖屑形狀修正因子試驗步驟:將制備的4組鉆井液靜止放置，將第一部分巖屑放置在第I組鉆井液中，分別測量10組球體玻璃巖屑和40組圓片體玻璃巖屑的沉降速度，繪制圓片體玻璃巖屑的沉降速度與圓片體玻璃巖屑的等效直徑和寬厚比的關系圖，通過對比圓球體巖屑與圓片體巖屑的沉降速度，計算巖屑形狀修正因子，使用其它3組鉆井液，重復以上步驟。
[0062]進一步的，所述的圓片體巖屑的等效直徑，是與圓片體巖屑體積相等的球體巖屑的直徑；圓片體巖屑的寬厚比，是圓片體巖屑底面直徑與圓片體巖屑厚度的比值。
[0063]進一步的，所述的設備安裝及調試步驟，設備安裝，環(huán)空井筒頂端的出口通過管路與攪拌池連通，攪拌池通過管路與雜質泵連通，環(huán)空井筒底端入口上安裝的三通接頭通過管路與雜質泵連通，雜質泵與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、液體壓力傳感器和液體流量計，空氣壓縮機通過管路與三通接頭連通，空氣壓縮機與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、氣體壓力傳感器和氣體流量計，在環(huán)空井筒的試驗區(qū)域一側放置改進的PIV系統(tǒng)的氬離子激光器，試驗區(qū)域的另一側放置高速攝像機和改進的PIV系統(tǒng)的相機，液體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域下截面的I個鉆孔上，氣體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域上截面的I個鉆孔上，恒流電源通過導線與安裝在環(huán)空井筒頂端和底端鉆孔上的監(jiān)測銅環(huán)連接，數(shù)據(jù)采集儀通過導線與安裝在試驗區(qū)域上截面和下截面處的2個監(jiān)測銅環(huán)連接，計算機通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀連接；設備調試，開啟各個設備后，鉆井液依次按照10L/s，20L/s，30L/s，40L/s的流量輸送，每種輸送的鉆井液流量中巖屑濃度依次按照5 %，6 %改變，在每種情況下進行系統(tǒng)調試，使設備正常運行、連接處無滲漏和采集圖像清晰可見。
[0064]進一步的，三相流動中相間滑脫特性試驗步驟:所述的三相流動中相間滑脫特性試驗步驟:在攪拌池中將第二部分巖屑與鉆井液混合，開啟步調試好的試驗設備進行試驗，首先選用第I組鉆井液，在攪拌池中配置好體積濃度為0.5%的鉆井液，第二部分巖屑中I %。巖屑表面涂上滅光涂料；開啟雜質栗，使鉆井液排量為1L/s,然后開啟空氣壓縮機，利用定電流法裝置監(jiān)測試驗區(qū)域上下兩個截面的含氣率，當平均截面含氣率為5%時，開啟氬離子激光器、改進的PIV系統(tǒng)和高速攝像機，記錄試驗區(qū)域內巖屑和氣體在鉆井液中的流動狀態(tài)，同時記錄環(huán)空井筒入口氣體的壓力和流量，以及此時截面含氣率脈動曲線，逐步增大氣體流量，直到截面含氣率為90%，在每一個設定的截面含氣率下記錄以上數(shù)據(jù)，然后再改變鉆井液的組次、流量和巖屑濃度，重復以上步驟；試驗包括鉆井液、鉆井液流量和巖屑濃度三種因素的組合，制備鉆井液步驟中的鉆井液4組；每組鉆井液按照4種流量試驗:分別為10L/s，20L/s，30L/s，40L/s ;巖屑濃度為0.5% _6%，間隔0.5%是一個試驗組次，共12種巖屑濃度；共進行試驗組次4X4X12 = 192組；每組試驗中，調節(jié)環(huán)空井筒入口氣體的流量，使試驗區(qū)域內出現(xiàn)19種截面含氣率:分別為0-90%，每隔5%是一個試驗組次；每組試驗中記錄數(shù)據(jù)19次；全部試驗記錄數(shù)據(jù)192 X 19 = 3648次。
[0065]進一步的，所述的調節(jié)氣體流量，是用來模擬溫度和壓力對截面含氣率和流型的影響，在每個截面含氣率下研究巖屑和氣體的滑脫特性，以此達到在試驗室模擬真實井筒深埋地下幾千米的井段，從而達到在高溫高壓條件下觀測三相流內部的滑脫情況。
[0066]巖屑滑脫方式由改進的PIV系統(tǒng)的4臺相機連續(xù)拍攝示蹤粒子的圖片確定，在氬離子激光器激發(fā)產生的綠光照射環(huán)空井筒的試驗區(qū)時，涂有二苯乙烯熒光涂料玻璃珠受激發(fā)產生藍光，通過安裝藍色濾光片改進的PIV系統(tǒng)的會拍攝到巖屑的流型，從而確定巖屑的滑脫狀態(tài)。
[0067]氣體滑脫方式，由高速攝像機拍攝氣泡運動情況的圖像和定電流法裝置測量試驗區(qū)域截面含氣率確定，環(huán)空內為泡狀流時，通過高速攝像機拍攝試驗區(qū)域內氣泡的運移特性，確定氣體的滑脫狀態(tài)；環(huán)空內為段塞流、攪拌流和環(huán)狀流時，利用定電流法裝置記錄兩組監(jiān)測銅環(huán)間的電壓信號，通過將電壓信號轉化為截面含氣率，確定氣體的滑脫狀態(tài)。
[0068]進一步的，所述的試驗區(qū)域壓強通過安裝在外井筒鉆孔上的壓力傳感器測量。
[0069]進一步的，所述的進口氣體流量和壓強通過安裝在連接空氣壓縮機與環(huán)空井筒進口三通管路上的壓力傳感器和流量計測量；進口巖屑和鉆井液流量和壓強通過安裝在連接雜質泵與環(huán)空井筒進口三通管路上的壓力傳感器和流量計測量。
[0070]進一步的，所述的圖像分析和數(shù)據(jù)處理步驟:圖像分析，是利用PIV系統(tǒng)的相機連續(xù)拍攝巖屑的圖片，通過圖片觀察巖屑顆粒的運動方式和運移速度；是利用高速攝像機連續(xù)拍攝氣泡的圖像，通過圖像觀察氣泡的運動方式和運移速度。
[0071]數(shù)據(jù)處理包括定電流法裝置信號轉換、量綱分析和多元回歸分析。
[0072]進一步的，所述的定電流法裝置信號轉換，將定電流法裝置記錄監(jiān)測銅環(huán)間的電壓信號，轉化為截面含氣率信號，是通過公式:
An — A Rci Un
[0073]?= -.=
Λ K Um
[0074]式中:α -截面含氣率，A0-環(huán)空截面積，Am-液體所占面積，R0-單相液體時監(jiān)測銅環(huán)間的電阻，Rm-氣液兩相時監(jiān)測銅環(huán)間的電阻，U0-單相液體時監(jiān)測銅環(huán)間的電壓，Um-氣液兩相時監(jiān)測銅環(huán)間的電壓。
[0075]進一步的，所述的量綱分析和多元回歸分析，能夠確定影響巖屑滑脫速度的主要因素包括:單顆粒巖屑在靜止鉆井液中沉速，巖屑形狀影響因子β，平均巖屑體積濃度Sv，平均截面含氣率α，流型X，鉆井液運移速度'，能夠得出巖屑在氣液固三相流動中的滑脫速度表達式:
[0076]ω。= f (COco, β，Sv, α，χ , VL)
[0077]能夠確定影響氣體滑脫速度的主要因素包括:平均巖屑體積濃度Sv，平均截面含氣率α，微小氣泡在靜止鉆井液中的上升速度Oai，流型X，鉆井液運移速度' ;能夠得出氣體在氣液固三相流動中的滑脫速度表達式:
[0078]ω G = f ( ω G(l, β , Sv, α，χ , Vl)
[0079]進一步的，所述的量綱分析和多元回歸分析，能夠得出巖屑在氣液固三相流動中的滑脫無量綱速度表達式:
/y Λ
[0080]— = / p,Sv,a,x,—^~
ωοο ViyCO >
[0081]能夠得出氣體在氣液固三相流動中的滑脫無量綱速度表達式:
Γ I ωΓVr λ
[0082]— = f Sv,α,χ,
c0GOViyGO J
[0083]最后應當說明的是，以上實施例僅用于說明本發(fā)明的技術方案而非對本發(fā)明保護范圍的限制。盡管參照較佳實施例對本發(fā)明作了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的實質和范圍。
【權利要求】
1.井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備，其特征在于:由環(huán)空井筒、改進的PIV系統(tǒng)、定電流法裝置、高速攝像機、攪拌池、雜質泵、空氣壓縮機、壓力傳感器、流量計、管路和閥門組成；環(huán)空井筒頂端設有出口，頂端出口通過管路與攪拌池連通，環(huán)空井筒底端設有入口，入口上安裝有三通接頭，攪拌池通過管路與雜質泵連通，雜質泵通過管路與三通接頭連通，雜質泵與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、液體壓力傳感器和液體流量計；空氣壓縮機通過管路與三通接頭連通，空氣壓縮機與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、氣體壓力傳感器和氣體流量計；環(huán)空井筒中間設有試驗區(qū)域，試驗區(qū)域的一側放置改進的PIV系統(tǒng)的氬離子激光器，試驗區(qū)域的另一側放置高速攝像機和改進的PIV系統(tǒng)的相機；環(huán)空井筒上設有6個鉆孔，環(huán)空井筒頂端和底端分別設有I個鉆孔，試驗區(qū)域的上截面和下截面處的環(huán)空井筒上分別設有2個鉆孔，液體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域下截面的I個鉆孔上，氣體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域上截面的I個鉆孔上；恒流電源通過導線與安裝在環(huán)空井筒頂端和底端鉆孔上的監(jiān)測銅環(huán)連接，數(shù)據(jù)采集儀通過導線與安裝在試驗區(qū)域上截面和下截面處的2個監(jiān)測銅環(huán)連接，計算機通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀連接。
2.如權利要求1所述的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備，其特征在于:所述的環(huán)空井筒分為外井筒和內井筒，外井筒和內井筒均由石英玻璃制成，內井筒兩端封閉，內井筒通過細鋼條固定于外井筒的正中心，內井筒與外井筒組成環(huán)空井筒；環(huán)空井筒為三相流動提供試驗區(qū)域，試驗區(qū)域位于環(huán)空井筒的中心位置，外井筒的頂端、底端和試驗區(qū)域的上下兩個截面處設有鉆孔；外井筒的底端設有入口，入口上安裝有三通接頭，外井筒的頂端設有出口 ； 所述的定電流法裝置由恒流電源、數(shù)據(jù)采集儀、計算機、監(jiān)測銅環(huán)和導線組成，恒流電源為6655A型恒流電源；數(shù)據(jù)采集儀為INV306型智能信號采集處理分析系統(tǒng)； 所述的聞速攝像機為V310型聞速攝像機； 所述的攪拌池為Im3的池子； 所述的雜質泵為100KF-32型不銹鋼雜質泵； 所述的空氣壓縮機為W3.0型活塞式空氣壓縮機； 所述的壓力傳感器分為氣體壓力傳感器和液體壓力傳感器，氣體傳感器為PG1300Y型氣體壓力傳感器；液體壓力傳感器為PT500-700型液體壓力傳感器； 所述的流量計分為氣體流量計和液體流量計，氣體流量計為MH6120型氣體流量計；液體流量計為LZNDB型液體流量計； 所述的管路為阻燃尼龍軟管； 所述的閥門為調節(jié)閥。
3.如權利要求1所述的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量設備，其特征在于:所述的改進的PIV系統(tǒng)相機鏡頭前放置藍色濾光片。
4.井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法，其特征在于:包括如下步驟:巖屑分組步驟、制備鉆井液步驟、巖屑形狀修正因子試驗步驟、設備安裝及調試步驟、三相流中相間滑脫特性試驗步驟、圖像分析和數(shù)據(jù)處理步驟。
5.如權利要求4所述的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法，其特征在于:所述的巖屑分組步驟，巖屑為兩部分，第一部分巖屑用于巖屑沉降形狀修正因子試驗步驟，由體積不同的球體玻璃巖屑和體積不同的圓片體玻璃巖屑混合而成；第二部分巖屑用于三相流中相間滑脫特性試驗步驟，由玻璃珠組成的玻璃巖屑，玻璃珠直徑為0.9mm,比重為2.5，透光率為86%，將1%。的玻璃巖屑表面涂上二苯乙烯熒光涂料，作為熒光示蹤粒子。
6.如權利要求4所述的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法，其特征在于:所述的制備鉆井液步驟，制備4組鉆井液，在4組清水中分別加入2%的降濾失劑和分別加入1%。、2%。、3%。、4%。的增粘劑,鉆井液制備完成后分別測量4組鉆井液的S度、粘桐度和折射率，并記錄。
7.如權利要求4所述的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法，其特征在于:所述的巖屑形狀修正因子試驗步驟，將制備的4組鉆井液靜止放置，將第一部分巖屑放置在I組鉆井液中，分別測量球體玻璃巖屑和圓片體玻璃巖屑的沉降速度，繪制圓片體玻璃巖屑的沉降速度與圓片體玻璃巖屑的等效直徑和寬厚比的關系圖，通過對比圓球體巖屑與圓片體巖屑的沉降速度，計算巖屑形狀修正因子；使用其它3組鉆井液，重復以上步驟。
8.如權利要求4所述的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法，其特征在于:所述的設備安裝及調試步驟，設備安裝，環(huán)空井筒頂端的出口通過管路與攪拌池連通，攪拌池通過管路與雜質泵連通，環(huán)空井筒底端入口上安裝的三通接頭通過管路與雜質泵連通，雜質泵與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、液體壓力傳感器和液體流量計，空氣壓縮機通過管路與三通接頭連通，空氣壓縮機與三通接頭之間的管路上安裝有閥門、氣體壓力傳感器和氣體流量計，在環(huán)空井筒的試驗區(qū)域一側放置改進的PIV系統(tǒng)的氬離子激光器，試驗區(qū)域的另一側放置高速攝像機和改進的PIV系統(tǒng)的相機，液體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域下截面的I個鉆孔上，氣體壓力傳感器安裝在試驗區(qū)域上截面的I個鉆孔上，恒流電源通過導線與安裝在環(huán)空井筒頂端和底端鉆孔上的監(jiān)測銅環(huán)連接，數(shù)據(jù)采集儀通過導線與安裝在試驗區(qū)域上截面和下截面處的2個監(jiān)測銅環(huán)連接，計算機通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀連接；設備調試，開啟各個設備后，鉆井液依次按照lOL/s，20L/s, 30L/s,40L/s的流量輸送，每種輸送的鉆井液流量中巖屑濃度依次按照O，I %，2 %，3 %，4 %，5 %，6 %改變。
9.如權利要求4所述的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法，其特征在于:所述的三相流動中相間滑脫特性試驗步驟:在攪拌池中將第二部分巖屑與鉆井液混合，開啟步調試好的試驗設備進行試驗，首先選用I組鉆井液，在攪拌池中配置好體積濃度為0.5%的鉆井液，第二部分巖屑中1%。巖屑表面涂上二苯乙烯類熒光涂料；開啟雜質泵，使鉆井液排量為lOL/s，然后開啟空氣壓縮機，利用定電流法裝置監(jiān)測試驗區(qū)域上下兩個截面的含氣率，當平均截面含氣率為5%時，開啟氬離子激光器、改進的PIV系統(tǒng)和高速攝像機，記錄試驗區(qū)域內巖屑和氣體在鉆井液中的流動狀態(tài)，同時記錄環(huán)空井筒入口氣體的壓力和流量，以及此時截面含氣率脈動曲線，逐步增大氣體流量，直到截面含氣率為90%，在每一個設定的截面含氣率下記錄以上數(shù)據(jù)，然后再改變鉆井液的組次、流量和巖屑濃度，重復以上步驟。
10.如權利要求4所述的井筒環(huán)空中氣液固三相間滑脫測量方法，其特征在于:所述的圖像分析和數(shù)據(jù)處理步驟，定電流法裝置信號轉換，將定電流法裝置記錄監(jiān)測銅環(huán)間的電壓信號，轉化為截面含氣率信號，是通過公式:
a = AzA=i_A = i_^l
Λ K um 式中:α為截面含氣率，A0為環(huán)空截面積，Affl為液體所占面積，R0為單相液體時監(jiān)測銅環(huán)間的電阻，Rffl為氣液兩相時監(jiān)測銅環(huán)間的電阻，U0為單相液體時監(jiān)測銅環(huán)間的電壓，Um為氣液兩相時監(jiān)測銅環(huán)間的電壓； 量綱分析和多元回歸分析，能夠確定影響巖屑滑脫速度的主要因素包括:單顆粒巖屑在靜止鉆井液中沉速，巖屑形狀影響因子β，平均巖屑體積濃度Sv，平均截面含氣率α，流型X，鉆井液運移速度 '，得出巖屑在氣液固三相流動中的滑脫速度表達式:ω。= f (ωαι，β，Sv, α，X , VL) 能夠確定影響氣體滑脫速度的主要因素包括:平均巖屑體積濃度Sv，平均截面含氣率α，微小氣泡在靜止鉆井液中的上升速度ωΜ，流型X，鉆井液運移速度得出氣體在氣液固三相流動中的滑脫速度表達式:qg = f (qgo, β , Sv, α，X , Vl) 量綱分析和多元回歸分析，得出巖屑在氣液固三相流動中的滑脫無量綱速度表達式:

—=/ P,Sv,α,χ,c0CQ Vωοο J 得出氣體在氣液固三相流動中的滑脫無量綱速度表達式: —^- = / Sv,a,χ,-^-。 i0GO V c0GO J
【文檔編號】E21B47/00GK104196518SQ201410312172
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權日:2014年7月2日
【發(fā)明者】楊晨, 黃中偉, 史懷忠, 宋先知 申請人:中國石油大學(北京)