CN105178944A - 一种深水水下井筒模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深水水下井筒模拟实验装置，包括：实验套管组垂直放置在基座上，用于模拟水下井筒；增压设备用于为流入实验套管组内的流体提供压力；温度传感器用于测量实验套管组内的流体的温度场变化；压力传感器用于测量实验套管组内的流体的压力场变化；液位检测仪用于测量实验套管组内的流体的液位变化值；流量检测***用于测量流过高压管线的流体的流量；数据采集***用于采集并处理实验套管组内的流体的温度数据、压力数据和液位数据；高压管线用于提供流体的流通通道；温度控制***用于为流入实验套管组内的流体提供热量。采用本发明装置可以用来模拟深水水下井筒，使得测量的温度和压力的数值精度高，满足现场工程的实际需要。

Description

一种深水水下井筒模拟实验装置

技术领域

本发明涉及水下井筒温度压力场的试验测试技术，尤其是一种深水水下井筒模拟实验装置。

背景技术

由于水深的影响，海底及浅部地层温度低，而储层流体的温度相对较高，在油气井测试和生产初期几小时内，由于油气在生产套管中的流动会使各层套管环空密闭空间内的流体温度显著增加，随着测试或生产时间的持续，可使井筒温度上升近百度，从而导致密闭空间内的压力剧升，进而会对井筒完整性带来严重的危害。目前，对于深水水下井筒的温度和压力的测量，主要采用现场测量和理论模型来计算，导致理论预测的误差大，不能满足现场工程的实际需要。

发明内容

本发明实施例提供了一种深水水下井筒模拟实验装置，可以用来模拟深水水下井筒，可以测得数值精度高的深水水下井筒的温度值和压力值，满足现场工程的实际需要，包括：实验套管组1、增压设备2、温度传感器3、压力传感器4、液位检测仪5、流量检测***6、数据采集***7、高压管线8、温度控制***9和基座10；

所述实验套管组1垂直放置在基座10上；

所述实验套管组1、增压设备2和温度控制***9通过高压管线8连接；

所述温度传感器3、压力传感器4和液位检测仪5安装于实验套管组1内；

所述流量检测***6安装于所述高压管线8上；

所述数据采集***7与温度传感器3、压力传感器4和液位检测仪5连接；

所述实验套管组1，用于模拟实际的水下井筒；

所述增压设备2，用于为流入实验套管组1内的流体提供压力；

所述温度传感器3，用于测量实验套管组1内的流体的温度；

所述压力传感器4，用于测量实验套管组1内的流体的压力；

所述液位检测仪5，用于测量实验套管组1内的流体的液位变化值；

所述流量检测***6，用于测量流过高压管线8的流体的流量；

所述数据采集***7，用于采集并处理温度传感器3测得的实验套管组1内的流体的温度数据，压力传感器4测得的实验套管组1内的流体的压力数据，和液位检测仪5测得的实验套管组1内的流体的液位数据；

所述高压管线8，用于提供流体的流通通道；

所述温度控制***9，用于对流入实验套管组1内的流体进行温度控制。

在一个实施例中，所述实验套管组1包括：第一层套管、第二层套管、第三层套管、外筒、密封接箍和密封结构；

所述第一层套管套装在所述第二层套管内；

所述第二层套管套装在所述第三层套管内；

所述第三层套管套装在所述外筒内；

在所述第一层套管、所述第二层套管、所述第三层套管和外筒的两端分别连接有密封接箍；

在所述第二层套管的两端的密封接箍与第一层套管之间，所述第三层套管的两端的密封接箍与第二层套管之间，以及所述外筒的两端的密封接箍与第三层套管之间分别通过密封结构密封设置；

所述第一层套管的下端密封接箍通过密封结构与基座10密封相连；

所述外筒垂直设置在基座10上。

在一个实施例中，所述第一层套管的两端的密封接箍上分别设置有第一层套管进液口和第一层套管出液口；

所述第二层套管的两端的密封接箍上分别开有第二层套管进液口和第二层套管出液口；

所述第三层套管的两端的密封接箍上分别开有第三层套管进液口和第三层套管出液口；

所述外筒的两端密封接箍上分别开有外筒进液口和外筒出液口。

在一个实施例中，所述第一层套管进液口和第一层套管出液口之间通过高压管线8相连通。

在一个实施例中，所述温度传感器3安装在所述第一层套管进液口、第一层套管出液口、第二层套管进液口、第二层套管出液口、第三层套管进液口、第三层套管出液口、外筒进液口和外筒出液口处。

在一个实施例中，所述压力传感器4安装在所述第一层套管进液口、第一层套管出液口、第二层套管进液口、第三层套管进液口和外筒进液口处。

在一个实施例中，所述液位检测仪5分别安装在所述第一层套管进液口、第二层套管进液口、第三层套管进液口和外筒进液口处。

在一个实施例中，在所述第一层套管出液口、第二层套管出液口、第三层套管出液口和外筒出液口处均安装有压力控制单向阀。

在一个实施例中，所述压力控制单向阀包括单向截止阀，电动泄压阀和流量计。

在一个实施例中，所述第三层套管外壁上覆盖有保温材料。

在一个实施例中，所述外筒上焊接有吊耳。

在一个实施例中，所述增压设备2为离心泵，提供15MPa的流速和压力。

在一个实施例中，所述温度控制***9是电热***，提供0到350摄氏度的恒温热源。

在本发明实施例中，提出一种深水水下井筒模拟实验装置，包括：实验套管组1、增压设备2、温度传感器3、压力传感器4、液位检测仪5、流量检测***6、数据采集***7、高压管线8、温度控制***9和基座10，可以达到如下技术效果：利用实验套管组来模拟实际的深水水下井筒，利用温度传感器和压力传感器来测量深水水下井筒的温度和压力，使得测量的温度和压力的数值精度高，满足现场工程的实际需要。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种深水水下井筒模拟实验装置结构图；

图2是本发明实施例提供的一种深水水下井筒模拟实验装置中的实验套管组的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

发明人发现，现有技术中对于深水水下井筒的温度和压力的测量，主要采用现场测量和理论模型来计算，导致理论预测的误差大，不能满足现场工程的实际需要，如果可以通过一种实验装置来模拟深水水下井筒，通过温度传感器和压力传感器对深水水下井筒的温度和压力进行测量，就可以解决上述现有技术中存在的问题。基于此，本发明提出一种深水水下井筒模拟实验装置。

图1是本发明实施例提供的一种深水水下井筒模拟实验装置结构图，如图1所示，包括：

实验套管组1、增压设备2、温度传感器3、压力传感器4、液位检测仪5、流量检测***6、数据采集***7、高压管线8、温度控制***9和基座10；

实验套管组1垂直放置在基座10上；在实验套管组1内充注海水，通过控制第一层套管温度压力实现第二、三层套管中流体的温度压力；

实验套管组1、增压设备2和温度控制***9通过高压管线8连接；

温度传感器3、压力传感器4和液位检测仪5安装于实验套管组1内；

流量检测***6安装于高压管线8上；

数据采集***7与温度传感器3、压力传感器4和液位检测仪5连接；

实验套管组1，用于模拟实际的水下井筒；

增压设备2，用于为流入实验套管组1内的流体提供压力；

温度传感器3，用于测量实验套管组1内的流体的温度；

压力传感器4，用于测量实验套管组1内的流体的压力；

液位检测仪5，用于测量实验套管组1内的流体的液位变化值；

流量检测***6，用于测量流过高压管线8的流体的流量；

数据采集***7，用于采集并处理温度传感器3测得的实验套管组1内的流体的温度数据，压力传感器4测得的实验套管组1内的流体的压力数据，和液位检测仪5测得的实验套管组1内的流体的液位数据；

高压管线8，用于提供流体的流通通道，外部流体通过高压管线8流入实验套管组1内；

温度控制***9，用于对流入实验套管组1内的进行温度控制。

具体实施时，实际的深水水下井筒可以包括以下几种，第一种：四层套管和一个外筒，分别为7"内流体循环通道(7"套管的内部通道，相当于一个套管环空)、7"和9-5/8"、9-5/8"和13-3/8"、13-3/8"和20"、20"和30"(或36")外筒组成的套管环空；第二种：三层套管和一个外筒，分别为7"内流体循环通道、7"和13-3/8"、13-3/8"和20"、20"和30"(或36")外筒组成的套管环空；第三种：三层套管和一个外筒，分别为9-5/8"内流体循环通道、9-5/8"和13-3/8"、13-3/8"和20"、20"和30"(或36")外筒组成的套管环空；第四种：两层套管和一个外筒，分别为9-5/8"内流体循环通道、9-5/8"和20"、20"和30"(或36")外筒组成的套管环空；第五种：两层套管和一个外筒，分别为13-3/8"内流体循环通道、13-3/8"和20"、20"和30"(或36")外筒组成的套管环空。除采用上述几种组合方式之外，还可以采用其他的组合方式。

具体实施时，本发明可以采用如图2所示结构的实验套管组，即本发明的实验套管组1采用三层套管和一个外筒的组合方式。实验套管组1包括：第一层套管2-1、第二层套管2-2、第三层套管2-3、外筒2-4、密封接箍2-5和密封结构；

所述第一层套管2-1套装在所述第二层套管2-2内；所述第二层套管2-2套装在所述第三层套管2-3内；所述第三层套管2-3套装在所述外筒2-4内；外筒2-4垂直设置在基座10上，保证实验装置的密封性和稳定性。

在第一层套管2-1、第二层套管2-2、第三层套管2-3和外筒2-4的两端分别螺纹连接有密封接箍2-5；

在第二层套管2-2的两端的密封接箍与第一层套管2-1之间，所述第三层套管2-3的两端的密封接箍与第二层套管2-2之间，以及所述外筒2-4的两端的密封接箍与第三层套管2-3之间分别通过密封结构密封设置；密封结构可以采用压套2-6、密封法兰盘2-7组合。

第一层套管2-1的下端密封接箍通过密封结构与基座10密封相连。

除图2所示组合方式，实验套管组1还可以采用上述介绍的几种实际的深水水下井筒组合方式。

具体实施时，第一层套管2-1、第二层套管2-2和第三层套管2-3中填充入各种不同的流体介质，第三层套管2-3外筒2-4之间的环空在实验前用海水充满外筒，模拟稳定的海洋环境，为内部套管散热提供环境。

具体实施时，在第一层套管2-1的两端的密封接箍2-5上分别设置有第一层套管进液口和第一层套管出液口；第一层套管进液口和第一层套管出液口之间通过高压管线8相连通。在实验时，流体经过高压管线8后从第一层套管进液口循环流入第一层套管2-1中，经过第一层套管出液口循环流出第一层套管2-1进入高压管线8。

在第二层套管2-2的两端的密封接箍2-5上分别开有第二层套管进液口和第二层套管出液口；在第三层套管2-3的两端的密封接箍2-5上分别开有第三层套管进液口和第三层套管出液口；在外筒2-4的两端密封接箍2-5上分别开有外筒进液口和外筒出液口；液体通过进液口进入套管和外筒内，通过出液口流出套管和外筒。

具体实施时，如图1所示，在所述第一层套管进液口、第一层套管出液口、第二层套管进液口、第二层套管出液口、第三层套管进液口、第三层套管出液口、外筒进液口和外筒出液口处均安装有温度传感器3，用来测量第一层套管2-1、第二层套管2-2、第三层套管2-3和外筒内2-4内液体的温度数据，通过获得的温度值调整温度控制***9输入达到所需的温度。

如图1所示，在所述第一层套管进液口、第二层套管进液口、第三层套管进液口和外筒进液口处安装有压力传感器4，用来测量第一层套管2-1、第二层套管2-2、第三层套管2-3和外筒2-4内液体的压力数据，通过获得的压力值调整增压设备2的输入达到所需的压力。

如图1所示，在所述第一层套管进液口、第二层套管进液口、第三层套管进液口和外筒进液口处安装有液位检测仪5，用来测量因温度变化导致的第一层套管2-1、第二层套管2-2、第三层套管2-3和外筒2-4内的液位变化数据。

另，图1只是表明温度传感器3、压力传感器4和液位检测仪5安装在实验套管组1的套管内，不代表具体的安装位置就是如图1所示的那些位置。

具体实施时，数据采集***7采用一种高配的琴式操作台计算机控制***，用于精准控制增压设备2(泵)的启停，来实现升压控制、保压控制和泄压控制，同时可以采集并处理温度传感器3测得的流体的温度数据，从而获得实验套管组1中的所有套管内的温度场变化；采集并处理压力传感器4测得的流体的压力数据，从而获得实验套管组1中的所有套管内的压力场变化；采集并处理液位检测仪5测得的流体的液位数据，从而获得实验套管组1中的所有套管内的液位的变化量。

具体实施时，在所述第一层套管出液口、第二层套管出液口、第三层套管出液口和外筒出液口上均安装有压力控制单向阀，可控制第一层套管2-1、第二层套管2-2、第三层套管2-3和外筒内的压力大小，当压力高于安全设定值时，压力控制单向阀会打开，防止第一层套管2-1、第二层套管2-2、第三层套管2-3和外筒挤毁。其中，压力控制单向阀包括单向截止阀，电动泄压阀和流量计，在通过将液体排出套管减轻套管内压力的同时，还可以通过流量计测量流出的液体流量。

具体实施时，第三层套管2-3的外层覆盖有保温材料，防止第三层套管2-3和外筒间环空内的流体温度升高，从而导致外筒变形，保证第三层套管2-3外部处于近似地层恒温状态。

具体实施时，外筒2-4上焊接吊耳，方便吊装。

具体实施时，第一层套管2-1推荐使用7寸套管或9-5/8寸套管；第二层套管2-2推荐使用9-5/8寸套管或13-3/8寸套管；第三层套管2-3推荐使用13-3/8寸套管或20寸套管；外筒2-4推荐使用30寸套管或36寸套管。

具体实施时，7"套管、9-5/8"套管、13-3/8"套管、20"套管、30"套管和36"套管均采用高强度钢材料。其中，7"套管可以采用80、35磅级材质套管；9-5/8"套管可以采用P110、53.5磅级材质套管；13-3/8"套管可以采用N80钢级、68磅级材质套管；20"套管可以采用J55钢级；30"套管和36"套管可以采用X52钢级。

具体实施时，增压设备2采用离心泵，可以提供最高15MPa的稳定流压。

具体实施时，温度控制***9为一个电热***，可以提供0到350摄氏度的恒温热源。

本发明装置的装配方法如下(其中，密封结构采用压套和密封法兰盘组合)：

实验套管组1的装配方法：第一层套管两端安装上密封接箍；将第二层套管一端安装上密封接箍，将安装好的第一层套管沿未安装密封接箍端装入第二层套管内，将第二层套管另一端密封接箍安装好，安装第二层套管两端压套；将第三层套管一端安装上密封接箍，将安装好的第二层套管沿未安装密封接箍端装入第三层套管内，将第三层套管另一端密封接箍安装好，安装第三层套管两端压套，在第三层套管外壁上覆盖保温材料；将外筒一端依次安装上密封接箍和密封法兰盘，再用螺栓进行连接固定；将安装后的第三层套管沿未安装密封部件的另一端装入外筒内，将外筒另一端依次安装上密封接箍和密封法兰盘，安装外筒两端压套；安装实验套管组所有螺栓；将安装后的套管组合垂直放置于基座10上固定。

实验套管组1和其他器件的装配方法：通过高压管线将增压设备(泵)2、温度控制***(9)和第一层套管连接；将温度传感器3安装在第一层套管进液口、第一层套管出液口、第二层套管进液口、第二层套管出液口、第三层套管进液口、第三层套管出液口、外筒进液口和外筒出液口处；将压力传感器4安装在第一层套管进液口、第二层套管进液口、第三层套管进液口和外筒进液口处；将液位检测仪5安装在第一层套管进液口、第二层套管进液口、第三层套管进液口和外筒进液口处；将压力控制单向阀安装在所述第一层套管出液口、第二层套管出液口、第三层套管出液口和外筒出液口处；在高压管线8上安装流量检测***6；将温度传感器3、压力传感器4和液位传感器5与数据采集***7连接。

采用本发明深水井筒模拟实验装置进行模拟的过程，包括：

(1)准备阶段

根据所要模拟的井筒结构选用套管尺寸，在最外层套管(非外筒)外层包袱保温层，组装实验套管组，调节各级套管环空空间体积，确定套管环空空间内部流体介质种类，确定各级套管环空内的循环排量，确定流体温度传感器和压力传感器的测量量程，用高压管线连接实验套管组、增压设备和温度控制***，确定增压设备输出功率和温度控制***输出热量。

(2)测试阶段

打开增压设备使外部流体泵入内流体循环通道(第一层套管)内进行循环，实时监测套管内的温度和压力数据，若测试正常，套管内温度达到设计值后，停止内流体循环通道内的液体的循环，记录各级套管内的温度值和压力值，同时记录各级套管内的液位变化情况，得到井筒径向温度压力分布情况和套管之间的体积变化量；若测试时某套管内压力控制单向阀打开，则停止内流体循环通道内的液体的循环，重新设定试验温度、压力、流体介质、环空体积和排量再进行试验。

综上所述，本发明提出的深水水下井筒模拟实验装置，能够实现深水高温高压套管内流体温度压力控制、各级套管环空体积控制、循环排量控制，实现套管及各级套管环空间温度压力测量等功能，可以方便准确的读取温度和压力数据，测量和揭示井筒中不同环空空间内的温度场、压力场的变化规律，描述整个井筒温度压力场的变化情况和热变形情况，同时测量的温度和压力的数值精度高，满足现场工程的实际需要。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，包括：实验套管组(1)、增压设备(2)、温度传感器(3)、压力传感器(4)、液位检测仪(5)、流量检测***(6)、数据采集***(7)、高压管线(8)、温度控制***(9)和基座(10)；

所述实验套管组(1)垂直放置在基座(10)上；

所述实验套管组(1)、增压设备(2)和温度控制***(9)通过高压管线(8)连接；

所述温度传感器(3)、压力传感器(4)和液位检测仪(5)安装于实验套管组(1)内；

所述流量检测***(6)安装于所述高压管线(8)上；

所述数据采集***(7)与温度传感器(3)、压力传感器(4)和液位检测仪(5)连接；

所述实验套管组(1)，用于模拟实际的水下井筒；

所述增压设备(2)，用于为流入实验套管组(1)内的流体提供压力；

所述温度传感器(3)，用于测量实验套管组(1)内的流体的温度；

所述压力传感器(4)，用于测量实验套管组(1)内的流体的压力；

所述液位检测仪(5)，用于测量实验套管组(1)内的流体的液位变化值；

所述流量检测***(6)，用于测量流过高压管线(8)的流体的流量；

所述数据采集***(7)，用于采集并处理温度传感器(3)测得的实验套管组(1)内的流体的温度数据，压力传感器(4)测得的实验套管组(1)内的流体的压力数据，和液位检测仪(5)测得的实验套管组(1)内的流体的液位数据；

所述高压管线(8)，用于提供流体的流通通道；

所述温度控制***(9)，用于对流入实验套管组(1)内的流体进行温度控制。

2.如权利要求1所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，所述实验套管组(1)包括：第一层套管、第二层套管、第三层套管、外筒、密封接箍和密封结构；

所述第一层套管套装在所述第二层套管内；

所述第二层套管套装在所述第三层套管内；

所述第三层套管套装在所述外筒内；

在所述第一层套管、所述第二层套管、所述第三层套管和外筒的两端分别连接有密封接箍；

在所述第二层套管的两端的密封接箍与第一层套管之间，所述第三层套管的两端的密封接箍与第二层套管之间，以及所述外筒的两端的密封接箍与第三层套管之间分别通过密封结构密封设置；

所述第一层套管的下端密封接箍通过密封结构与基座(10)密封相连；

所述外筒垂直设置在基座(10)上。

3.如权利要求2所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，所述第一层套管的两端的密封接箍上分别设置有第一层套管进液口和第一层套管出液口；

所述第二层套管的两端的密封接箍上分别开有第二层套管进液口和第二层套管出液口；

所述第三层套管的两端的密封接箍上分别开有第三层套管进液口和第三层套管出液口；

所述外筒的两端密封接箍上分别开有外筒进液口和外筒出液口。

4.如权利要求3所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，所述第一层套管进液口和第一层套管出液口之间通过高压管线(8)相连通。

5.如权利要求3所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，所述温度传感器(3)安装在所述第一层套管进液口、第一层套管出液口、第二层套管进液口、第二层套管出液口、第三层套管进液口、第三层套管出液口、外筒进液口和外筒出液口处。

6.如权利要求3所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，所述压力传感器(4)安装在所述第一层套管进液口、第二层套管进液口、第三层套管进液口和外筒进液口处。

7.如权利要求3所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，所述液位检测仪(5)分别安装在所述第一层套管进液口、第二层套管进液口、第三层套管进液口和外筒进液口处。

8.如权利要求3所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，在所述第一层套管出液口、第二层套管出液口、第三层套管出液口和外筒出液口处均安装有压力控制单向阀。

9.如权利要求3所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，所述压力控制单向阀包括单向截止阀，电动泄压阀和流量计。

10.如权利要求2所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，所述第三层套管外壁上覆盖有保温材料。

11.如权利要求2所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，所述外筒上焊接有吊耳。

12.如权利要求1所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，所述增压设备(2)为离心泵，提供15兆帕的流体压力。

13.如权利要求1所述的深水水下井筒模拟实验装置，其特征在于，所述温度控制***(9)是电热***，提供0到350摄氏度的恒温热源。