CN114017004A - 深水油气生产井筒模拟试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深水油气生产井筒模拟试验装置和试验方法，包括：测试管段***，包括：测试管和电‑磁‑超声波场加载器，其中，电‑磁‑超声波场加载器配置在进口端处，用于在进口端形成电场、磁场和超声波场；气液循环***，包括：气体循环泵、液体循环泵和气液混合器，其中，混合出口端与进口端相连通；气体循环泵的排气端与进气端相连通，液体循环泵的排液端与进液端相连通；多相分离***，包括：重力分离器，其中，入口端与出口端相连通，出液端与液体循环泵的入液端相连通，出气端与气体循环泵的入气端相连通；加料***，与进口端相连通，用于向测试管输入试验液体；温度控制***，与测试管相连接，用于调节测试管的温度。

Description

深水油气生产井筒模拟试验装置和试验方法

技术领域

本发明涉及涉及一种用于深水油气生产井筒水合物、蜡、垢、积液防治模拟试验装置和试验方法，属于深水油气和天然气水合物开发技术领域。

背景技术

我国原油和天然气的对外依存度分别超过70％和43％，严重威胁我国能源供应安全。尽管我国加大了陆上常规和非常规油气的开发力度，但陆上油气资源的枯竭无法缓解我国能源紧张的问题。海上油气开发已经成为补充陆上油气资源不足的重要手段，其中深水区域的油气资源占有极大比重。全球海洋油气资源44％分布在深水区，近十年，全球重大油气发现70％来自深水区，排名前50％的超大油气开发项目中75％位于深水区。深水油气开发井具有井口(泥线附近)高压低温、井底高压高温、气井出水量大等特点，油气生产过程中井底高温区域面临结垢和积液风险，井口低温区域则面临水合物生成和结蜡风险。同时，水合物试采井中也面临着类似问题，尽管水合物储层埋藏较浅不具备高温开采环境，但是，试采井出水量更大、低温井筒段更长，水合物试采井面临更加严峻的水合物和积液问题。因此，针对深水油气和水合物开发过程中严重的井筒流动保障问题，亟需研制可用于研究井筒水合物、蜡、垢和积液风险问题的装置。

目前，国内所涉及本专利的相关专利有以下几项：中国专利CN201310712299公开了一种模拟油气管道流体流动安全评价装置，包括多相流循环***、分离***、流体注入***和废气回收***。装置可用于模拟水合物和蜡沉积引起的油气管道堵塞问题。中国专利CN201310561102公开了一种管道式气体水合物生成试验装置，包括气液输送***、冷却***和水合物管道生成***。试验装置操作方便、运行费用较低，满足水合物浆体生成和流动规律的试验需求。中国专利2015108903701公开了一种用于油气输送管道中天然气水合物防治技术研究的装置，包括反应釜、供气***、循环管路、可视段和冷却***。试验装置可以用于研究实际管输条件和管输工艺中天然气水合物的防治技术。

现有的试验研究装置大多针对单一的水合物、蜡、垢和积液问题开展研究，但是井筒内流动保障问题会出现耦合问题，例如，在低温井筒区域内会发生水合物和蜡耦合生成和沉积问题，同时，在高温井筒区域内生成的垢物会在低温区域诱发水合物生成。因此，针对单一流动保障问题研制的装置，无法综合地揭示深水油气和水合物开发井筒内的流动风险诱发机制。

发明内容

本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种深水油气生产井筒模拟试验装置，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

本发明的一个目的在于提出一种深水油气生产井筒模拟试验装置，包括：

测试管段***，包括：测试管和电-磁-超声波场加载器，其中，测试管具有进口端和出口端，所述电-磁-超声波场加载器配置在所述进口端处，用于在所述进口端形成电场、磁场和超声波场；

气液循环***，包括：气液混合器、气体循环泵和液体循环泵，其中，所述气液混合器具有进气端、进液端和混合出口端，所述混合出口端与所述进口端相连通；所述气体循环泵的排气端与所述进气端相连通，所述所述液体循环泵的排液端与所述进液端相连通；

多相分离***，包括：重力分离器，其中，所述重力分离器具有入口端、出气端和出液端，所述入口端与所述出口端相连通，所述出液端与所述液体循环泵的入液端相连通，所述出气端与所述气体循环泵的入气端相连通；

加料***，与所述进口端相连通，用于向所述测试管输入试验液体；

温度控制***，与所述测试管相连接，用于调节所述测试管的温度。

另外，根据本发明的深水油气生产井筒模拟试验装置，还可以具有如下技术特征：

在本发明的一个示例中，所述测试管包括：内管和套设于所述内管外端的外管，

所述内管内形成有用于测试流体流动的第一通道，所述外管与所述内管之间形成用于调节所述测试流体温度的第二通道，且所述第一通道的两端配置有第一进口端和第一出口端，所述第二通道的两端配置有第二进口端和第二出口端；

其中，所述第一进口端与所述混合出口端和加料***相连通，所述第一出口端与所述入口端相连通；所述第二进口端和第二出口端与所述温度控制***相连通。

在本发明的一个示例中，所述测试管包括两个相互平行的第一直管和第二直管以及连通第一直管和第二直管的辅助管；其中，所述进口端形成在所述第一直管上，所述出口端形成在所述第二直管上。

在本发明的一个示例中，所述温度控制***包括：加热装置和降温装置，

所述加热装置和所述降温装置彼此并联，且在其并联的两端具有第一端口和第二端口，其中，所述第一端口与所述第一进口端相连通，所述第二端口与所述第一出口端相连通，用于通过调节所述第二通道的温度来调节所述第一通道的温度。

在本发明的一个示例中，所述气液循环***还包括：散热器，

所述散热器配置在所述气体循环泵的排气端与气液混合器的进液端之间，用于降低由所述排气端排出的气体流的热量。

在本发明的一个示例中，所述多相分离***还包括：旋风分离器，

所述旋风分离器具有进气口和排气口，所述进气口与所述出气端相连通，所述排气口与所述入气端相连通。

在本发明的一个示例中，所述加料***包括：配制罐和螺杆泵，其中，所述配制罐与所述螺杆泵的入料端相连接，所述螺杆泵的出料端与所述进口端相连通。

在本发明的一个示例中，所述试验装置还包括：辅助***，所述辅助***包括：

真空泵组件，设置在所述混合出口端与所述进口端之间；

气瓶，与所述气体循环泵的入气端和所述重力分离器的出气端相连通。

本发明另一个目的在于提出一种深水油气生产井筒模拟试验方法，包括如下步骤：

S10：打开气液循环***中的气体循环泵，在该试验装置内泵入空气并使空气在试验装置内流动，干燥试验装置；

S20：试验装置干燥后，密闭试验装置，并打开辅助***的真空泵组件，排空试验装置内的空气并保持真空状态；

S30：将该试验装置静置一段时间，确定无泄漏发生后，打开气瓶向该装置通入试验气体，并在试验装置内气压略高于大气压后停止注气；

S40：打开温度控制***，其中，当该试验装置进行水合物相关的试验时，打开降温装置；当该试验装置进行蜡和垢相关的试验时，打开加热装置；

S50：调节加料***的配制罐内的试验液体的温度，并在试验液体的温度调节至试验目标温度附近后，打开气瓶通入试验气体，待试验装置内的压力达到试验压力的一半左右时，开启加料***的螺杆泵，由测试管向重力分离器中泵入试验液体；在此过程中，泵入的试验液体会压缩环路内气体，使得试验装置内压力升高，最终达到试验压力；

S60：待该试验装置内的温度和压力均达到试验要求时，先开启气体循环泵，等到气体流速在试验装置内恒定后，再打开液体循环泵，并达到试验要求的气液流速；

S70：该试验装置进行相应的试验操作：

当进行水合物和结蜡相关试验时，持续降低测试管温度，并保持压力不变，当温度低于水合物和蜡相平衡温度时，水合物和蜡开始生成，水合物和蜡生成试验开始，在此过程中，实时记录试验中的温度、压力、压降、气液流速、流型参数；随着水合物和蜡浓度的持续升高，水合物和蜡改变多相流形态，并开始形成沉积，水合物和蜡沉积的流动试验开始，直至水合物和蜡堵塞测试管，试验停止；

当进行结垢相关试验时，持续升高测试管的温度，并保持压力不变；当温度高于垢相平衡温度时，垢开始生成，垢生成试验开始，在此过程中，实施记录试验中的温度、压力、压降、气液流速、流型参数；垢浓度持续升高，垢改变多相流形态，并开始形成沉积，垢沉积的流动规律试验开始，直至垢堵塞测试管或者垢停止生成，试验停止。

在本发明的一个示例中，在试验装置进行试验操作过程中，还包括如下步骤：当需要评价抑制剂对固相颗粒生成沉积作用机制时，在固相颗粒生成、沉积和堵塞的各个阶段均可开启加料***，模拟深水油气开发过程中抑制剂注入过程，评价不同种类的抑制剂对水合物、蜡和垢的防治效果。

下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1为根据本发明实施例的深水油气生产井筒模拟试验装置的结构原理图；

图2为根据本发明实施例的测试管的进口端或出口端的正视图；

图3为根据本发明实施例的电-磁-超声波场加载器的结构原理图(电场和超声波场)；

图4为根据本发明实施例的电-磁-超声波场加载器的结构原理图(超声波场)。

附图标记列表：

试验装置 100；

测试管段*** 10；

测试管 11；

第一直管 111；

第一压力传感器 1111；

第四温度传感器 1112；

第二压力传感器 1113；

第二直管 112；

第三压力传感器 1121；

第五温度传感器 1122；

第四压力传感器 1123；

辅助管 113；

透明窗 114；

高速摄像机 115；

聚焦光束反射测量仪 116；

实时颗粒粒径分析*** 117；

进口端 11A；

出口端 11B；

内管 110A；

外管 110B；

第一通道 110C；

第二通道 110D；

电-磁-超声波场加载器 12；

静电场发生器 121；

阴极 1211；

阳极 1212；

超声波发生器 122；

振动棒 1221；

电磁发生器 123；

线圈 1231；

气液循环*** 20；

气液混合器 21；

进气端 211；

进液端 212；

混合出口端 213；

气体循环泵 22；

入气端 221；

排气端 222；

散热器 223；

第一球阀 224；

第一单向阀 225；

第一气体质量流量计 226；

第一减压阀 227；

第一温度传感器 228；

第二温度传感器 229；

液体循环泵 23；

入液端 231；

排液端 232；

第二球阀 233；

第二单向阀 234；

第二减压阀 235；

第三温度传感器 236；

多相分离*** 30；

重力分离器 31；

入口端 311；

出气端 312；

出液端 313；

第一通断阀 314；

旋风分离器 32；

进气口 321；

排气口 322；

第二通断阀 323；

第三通断阀 324；

加料*** 40；

配制罐 41；

第六温度传感器 411；

螺杆泵 42；

温度控制*** 50；

加热装置 51；

降温装置 52；

第一端口 501；

第二端口 502；

辅助*** 60；

真空泵组件 61；

第三减压阀 611；

气瓶 62。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

根据本发明第一方面的一种深水油气生产井筒模拟试验装置100，如图1和图2所示，包括：

测试管段***10，包括：测试管11和电-磁-超声波场加载器12，其中，测试管11具有进口端11A和出口端11B，所述电-磁-超声波场加载器12配置在所述进口端11A处，用于在所述进口端11A形成电场、磁场和超声波场；

气液循环***20，包括：气液混合器21、气体循环泵22和液体循环泵23，其中，所述气液混合器21具有进气端211、进液端212和混合出口端213，所述混合出口端213与所述进口端11A相连通；所述气体循环泵22的排气端222与所述进气端211相连通，所述所述液体循环泵23的排液端232与所述进液端212相连通；

多相分离***30，包括：重力分离器31，其中，所述重力分离器31具有入口端311、出气端312和出液端313，所述入口端311与所述出口端11B相连通，所述出液端313与所述液体循环泵23的入液端231相连通，所述出气端312与所述气体循环泵22的入气端221相连通；

加料***40，与所述进口端11A相连通，用于向所述测试管11输入试验液体；例如，试验液体可以为水、白油、柴油、乙二醇、甲醇中的一种。

温度控制***50，与所述测试管11相连接，用于调节所述测试管11的温度。

在本公开实施例提供的深水油气生产井筒模拟试验装置100中，首先，保证试验装置100干燥后，密闭试验装置100，并排空试验装置100内的空气并保持真空状态；将该试验装置100静置一段时间，确定无泄漏发生后，向该装置通入试验气体，并在试验装置100内气压略高于大气压后停止注气；然后，打开温度控制***50，其中，当该试验装置100进行水合物相关的试验时，开启降温功能，当该试验装置100进行蜡和垢相关的试验时，开启加热功能；接着，调节加料***40的试验液体的温度和试验装置100的压力，使得试验装置100内压力和温度达到试验要求；其次，先开启气体循环泵22，等到气体流速在试验装置100内恒定后，再打开液体循环泵23，并达到试验要求的气液流速；最后，该试验装置100进行试验操作：当进行水合物和结蜡相关试验时，持续降低测试管11温度，并保持压力不变，当温度低于水合物和蜡相平衡温度时，水合物和蜡开始生成，水合物和蜡生成试验开始，在此过程中，实时记录试验中的温度、压力、压降、气液流速、流型参数；随着水合物和蜡浓度的持续升高，水合物和蜡改变多相流形态，并开始形成沉积，水合物和蜡沉积的流动试验开始，直至水合物和蜡堵塞测试管11，试验停止；当进行结垢相关试验时，持续升高测试管11的温度，并保持压力不变；当温度高于垢相平衡温度时，垢开始生成，垢生成试验开始，在此过程中，实施记录试验中的温度、压力、压降、气液流速、流型参数；垢浓度持续升高，垢改变多相流形态，并开始形成沉积，垢沉积的流动规律试验开始，直至垢堵塞测试管11或者垢停止生成，试验停止；该试验装置100能够进行测试管11处于垂直状态的气液两相泡状流、环雾流、搅拌流、断塞流条件下水合物、蜡、垢的耦合生成、沉积、分解、分布特性和流动特性实验，通过安装电-磁-超声波场加载器12可以研究静电场-电磁场-超声波场对防治水合物、蜡、垢生成沉积问题。

通过加装电-磁-超声波场加载器12，可以研究静电场、电磁场和超声波场对多相流中水合物、蜡和垢生成沉积和流动规律的影响；通过改变气体循环泵22和液体循环泵23的功率，使得测试管11内呈现泡状流、断塞流、搅拌流、环雾流等流型，可以研究不同油气生产工况条件下水合物、蜡和垢的生成沉积特性和流动特性；可以通过改变测试管11内温度状态，从高温至低温，可以研究蜡-垢、蜡-水合物、垢-水合物、蜡-垢-水合物耦合生成沉积和流动规律；通过加装加料***40，可以研究深水油气生产过程中井筒内水合物、蜡和垢抑制剂注入对固相颗粒生成沉积和多相流动规律的影响。当需要评价抑制剂对固相颗粒生成沉积作用机制时，在固相颗粒生成、沉积和堵塞的各个阶段均可开启加料***40，模拟深水油气开发过程中抑制剂注入过程，评价不同种类的抑制剂对水合物、蜡和垢的防治效果。

可以理解的是，如图3和图4所示，电-磁-超声波场加载器12为一段定制短节，内径与测试管11段相同，装于测试管11段的进口端11A。加载器包括静电场发生器121、电磁发生器123和超声波场发生器122。静电场加载***包括阴极1211金属片、阳极1212金属片和静电场发生器121，阴极1211金属片和阳极1212金属片装于短节内部，平行安置于短节内壁两端；电磁场加载***包括电磁线圈1231和电磁场发生器，电磁线圈1231均匀缠绕在短节外壁，缠绕密度依据试验需求所定；超声波场加载***包括超声波发生棒(振动棒1221)和超声波发生器122，超声波振动棒1221安置于短节入口中央位置，平行于管壁，通过焊接金属棒固定。

在本发明的一个示例中，所述测试管11包括：内管110A和套设于所述内管110A外端的外管110B，

所述内管110A内形成有用于测试流体流动的第一通道110C，所述外管110B与所述内管110A之间形成用于调节所述测试流体温度的第二通道110D，且所述第一通道110C的两端配置有第一进口端和第一出口端，所述第二通道110D的两端配置有第二进口端和第二出口端；

其中，所述第一进口端与所述混合出口端213和加料***40相连通，所述第一出口端与所述入口端311相连通；所述第二进口端和第二出口端与所述温度控制***50相连通；

也就是说，进口端11A包括第一进口端和第二进口端，而出口端11B包括第一出口端和第二出口端，第一进口端和第二进口端彼此独立，两者分别与外部相连通，即所述第一进口端与所述混合出口端213和加料***40相连通，所述第一出口端与所述入口端311相连通；第一出口端和第二出口端彼此独立，两者分别与外部相连通，即所述第二进口端和第二出口端与所述温度控制***50相连通；第一通道110C用于测试流体的流动，而第二通道110D与温度控制***50相连通，通过第二通道110D来调节第一通道110C内的测试流体的温度，由于第一通道110C与第二通道110D之间彼此相互独立，这种设计结构能够方便温度控制***50进行温度调节。

需要指出的是，内管110A和外管110B均是由多个管结构通过法兰盘进行拼接而成，这样组装方式便于加工和运输。

在本发明的一个示例中，所述测试管11包括两个相互平行的第一直管111和第二直管112以及连通第一直管111和第二直管112的辅助管113；其中，所述进口端11A形成在所述第一直管111上，所述出口端11B形成在所述第二直管112上；

也就是说，第一直管111、第二直管112和辅助管113均为两层管，即均是由内管110A和外管110B组成，将测试管11的形状设计成上述U型结构，为了减小测试管11占用的空间。值得说明的是，测试管11可以水平放置，也可以在水平和垂直之间进行调节放置。

在本发明的一个示例中，在所述第一直管111和所述第二直管112上均配置有透明窗114，用于观察测试管11内试验液体的多相流动规律；

例如，可以在外管110B上开设一个开口，观察筒适配在所述开口内并与第二通道110D相互隔离，所述观察筒向内管110A延伸并连接在内管110A壁上，由此形成所述透明窗114；当然此时内管110A也为透明管件以方便观测；

再例如，在内管110A上安装一个透明短节管，此透明短节管用于观测内管110A内试验液体的流动规律，此时在该段的外侧的外管110B不完全覆盖内管110A，即透明短节管两侧的外管110B通过部分管道进行连通；

为了方便通过透明窗114进行观察，在透明窗114的一侧设置一个高速摄像机115，用于观测记录测试管11内的试验液体的多相流动规律的数据。

在本发明的一个示例中，在第一直管111上安装有第一压力传感器1111和第四温度传感器1112，用于测量第一直管111内的测试液体的压力和温度；在第二直管112上安装有第二压力传感器1113和第五温度传感器1122，用于测量第二直管112内的测试液体的压力和温度。值得说明的是，在第一直管111和第二直管112上还分别设置有第三压力传感器1121和第四压力传感器1123，其中，第一压力传感器1111和第三压力传感器1121分别安置在第一直管111的两端，第二压力传感器1113和第四压力传感器1123分别安置在第二直管112的两端。

在本发明的一个示例中，所述温度控制***50包括：加热装置51和降温装置52，

所述加热装置51和所述降温装置52彼此并联，且在其并联的两端具有第一端口501和第二端口502，其中，所述第一端口501与所述第二进口端相连通，所述第二端口502与所述第二出口端相连通，用于通过调节所述第二通道110D的温度来调节所述第一通道110C的温度。

加热装置51为精密恒温油浴，主要用于加热测试管11内的测试流体，参与关于结蜡和结垢的多相流试验；降温装置52包括工业冷水机和精密恒温水浴，工业冷水机功率大、降温速度快，精密恒温水浴功率小、温控精度高；降温***通过辅助管113线将工业冷水机和精密恒温水浴串联，可以达到测试管11迅速降温的目的；

具体地，在温度控制***50实现加热功能时，打开精密恒温油浴，关闭工业冷水机和精密恒温水浴，使得热油从第一端口501流向第二进口端进入外管110B与内管110A之间的第二通道110D内，最终由第二出口端回流至加热装置51中，从而实现对第一通道110C内的测试流体进行加热的目的；在温度控制***50实现降温功能时，打开工业冷水机和精密恒温水浴，关闭精密恒温油浴，使得降温水从第一端口501流向第二进口端进入外管110B与内管110A之间的第二通道110D内，最终由第二出口端回流至加热装置51中，从而实现对第一通道110C内的测试流体进行降温的目的。

在本发明的一个示例中，所述测试管11上还安装有用于测量测试流体的聚焦光束反射测量仪116和实时颗粒粒径分析***117；

例如，在测试管11的第二直管112上开槽，用于安装聚焦光束反射测量仪116和实时颗粒粒径分析***117。

在本发明的一个示例中，所述气液循环***20还包括：散热器223，

所述散热器223配置在所述气体循环泵22的排气端222与气液混合器21的进液端212之间，用于降低由所述排气端222排出的气体流的热量；

例如，所述散热器223为铝翅型散热片，用于降低气体压缩后所升高的温度，提高了试验装置100的降温效果，优化了能耗。

当然，在本发明的一个示例中，所述气液循环***20还包括：第一球阀224、第一单向阀225、第一气体质量流量计226、第一减压阀227、第一温度传感器228以及第二温度传感器229，其中，第一球阀224安装在气体循环泵22的入气端221，第一单向阀225安装在气体循环泵22的排气端222，用于保证气体流向仅能够从气体循环泵22朝向气液混合器21方向；第一气体质量流量计226安装在第一球阀224和入气端221，用于测量气体的流量，同时，在第一球阀224与入气端221之间还配置有用于测量温度的第一温度传感器228；在散热器223与气液混合器21之间还配置有第一减压阀227和用于测量气体温度的第二温度传感器229；通过上述测量仪器能够有效测量气体的参数。

在本发明的一个示例中，所述气液循环***20还包括：第二球阀233、第二单向阀234、第二减压阀235以及第三温度传感器236，其中，第二球阀233安装在液体循环泵23的入液端231，第二单向阀234安装在液体循环泵23的排液端232，用于保证液体流向仅能够从液体循环泵23朝向气液混合器21方向；同时，在排液端232与气液混合器21之间还配置有用于测量温度的第三温度传感器236和第二减压阀235；通过上述测量仪器能够有效测量液体的参数。

在本发明的一个示例中，所述多相分离***30还包括：旋风分离器32，

所述旋风分离器32具有进气口321和排气口322，所述进气口321与所述出气端312相连通，所述排气口322与所述入气端221相连通；

也就是说，旋风分离器32利用离心力分离由重力分离器31的排气口322排出的气流中固体颗粒或液滴，使得进入气体循环泵22的入气端221的气体更加纯净，利于试验装置100的准确性。

值得说明的是，为了方便多相分离***30的通断操作，在重力分离器的入口端设置第一通断阀314，在旋风分离器32的进气口321和排气口322端处设置第二通断阀323和第三通断阀324。

在本发明的一个示例中，所述加料***40包括：配制罐41和螺杆泵42，其中，所述配制罐41与所述螺杆泵42的入料端相连接，所述螺杆泵42的出料端与所述进口端11A相连通；

加料***40主要用于模拟深水油气开发井的水合物抑制剂、防蜡剂和除垢剂的注入测试管11，即模拟深水油气生产过程中试验液体的注入对多相流动规律和固相生成沉积规律的影响。其次，加料***40还可以用于试验操作中液相的注入。

简言之，螺杆泵42可以将配制罐41中的试验液体输送至测试管11的进口端11A，从而便于在内管110A内模拟井筒的水合物、蜡、垢等物质。

需要说明的是，在配制罐41内还安装有第六温度传感器411，用于测量配制罐41的温度。

在本发明的一个示例中，所述试验装置100还包括：辅助***60，所述辅助***60包括：

真空泵组件61，设置在所述混合出口端213与所述进口端11A之间；

气瓶62，与所述气体循环泵22的入气端221和所述重力分离器31的出气端312相连通；

真空泵组件61包括：依次连接的真空泵、缓冲瓶和第三球阀，其中，缓冲瓶用于缓冲气液混合物的压力，真空泵是用于对试验装置100内部抽真空，而气瓶62用于存储试验气体，例如，试验气体可以为二氧化碳、氮气、甲烷、丙烷中的一种。

值得说明的是，所述辅助***60还包括：安装在所述气瓶62出口的第三减压阀611，用于减缓气瓶62排出气体的压力。

具体过程为：在试验装置100干燥后，密闭试验装置100，并打开辅助***60的真空泵，排空试验装置100内的空气并保持真空状态；将该试验装置100静置一段时间，确定无泄漏发生后，打开气瓶62向该装置通入试验气体，并在试验装置100内气压略高于大气压后停止注气。

在本发明的一个示例中，所述气液混合器21包括：容器，内部限定出混合腔，且所述容器上设置有与混合腔相连通的进气端211、进液端212和混合出口端213，其中，在混合腔内部还配置有多根混合杆，用于增加气液混合的效率。

根据本发明的深水油气生产井筒模拟试验装置100，首先，该试验装置100是针对深水油气井筒水合物、蜡、垢和积液四个流动保障问题建立的试验装置100，温控区域跨越低温和高温区域，相较于现有装置都是针对油气管道的水合物和蜡等单一问题建立的装置，仅低温条件，本发明的试验装置100更加全面可靠。同时，测试管11可以调节角度，从水平(180°)到垂直(90°)调节；其次，该试验装置100在气体循环泵22的排气端222处加装了气体散热装置，例如铝翅片型散热器223，避免了气体循环泵22放热导致的装置温度升高问题，能有效降低温度控制***50的能耗；再者，温度控制***50的制冷设备改造为工业冷水机加精确恒温水浴相结合的模式，有效利用了工业冷水机功率大、能耗低与精确恒温水浴温度控制精确、稳定性好的优点，提高了测试管11降温能力，降低了能耗，缩短装置降温时间和试验时间；而且，该试验装置100增设静电-电磁-超声波场加载器，能够研究多种物理场对水合物、蜡和垢生成沉积的影响；最后，该试验装置100增设加料***40，可以模拟深水油气生产过程中井筒内注入水合物抑制剂、阻蜡剂、阻垢剂等试验液体的工况，使装置可以用于评价流动状态下多种用于防治水合物、蜡和垢试验液体的效果，试验更加贴近现场实际工况。改变了传统通过静态反应釜或者搅拌反应釜对抑制剂评价的方式，传统方式的试验结果更加保守，只能评估抑制剂对固相颗粒生成的影响，无法评估抑制剂对固相颗粒沉积的影响。

根据本发明第二方面的一种深水油气生产井筒模拟试验方法，包括如下步骤：

S10：打开气液循环***20中的气体循环泵22，在该试验装置100内泵入空气并使空气在试验装置100内流动，干燥试验装置100；

S20：试验装置100干燥后，密闭试验装置100，并打开辅助***60的真空泵组件61，排空试验装置100内的空气并保持真空状态；

S30：将该试验装置100静置一段时间，确定无泄漏发生后，打开气瓶62向该装置通入试验气体，并在试验装置100内气压略高于大气压后停止注气；

S40：打开温度控制***50，其中，当该试验装置100进行水合物相关的试验时，打开降温装置52；当该试验装置100进行蜡和垢相关的试验时，打开加热装置51；

S50：调节加料***40的配制罐41内的试验液体的温度，并在试验液体的温度调节至试验目标温度附近后，打开气瓶62通入试验气体，待试验装置100内的压力达到试验压力的一半左右时，开启加料***40的螺杆泵42，由测试管11向重力分离器31中泵入试验液体；在此过程中，泵入的试验液体会压缩环路内气体，使得试验装置100内压力升高，最终达到试验压力；

S60：待该试验装置100内的温度和压力均达到试验要求时，先开启气体循环泵22，等到气体流速在试验装置100内恒定后，再打开液体循环泵23，并达到试验要求的气液流速；作为优选地，所述试验装置100的温度工作范围为-20℃～150℃，工作压力范围为0.1MPa～10MPa，液体流速范围为0m/s～8m/s，在环境压力10MPa条件下气体流速范围为15m/s。

S70：该试验装置100进行相应的试验操作：

当进行水合物和结蜡相关试验时，持续降低测试管11温度，并保持压力不变，当温度低于水合物和蜡相平衡温度时，水合物和蜡开始生成，水合物和蜡生成试验开始，在此过程中，实时记录试验中的温度、压力、压降、气液流速、流型参数；随着水合物和蜡浓度的持续升高，水合物和蜡改变多相流形态，并开始形成沉积，水合物和蜡沉积的流动试验开始，直至水合物和蜡堵塞测试管11，试验停止；

当进行结垢相关试验时，持续升高测试管11的温度，并保持压力不变；当温度高于垢相平衡温度时，垢开始生成，垢生成试验开始，在此过程中，实施记录试验中的温度、压力、压降、气液流速、流型参数；垢浓度持续升高，垢改变多相流形态，并开始形成沉积，垢沉积的流动规律试验开始，直至垢堵塞测试管11或者垢停止生成，试验停止；

S80：当需要评价抑制剂对固相颗粒生成沉积作用机制时，在固相颗粒生成、沉积和堵塞的各个阶段均可开启加料***40，模拟深水油气开发过程中抑制剂注入过程，评价不同种类的抑制剂对水合物、蜡和垢的防治效果；

S90：当水合物和蜡相关试验停止后，需要停止温度控制***50的降温功能，并开启加热功能溶解测试管11中的水合物和蜡沉积物，直至所有固相颗粒溶解，再排出装置内气体和液体，并清洗烘干该试验装置100；当垢相关试验停止后，需要开启加料***40注入除垢剂，并开启温度控制***50的升温装置，加热装置51，直至所有垢物溶解后，在排出装置内气体和液体，并清洗烘干该试验装置100。

通过上述试验装置100和试验方法，本发明可以进行以下试验：

(1)气液固三相流动规律试验

不同温度、压力、气液流速、砂粒体积分数条件下测试管11中气液固分布特征、流型特征和压降变化规律均不同。本装置可以控制温度、压力、气液流速和固体含量，通过PVC透明短节可以观察测试管11段内气液固分布特征和流型特征，通过测量***和数据采集***可以得到温度、压力、气液流速、压降等试验数据，并进行分析，即可对气液固三相流动规律进行研究。

(2)气液两相流动环境下水合物生成、沉积、分解、分布特性和流动特性试验

该试验装置100的低温可控区域为-20℃～15℃，压力可控区域为0.1MPa～10MPa，满足水合物生成需求的温压条件。本装置通过降低测试管11温度、提高压力和改变气液流速，可以研究泡状流、搅拌流、断塞流、环雾流等多流型的多相流环境下水合物生成规律；增加供气量，持续水合物生成，可以研究多相流环境下沉积、分布特性和流动特性；在注入水合物抑制剂或提高测试管11温度后，水合物开始分解，可以研究多相流环境下水合物分解规律。

(3)气液两相流动环境下蜡和垢生成、沉积、分解、分布特征和流动特性试验

该试验装置100的低温可控区域为40℃～150℃，压力可控区域为0.1MPa～10MPa，满足蜡和垢结晶需求的温压条件。本装置通过提高测试管11温度、改变压力和气液流速，可以研究泡状流、搅拌流、断塞流、环雾流等多流型的多相流环境下蜡和垢结晶规律；蜡和垢持续结晶，可以研究多相流环境下沉积、分布特性和流动特性；在注入阻蜡剂或阻垢剂后，蜡和垢开始溶解，可以研究多相流环境下蜡和垢溶解规律。

(4)多物理场影响下的水合物、蜡和垢生成沉积试验

该试验装置100装有静电-电磁-超声波场加载***，可以通过开启单一静电场、电磁场或超声波场，研究单一物理场影响下的水合物、蜡和垢生成、沉积和流动特性；也可以通过同时开启两个物理场或者三个物理场，研究多物理场影响下的水合物、蜡和垢生成、沉积和流动特性。

(5)气液两相流动下双重固相颗粒耦合生成、沉积、分布特征和流动特性试验

该试验装置100通过先开展高温试验，研究蜡和垢结晶规律；再开展低温试验，开展蜡、垢或砂粒影响下的水合物生成、沉积、分布特征和流动特性试验，以达到研究双重固相颗粒耦合生成、沉积、分布特征和流动特性的目的。

(6)深水油气生产井筒内水合物、蜡、垢抑制剂评价试验

该试验装置100装有加料***40，在水合物、蜡、垢生成、沉积和流动试验的基础上，控制加料***40温度，使加料***40内注入剂的温度与测试测试管11相等，避免温度对固相颗粒相态的影响，特别是水合物。开启加料***40，注入固相颗粒试验液体(水合物、蜡和垢)，模拟深水油气生产过程中试验液体的注入过程，研究并评价试验液体对固相颗粒的防治效果。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的深水油气生产井筒模拟试验装置100的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (10)

1.一种深水油气生产井筒模拟试验装置，其特征在于，包括：

测试管段***(10)，包括：测试管(11)和电-磁-超声波场加载器(12)，其中，测试管(11)具有进口端(11A)和出口端(11B)，所述电-磁-超声波场加载器(12)配置在所述进口端(11A)处，用于在所述进口端(11A)形成电场、磁场和超声波场；

气液循环***(20)，包括：气液混合器(21)、气体循环泵(22)和液体循环泵(23)，其中，所述气液混合器(21)具有进气端(211)、进液端(212)和混合出口端(213)，所述混合出口端(213)与所述进口端(11A)相连通；所述气体循环泵(22)的排气端(222)与所述进气端(211)相连通，所述所述液体循环泵(23)的排液端(232)与所述进液端(212)相连通；

多相分离***(30)，包括：重力分离器(31)，其中，所述重力分离器(31)具有入口端(311)、出气端(312)和出液端(313)，所述入口端(311)与所述出口端(11B)相连通，所述出液端(313)与所述液体循环泵(23)的入液端(231)相连通，所述出气端(312)与所述气体循环泵(22)的入气端(221)相连通；

加料***(40)，与所述进口端(11A)相连通，用于向所述测试管(11)输入试验液体；

温度控制***(50)，与所述测试管(11)相连接，用于调节所述测试管(11)的温度。

2.根据权利要求1所述的深水油气生产井筒模拟试验装置，其特征在于，

所述测试管(11)包括：内管(110A)和套设于所述内管(110A)外端的外管(110B)，

所述内管(110A)内形成有用于测试流体流动的第一通道(110C)，所述外管(110B)与所述内管(110A)之间形成用于调节所述测试流体温度的第二通道(110D)，且所述第一通道(110C)的两端配置有第一进口端和第一出口端，所述第二通道(110D)的两端配置有第二进口端和第二出口端；

其中，所述第一进口端与所述混合出口端(213)和加料***(40)相连通，所述第一出口端与所述入口端(311)相连通；所述第二进口端和第二出口端与所述温度控制***(50)相连通。

3.根据权利要求2所述的深水油气生产井筒模拟试验装置，其特征在于，

所述测试管(11)包括两个相互平行的第一直管(111)和第二直管(112)以及连通第一直管(111)和第二直管(112)的辅助管(113)；其中，所述进口端(11A)形成在所述第一直管(111)上，所述出口端(11B)形成在所述第二直管(112)上。

4.根据权利要求2所述的深水油气生产井筒模拟试验装置，其特征在于，

所述温度控制***(50)包括：加热装置(51)和降温装置(52)，

所述加热装置(51)和所述降温装置(52)彼此并联，且在其并联的两端具有第一端口(501)和第二端口(502)，其中，所述第一端口(501)与所述第二进口端相连通，所述第二端口(502)与所述第二出口端相连通，用于通过调节所述第二通道(110D)的温度来调节所述第一通道(110C)的温度。

5.根据权利要求1所述的深水油气生产井筒模拟试验装置，其特征在于，

所述气液循环***(20)还包括：散热器(223)，

所述散热器(223)配置在所述气体循环泵(22)的排气端(222)与气液混合器(21)的进液端(212)之间，用于降低由所述排气端(222)排出的气体流的热量。

6.根据权利要求1所述的深水油气生产井筒模拟试验装置，其特征在于，

所述多相分离***(30)还包括：旋风分离器(32)，

所述旋风分离器(32)具有进气口(321)和排气口(322)，所述进气口(321)与所述出气端(312)相连通，所述排气口(322)与所述入气端(221)相连通。

7.根据权利要求1所述的深水油气生产井筒模拟试验装置，其特征在于，

所述加料***(40)包括：配制罐(41)和螺杆泵(42)，其中，所述配制罐(41)与所述螺杆泵(42)的入料端相连接，所述螺杆泵(42)的出料端与所述进口端(11A)相连通。

8.根据权利要求1所述的深水油气生产井筒模拟试验装置，其特征在于，

所述试验装置还包括：辅助***(60)，所述辅助***(60)包括：

真空泵组件(61)，设置在所述混合出口端(213)与所述进口端(11A)之间；

气瓶(62)，与所述气体循环泵(22)的入气端(221)和所述重力分离器(31)的出气端(312)相连通。

9.一种深水油气生产井筒模拟试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10：打开气液循环***(20)中的气体循环泵(22)，在该试验装置(100)内泵入空气并使空气在试验装置(100)内流动，干燥试验装置(100)；

S20：试验装置(100)干燥后，密闭试验装置(100)，并打开辅助***(60)的真空泵组件(61)，排空试验装置(100)内的空气并保持真空状态；

S30：将该试验装置(100)静置一段时间，确定无泄漏发生后，打开气瓶(62)向该装置通入试验气体，并在试验装置(100)内气压略高于大气压后停止注气；

S40：打开温度控制***(50)，其中，当该试验装置(100)进行水合物相关的试验时，打开降温装置(52)；当该试验装置(100)进行蜡和垢相关的试验时，打开加热装置(51)；

S50：调节加料***(40)的配制罐(41)内的试验液体的温度，并在试验液体的温度调节至试验目标温度附近后，打开气瓶(62)通入试验气体，待试验装置(100)内的压力达到试验压力的一半左右时，开启加料***(40)的螺杆泵(42)，由测试管(11)向重力分离器(31)中泵入试验液体；在此过程中，泵入的试验液体会压缩环路内气体，使得试验装置(100)内压力升高，最终达到试验压力；

S60：待该试验装置(100)内的温度和压力均达到试验要求时，先开启气体循环泵(22)，等到气体流速在试验装置(100)内恒定后，再打开液体循环泵(23)，并达到试验要求的气液流速；

S70：该试验装置(100)进行相应的试验操作：

当进行水合物和结蜡相关试验时，持续降低测试管(11)温度，并保持压力不变，当温度低于水合物和蜡相平衡温度时，水合物和蜡开始生成，水合物和蜡生成试验开始，在此过程中，实时记录试验中的温度、压力、压降、气液流速、流型参数；随着水合物和蜡浓度的持续升高，水合物和蜡改变多相流形态，并开始形成沉积，水合物和蜡沉积的流动试验开始，直至水合物和蜡堵塞测试管(11)，试验停止；

当进行结垢相关试验时，持续升高测试管(11)的温度，并保持压力不变；当温度高于垢相平衡温度时，垢开始生成，垢生成试验开始，在此过程中，实施记录试验中的温度、压力、压降、气液流速、流型参数；垢浓度持续升高，垢改变多相流形态，并开始形成沉积，垢沉积的流动规律试验开始，直至垢堵塞测试管(11)或者垢停止生成，试验停止。

10.根据权利要求9所述的深水油气生产井筒模拟试验方法，其特征在于，

在试验装置(100)进行试验操作过程中，还包括如下步骤：

当需要评价抑制剂对固相颗粒生成沉积作用机制时，在固相颗粒生成、沉积和堵塞的各个阶段均可开启加料***(40)，模拟深水油气开发过程中抑制剂注入过程，评价不同种类的抑制剂对水合物、蜡和垢的防治效果。

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