CN210442219U - 一种含砂页岩气集输管道冲蚀实验环道平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种含砂页岩气集输管道冲蚀实验环道平台，它主要由氮气罐、气体流量计、压力表、水罐、泵、加热炉、液体流量计、闸阀、汇管、可移动式加料装置、换热器、冲蚀腔、三相分离器、变径管、弯头、三通、大小头组成。将压气、输气、加砂、出砂、排砂、冲蚀和测量七个环节形成一体化流程。通过优化不同管径环道90°拐弯处的半径，得到冲蚀磨损最小时的半径。冲蚀腔制作成可移动式，被拆卸后可被变径管、大小头、三通和其它拐角的弯头置换，以研究集输管道在不同运行条件下对各管件的冲蚀影响程度。考虑了集输管道的细菌腐蚀情况，以研究细菌腐蚀和冲蚀对集输管道的协同作用效应。本实用新型使用方便快捷，省时省力，拆卸简单，造价低廉。

Description

一种含砂页岩气集输管道冲蚀实验环道平台

技术领域

本实用新型属于气-液-固(气-水-砂)三相冲蚀实验技术领域，具体涉及一种含砂页岩气集输管道冲蚀实验环道平台。

背景技术

页岩气井通常采用加砂压裂增产方式，放喷测试过程中砂粒会随井筒的排出气排至地面冲蚀地面流程设备和变径管、弯头、三通、大小头等管件，页岩气经过节流装置后的流速会比节流前的流速大大增加，对设备形成的冲蚀现象严重，如气体钻井井筒携砂气流冲蚀钻具致钻杆断裂、气体输送管道弯头冲蚀穿孔破裂、排砂管线变径段冲蚀失效等。

常用的除砂器有双筒管柱式除砂器和旋流除砂器两种类型。双筒管柱式除砂器在胶液等高粘度压裂液体系返排过程中滤网的网孔和割缝容易被堵塞，造成滤网压差过大而被损坏。旋流除砂器只能关井后更换旋流管，并且旋流管上密封盖为法兰连接，无手动/气动导链，更换旋流管不方便。两种常用的除砂器在操作性能上都各有缺陷，不能完全满足现场工程的实际需要。因此，在放喷测试期间不能高效地在井口排尽砂粒，地面集输管道内部不可避免地存在大量的砂粒。

前人根据欧拉-拉格朗日方法推导了描述固体颗粒运动及冲蚀的理论公式，但公式中的冲蚀角、接触面积、碰撞系数等参数无法确定。数值模拟可以计算气流与砂粒的运动速度，但不能计算管道壁面的冲蚀速率，需要借助实验所得的经验参数代入计算。并且通过实验的方法，可以识别出易发生冲蚀磨损的区域，以便及时采用加厚管壁或定期检测等措施，进而保障管道***的安全。并且气-液-固三相流对集输管道的冲蚀比所有单相流和两相流都要严重、复杂。目前也没有成熟的理论推导出反映气-液-固三相冲蚀效应的公式。因此，冲蚀研究的顺利完成离不开实验的开展，需要设计一套气-液-固三相的冲蚀实验环道平台。

在地面集输管道90°拐角弯头发生的冲蚀磨损最严重，离散量集中分布在弯头处至直管出口处，而在直管段冲蚀磨损率很小；随着集输管道的内壁直径、弯头曲率半径和弯头段弯曲度的增大，集输管道的最大冲蚀磨损率和平均冲蚀磨损率减小；随着集输管道中页岩气流速的增加，管道的最大冲蚀磨损率和平均冲蚀磨损率增大。在同一出砂速度且砂粒携带量一致的条件下，不同直径的砂粒对集输管道的冲蚀作用随砂粒直径的增大而增大；在相同直径的砂粒下，砂粒对集输管道的冲蚀作用随其速度的增大而增大。

因此，优化不同管径环道90°拐弯处的最佳半径，即冲蚀磨损最小时的半径，其半径越小，冲蚀磨损越严重；但90°拐弯处的半径不能无限大，否则就形成大圆形环道，在工程应用中无法实现。含砂比例准确控制与调节的装置设计、砂粒粒径控制与砂粒密度控制是目前乃至将来的研究重点。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种经济上可行、技术上可靠的含砂页岩气集输管道实验环道平台。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型一种含砂页岩气集输管道实验环道平台，主要由氮气罐(内含：注气阀)、气体流量计(类型：旋涡流量计)、压力表、水罐(内含：注水阀)、泵、加热炉、液体流量计(类型：质量流量计)、闸阀、汇管、可移动式加料装置(内含：固体密度计、离心过滤器)、换热器(内含：温度计、温度控制仪表)、冲蚀腔(内含：试样、试样夹持器)、三相分离器、变径管、弯头、三通、大小头等组成。其中氮气罐是提供气源的装置，由于罐中压力较高，可以为注出的气体提供动力，将原动的机械能转换成气体压力能。因此，氮气罐也是压缩气体的气压发生装置。氮气罐中注气阀的右端连接有一水平管，水平管中有闸阀、气体流量计和压力表。水罐中注气阀的右端连接有一水平管，水平管中有闸阀、泵、加热炉和液体流量计。氮气罐流出的气体和水罐流出的液体在汇管中相互混合，从汇管流出的气-液两相在水平管中段通过三通管与可移动式加料装置底部出砂口相连，并保证注气阀的水平高度大于出砂口的水平高度，以便避免砂粒回流至可移动提料装置中。通过调节氮气罐底部注气阀的开度，可以达到控制气体进入集输管道的流量，并在氮气罐出口的水平管上安装气体流量计(旋涡流量计)，以起到测量气体流量的作用。氮气罐、旋涡流量计、闸阀和压力表共同组成气相供应单元。与气相供应单元并行设置的是水相供应单元。水相供应单元是由水罐、泵、闸阀、加热炉、液体流量计(质量流量计)等组成。其中加热炉的作用是除去水罐中水的氧气成分，以制造细菌能存活的无氧环境，从而考虑页岩气集输过程会有一定的细菌腐蚀和冲刷腐蚀的耦合效应，为后续细菌存在的环境下对集输管道和管件造成的冲蚀影响研究提供前提条件。气相和水相分别经过各自的供应单元后在汇管处汇集。气-水两相经过汇管后进入可移动式加料装置，再经过换热器进行换热升温至预定的温度。可移动式加料装置必须是上部为圆柱体、下部为圆椎体的封闭结构，以保证夹带在砂粒中的细菌能够存活，为细菌腐蚀和冲蚀协同下对集输管道及管件的影响情况提供研究条件。可移动式加料装置顶部设有不同形状的滤网，滤网可以取出更换，更换后可通过卡箍固定，以适应不同形状砂粒的实验需要，从而可以分析不同形状砂粒对冲蚀强度与速率的影响，并且在滤网轴心处安装有可伸入可移动提料装置底部的带有螺旋状的搅拌器。可移动式加料装置底部设计有料斗，可以起到筛选不同直径砂粒的作用，从而可以分析不同粒径范围的砂粒对集输管道冲蚀过程的影响特点，并结合装置外壁面紧贴的标有容积刻度的标尺，可以测定出砂量，作为准确控制含砂比例的依据，其中的底部装有排砂口，用以清空可移动式加料装置内的砂粒，实现砂粒的循环、周期地使用。在可移动式加料装置中加设固体密度计，以便达到控制砂粒密度的目的，从而可以分析不同的固体密度对集输管道冲蚀强度与速率大小。可移动式加料装置通过水平管与冲蚀腔连接，冲蚀腔是一个封闭的组合立体空间，其中间段是一个长方体，两端是两个半球，冲蚀腔的中间段安装有可调节放置倾斜角度的试样，试样是一种由一定厚度的矩形复合材料制成的，它通过夹持器调节试样在夹具上的相对位置，可以实现调整冲蚀角度，考核冲击角度对材料冲蚀磨损性能的影响。在冲蚀腔的入口处设置有换热器，通过换热器(温度控制仪表)控制与试件台连接的电热偶加热功率，控制试样表面温度，以研究材料在不同温度条件下的冲蚀率。通过换热器也可以对气-水-砂三相流的温度进行控制，以研究多相流不同温度工况下对集输管道和管件的冲蚀效应。冲蚀腔被设计成可拆卸装置，不同管径的水平直管和90°拐角弯头能对其进行替换，以实现对90°拐弯处集输管道直径的优化。冲蚀腔被拆卸后也可以被变径管、大小头、三通和除90°以外其它拐角的弯头等管件所替代，以研究集输管道不同运行条件对各管件的冲蚀影响程度。其中管件主要包括不同几何尺寸、安装位置、结构材质的大小头，不同管径、多种流向、多种相组成的弯头、三通管和变径管等。在经过冲蚀腔等装置或管件后，气-水-砂三相进入三相分离器，在三相分离器处可以实现三相的分离。其中气相在三相分离器顶部流出后进入氮气罐循环使用，水相在三相分离器中部流出后进入水罐循环使用，同样固相(砂粒)从三相分离器底部流出后，可引入可移动式加料装置中实现砂料的循环使用。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本实用新型将压气、输气、加砂、出砂、排砂、冲蚀和测量一体化流程，实现了砂粒的重复使用，并且整个集输管道冲蚀实验环道平台的占地面积小、经济上最省、环保上高效、技术上可行、安全方便；

2、本实用新型可通过分析不同管径环道90°拐弯处的半径，优化出冲蚀磨损最小时的半径，达到经济节能的目的；

3、冲蚀腔被设计成可拆卸装置，不同管径的水平直管和90°拐角弯头能对其进行替换，以实现对90°拐弯处集输管道直径的优化；

4、冲蚀腔被拆卸后也可以被变径管、大小头、三通和除90°以外其它拐角的弯头等管件所替代，以研究集输管道不同运行条件对各管件的冲蚀影响程度；

5、本实用新型可通过离心过滤器控制砂粒粒径、固体密度计控制砂粒密度；

6、本实用新型可通过调节可移动提料装置底部的出砂阀开度来控制出砂量，并由装置外壁面紧贴的标有容积刻度的标尺，可以精确地测定出砂量；

7、本实用新型可通过改变试样段的放置倾斜度，以适时调节试样段迎击砂粒时的冲蚀角度；

8、本实用新型考虑了由于砂粒夹带滋生大量细菌而导致在集输管道产生的腐蚀问题，以研究在细菌腐蚀和冲蚀协同作用下对集输管道和管件的影响情况。

附图说明

图1是本实用新型一种含砂页岩气集输管道冲蚀实验环道平台的结构示意图。图中标记：1.氮气罐；2.第一闸阀；3.气体流量计；4.第二闸阀；5.压力表；6.第三闸阀；7.水罐；8.第四闸阀；9.泵；10.第五闸阀；11.加热炉；12.第六闸阀；13. 液体流量计；14.第七闸阀；15.汇管；16.第八闸阀；17.可移动式加料装置；18. 换热器；19.冲蚀腔；20.三相分离器；21.变径管；22.弯头；23.三通；24.大小头； 25.第九闸阀。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本实用新型一种含砂页岩气集输管道冲蚀实验环道平台，主要由氮气罐1、第一闸阀2、气体流量计3、第二闸阀4、压力表5、第三闸阀6、水罐 7、第四闸阀8、泵9、第五闸阀10、加热炉11、第六闸阀12、液体流量计13、第七闸阀14、汇管15、第八闸阀16、可移动式加料装置17、换热器18、冲蚀腔19、三相分离器20、变径管21、弯头22、三通23、大小头24、第九闸阀25 组成。氮气罐1既是提供气源的装置，又是压缩气体的气压发生装置。氮气罐1中注气阀的右端连接有一水平管，水平管中有第一闸阀2、气体流量计3、第二闸阀4、压力表5和第三闸阀6。水罐7中注气阀的右端连接有一水平管，水平管中有第四闸阀8、泵9、第五闸阀10、加热炉11、第六闸阀12、液体流量计 13、第七闸阀14和第九闸阀25。氮气罐1流出的气体和水罐7流出的液体在汇管15中相互混合，从汇管15流出的气-水两相在水平管中段通过三通管与可移动式加料装置17底部出砂口相连，并保证注气阀的水平高度大于出砂口的水平高度，以便避免砂粒回流至可移动式加料装置17中。通过调节氮气罐1底部注气阀的开度，可以达到控制气体进入集输管道(循环管路)的流量，并在氮气罐 1出口的水平管上安装气体流量计(旋涡流量计)3，以起到测量气体流量的作用。氮气罐1、旋涡流量计3、闸阀2、4、6和压力表5共同组成气相供应单元。与气相供应单元并行设置的是水相供应单元。水相供应单元是由水罐7、第四闸阀8、泵9、第五闸阀10、加热炉11、第六闸阀12、液体流量计(质量流量计) 13、第七闸阀14、第九闸阀25组成。其中加热炉11的作用是除去水罐7水的氧气成分，以制造细菌能存活的无氧环境，从而考虑页岩气集输管道会有一定的细菌腐蚀和冲蚀的耦合效应，为后续细菌存在的环境下对集输管道和管件造成的冲蚀影响研究提供前提条件。气相和水相分别经过各自的供应单元后在汇管处汇集。气-水两相经过汇管15后进入可移动式加料装置17，再经过换热器18进行换热升温至预定的温度。可移动式加料装置17必须是上部为圆柱体、下部为圆椎体的封闭结构，以保证夹带在砂粒中的细菌能够存活，为细菌腐蚀和冲蚀协同下对集输管道及管件的影响情况提供研究条件。可移动式加料装置17顶部设有不同形状的滤网，滤网可以取出更换，更换后可通过卡箍固定，以适应不同形状砂粒的实验需要，从而可以分析不同形状砂粒对冲蚀强度与速率的影响。并且在滤网轴心处安装有可伸入可移动式加料装置17底部的带有螺旋状的搅拌器，通过搅动杆的转动可防止可移动式加料装置17内的砂粒固结。可移动式加料装置 17底部设计有料斗，可以起到筛选不同直径砂粒的作用，从而可以分析不同粒径范围的砂粒对集输管道冲蚀过程的影响特点，并结合装置外壁面紧贴的标有容积刻度的标尺，可以测定出砂量，作为准确控制含砂比例的依据，其中的底部装有排砂口，用以清空可移动式加料装置17内的砂粒，实现砂粒的循环、周期地使用。在可移动式加料装置17中加设固体密度计，以便达到控制砂粒密度的目的，从而可以分析不同的固体密度对集输管道冲蚀强度与速率大小。可移动式加料装置17侧面开有透明视窗，透明视窗一侧贴有标尺。可移动式加料装置17圆锥体底部开有注砂口，注砂口处设有加砂阀，通过调节加砂阀可以控制加砂量，使得可移动式加料装置17内砂面位置的升降控制在标尺的可测范围内。可移动式加料装置17注砂口旁开有排砂口，排砂口处设有排砂阀，待实验结束时，可打开排砂口清空可移动式加料装置17内的砂粒。可移动式加料装置17通过水平管与冲蚀腔连接，冲蚀腔19是一个封闭的组合立体空间，其中间段是一个圆柱体，两端为渐缩的圆锥体，圆柱体与圆锥体间通过螺纹连接。冲蚀腔19的中间段安装有可调节放置倾斜角度的试样，试样是一种由一定厚度的矩形复合材料制成的，它通过夹持器调节试样在夹具上的相对位置，可以实现调整冲蚀角度，分析冲击角度对材料性能的冲蚀磨损影响。冲蚀腔19顶端通过弯头连接伸入可移动式加料装置17且开口向下的弯头，弯头出口高于可移动式加料装置17内的最高砂面位置，携砂气流从弯头喷出后，可在可移动式加料装置17内实现气-固分离。在冲蚀腔19的入口处设置有换热器18，通过换热器(温度控制仪表)18控制与试件台连接的电热偶加热功率，控制试样表面温度，以研究材料在不同温度条件下的冲蚀率。通过换热器18也可以对气-水-砂三相流的温度进行控制，以研究多相流不同温度工况下对集输管道和管件的冲蚀效应。冲蚀腔19不仅被设计成可拆卸装置，而且被设计成可移动式冲蚀实验装置，不同管径的水平直管和 90°拐角的弯头22能对其进行替换，以实现对90°拐弯处集输管道直径的优化。冲蚀腔19被拆卸或移去后也可以被变径管21、除90°以外其它拐角的弯头22、三通23和大小头24等管件所替代，以研究集输管道不同运行条件下气-液-固三相流对各管件的冲蚀影响程度。其中管件主要包括不同几何尺寸、安装位置、结构材质、直径及流向组成的变径管21、弯头22、三通23和大小头24。在经过冲蚀腔19等装置或管件后，气-水-砂三相进入三相分离器20，在三相分离器20 处可以实现三相的分离。其中气相在三相分离器20顶部流出后进入氮气罐1循环使用，水相在三相分离器20中部流出后进入水罐7循环使用，同样固相(砂粒)从三相分离器20底部流出后，可引入可移动式加料装置17中实现砂料的循环使用。特别需要注意的是第九闸阀25可以起到旁通阀的作用，由于该条通道没有设置加热炉，水中的氧气成分无法除去，使得厌氧细菌不能存活。因此，就形成了单一的冲蚀、无细菌腐蚀的实验环道平台。

Claims (5)

1.一种含砂页岩气集输管道冲蚀实验环道平台，其特征在于，包括以下内容：氮气罐(1)、第一闸阀(2)、气体流量计(3)、第二闸阀(4)、压力表(5)、第三闸阀(6)、水罐(7)、第四闸阀(8)、泵(9)、第五闸阀(10)、加热炉(11)、第六闸阀(12)、液体流量计(13)、第七闸阀(14)、汇管(15)、第八闸阀(16)、可移动式加料装置(17)、换热器(18)、冲蚀腔(19)、三相分离器(20)、变径管(21)、弯头(22)、三通(23)、大小头(24)和第九闸阀(25)；所述的氮气罐(1)是提供实验页岩气的装置，其底部设置有注气阀，可以控制气体的流量大小，其值可以通过气体流量计(3)进行测量；所述的氮气罐(1)内部压力较高，可以为气相在集输管道的流动以及冲蚀提供动力；所述的压力表(5)可以实时直观地观察氮气在水平集输管道的流动状况，检查气流是否稳定，如果不稳定，则需要通过氮气罐(1)底部的注气阀调节阀口的开度来控制气体的供给量，进而达到稳定气流的效果。

2.根据权利要求1所述的一种含砂页岩气集输管道冲蚀实验环道平台，其特征在于：水罐(7)是提供液相实验流体的装置，同样水罐(7)底部也设置有注水阀，可以控制水相的排出量，并可以通过液体流量计(13)对水相进行准确测量；所述的第一闸阀(2)、第二闸阀(4)在气体流量计(3)的两端，在气体流量计(3)出现故障需要维修时充当截断管路的作用；同样第二闸阀(4)、第三闸阀(6)被安装在压力表(5)的两端，也充当压力表(5)出现故障需要维修时截断管路的作用；类似地，第四闸阀(8)、第五闸阀(10)在泵(9)的两端，在泵(9)出现故障需要维修时充当关断管路的作用；第五闸阀(10)、第六闸阀(12)在加热炉(11)的两端，在加热炉(11)出现故障需要维修时充当关断管路的作用；第六闸阀(12)、第七闸阀(14)在液体流量计(13)的两端，充当液体流量计(13)出现故障需要维修时关断管路的作用；所述的第九闸阀(25)在正常操作时，需要关闭第五闸阀(10)、第六闸阀(12)，此时形成了一条气-水-砂三相流对集输管道及管件的冲蚀管路；反之，关闭第九闸阀(25)，打开第五闸阀(10)、第六闸阀(12)，此时就形成了一条气-水-砂三相流对集输管道及管件的冲蚀和细菌腐蚀双重耦合管路。

3.根据权利要求1所述的一种含砂页岩气集输管道冲蚀实验环道平台，其特征在于：所述的汇管(15)是气-水两相相互混合的场所，气相对液相具有浮力的提升作用，使两者在汇管(15)中部流出后进入可移动式加料装置(17)；可移动式加料装置(17)有滤网、搅拌器、固体密度计、离心过滤器、料斗、标尺和透明视窗；其中滤网可以筛选不同形状的砂粒；搅拌器可以避免砂粒形成固结状态；固体密度计可以控制砂粒密度；离心过滤器可以使过滤速率更快、更高效，与滤网配合完成对砂粒的精准过滤；料斗可以起到筛选不同直径砂粒的作用；标尺可以准确测定出砂量；标尺被贴附在透明视窗一侧，可以通过透明视窗观察标尺上标记的出砂量。

4.根据权利要求1所述的一种含砂页岩气集输管道冲蚀实验环道平台，其特征在于：所述的冲蚀腔(19)是一个封闭的组合立体空间，其中间段是一个圆柱体，两端为渐缩的圆锥体，圆柱体与圆锥体间通过螺纹连接；冲蚀腔(19)的中间段安装有可调节放置倾斜角度的试样，试样是由一定厚度的矩形复合材料所制作而成的，它通过夹持器调节试样在夹具上的相对位置，可以实现调整冲蚀角度；在冲蚀腔(19)的入口处设置有换热器(18)，通过换热器(18)控制与试件台连接的电热偶加热功率，可以控制试样表面的温度；通过换热器(18)也可以对气-水-砂三相流的温度进行控制；冲蚀腔(19)可以被设计成可移动式冲蚀实验发生装置，不同管径的水平直管和90°拐角的弯头(22)能对其进行替换；冲蚀腔(19)被移去后可被变径管(21)、弯头(22)、三通(23)和大小头(24)管件所替代。

5.根据权利要求1所述的一种含砂页岩气集输管道冲蚀实验环道平台，其特征在于：所述的气相在三相分离器(20)顶部流出后进入氮气罐(1)循环使用，水相在三相分离器(20)中部流出后进入水罐(7)循环使用，同样砂粒从三相分离器(20)底部流出后，可引入可移动式加料装置(17)中实现砂粒的循环使用。

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