[发明专利]天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置及方法

权利要求书

1.一种天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置，其特征在于：包括供液装置、供气装置、反循环输运装置、多相流观测装置和循环装置，其中：

所述供液装置是由水箱(15)通过进水管与加热器(16)和水泵(17)相通，水泵(17)通过注液管路(20)与气液混合器(25)相连；注液管路(20)上安装有节流阀(18)和涡轮流量计(19)，涡轮流量计(19)位于节流阀(18)与气液混合器(25)之间；所述气液混合器(25)为三通式结构，三个通道分别是进液口，进气口和出液口，其中进液口与水泵(17)相通；

所述供气装置是由空压机(21)通过注气管路(22)向气液混合器(25)进气口注入一定质量流量的气体，通过注气管路(22)上依次安装有可编程控制器(23)和涡街流量计(24)，涡街流量计(24)位于可编程控制器(23)与气液混合器(25)之间；

所述反循环输送装置是利用动力机(26)驱动螺旋加料器(28)，螺旋加料器(28)上端与投料漏斗(27)连通，出口端通过进料管(29)与反循环实验台(1)相通，反循环井筒(2)安装在所述实验台的上端，构成气液固多相流的运移通道；

所述多相流观测装置是利用摄像机(9)通过设置在井筒侧面的可视窗(8)连续采集流场图像，然后通过分析和处理图像来研究多相流动规律；所述计算机(3)通过数据线与安装在井筒侧面的温度传感器(4)、阻抗探针(5)、压差变速器(6)、压力传感器(7)和安装在实验台底部的负压传感器(30)相连，并可以读取温度传感器(4)、阻抗探针(5)、压差变速器(6)、压力传感器(7)和负压传感器(30)的数据；

所述循环装置中的滤式固液分离器(11)通过混合出料管(10)与所述井筒的顶部相连，安装在滤式固液分离器(11)下端的岩屑箱(12)用来回收过滤出的固体颗粒；滤式固液分离器(11)出口通过排渣管(13)与旋流气液分离器(14)相通，旋流气液分离器(14)下端通过管路与水箱(15)相通，用来回收循环用水。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置，其特征在于：所述多相流观测装置包括计算机(3)、温度传感器(4)、阻抗探针(5)、压差变速器(6)、压力传感器(7)、负压传感器(30)、可视窗(8)和摄像机(9)；

所述温度传感器(4)为2个，分别安装在井筒的底部和顶部，用来测试管路内的温度变化数据；所述阻抗探针(5)为2组，分别安装在井筒的底部和顶部，用来测试管路多相流的流型变化情况；压差变速器(6)与井筒相连，测试井筒出入口的压力降数据；压力传感器(7)为2个，分别安装在井筒的底部和顶部，用来测试井筒内的压力变化数据；所述负压传感器(30)安装在实验台下端，用来测试钻孔底部的负压数值。

3.根据权利要求1所述的天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置，其特征在于：所述反循环实验台(1)为双通道结构，利用螺栓将实验台基体(102)固定在底板(101)上，实验台的外管(103)和内管(104)同心布置，与基体(102)采用插接安装，外管(103)与接头(105)采用螺纹连接，接头(105)上端利用螺纹和反循环井筒(2)连接；实验台外管(103)的侧面开口与进液口(106)采用焊接，并与气液混合器(25)相通，实验台基体(102)的侧面开口与进料口(107)采用焊接，并与进料管(29)采用螺纹连接。

4.权利要求1或2或3所述的天然气水合物反循环钻井多相流输运模拟实验装置的模拟实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、组装实验装置，分别启动供液装置和供气装置，完成液体和气体的管路循环调试，检查各种仪表和传感器的工作状态，并做归零处理；

步骤二、启动水泵(17)和空压机(21)，并设定出口压力，调节节流阀(18)和阀门来控制水和气体的流量，并通过气液混合器(25)将气液混合流体送入反循环实验台(1)；

步骤三、利用动力机(26)驱动螺旋加料器(28)，将存储在投料漏斗(27)中预设粒径的固体颗粒样品通过进料管(29)送入反循环实验台(1)；

步骤四、利用摄像机(9)记录气液固多相流在管路内的流态，观察固体颗粒的运移和升举过程，并记录流场压力和速度的变化情况；

步骤五、停止固体颗粒的投料，向井筒内输入气液两相流，设计实验的气液流量比，利用可编程控制器(23)精确调整气体质量流量，使井筒内依次形成泡沫流、泡状流、段塞流、搅拌流和环状流；

步骤六、待流态稳定后，读取和记录压差变速器(6)、压力传感器(7)和流量计中的数值，利用阻抗探针(5)测量界面相含率及相速度，分析多相流流速和流态对井筒内压力的影响；

步骤七、将预制的水合物浆体送入反循环实验台(1)，用加热器将循环水加热到预定温度，并利用水泵(17)按照预定的压力和速度向所述实验台(1)注入热水，携带水合物浆体沿井筒上返；

步骤八、利用摄像机(9)通过可视窗(8)观测水合物样品随温度升高而不断分解的过程，并利用温度传感器(4)、压力传感器(7)实时监测井筒内温度和压力的分布数据。