本發(fā)明涉及水平井技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域，尤其涉及一種粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著油氣資源的日益緊缺和油田開(kāi)發(fā)難度的增大，常規(guī)的水平井技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們的需求。隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，以超短半徑徑向水平井為代表的微小井眼技術(shù)逐步在油氣田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的前景。超短半徑水平井技術(shù)是目前世界上最先進(jìn)、轉(zhuǎn)彎半徑最小(只有300mm)的水平井技術(shù)。

該技術(shù)是在上世紀(jì)80年代由美國(guó)能源部、Bechtel投資公司和美國(guó)石油物理公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)出來(lái)的。上世紀(jì)七十年代末，美國(guó)的比契特爾(Bechtel)投資公司和石油物理(Pctrophysics)有限公司開(kāi)始了用特殊的鉆井工藝技術(shù)鉆超短半徑水平排液井的研究。經(jīng)過(guò)六年多的探索和試驗(yàn)，成功地研制了第一代獨(dú)具特色的Becwell水平鉆井系統(tǒng)，創(chuàng)造了典型的超短半徑徑向水平井鉆井技術(shù)。

超短半徑水平井對(duì)于開(kāi)發(fā)薄油層、稠油層、低滲透油氣層和裂縫性油氣層等采用常規(guī)方法開(kāi)采十分困難的油氣層具有顯著效果。該技術(shù)可提高可采儲(chǔ)量和采收率，為提高油井產(chǎn)量和產(chǎn)能提供了有效的途徑，給老油田的復(fù)活帶來(lái)了新的生機(jī)，是未來(lái)油氣田開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)手段。

以超短半徑徑向水平井為代表的微小井眼技術(shù)盡管帶來(lái)了生產(chǎn)的便利，但同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題。由于在鉆井過(guò)程中采用了很大的造斜率，使得完井管柱無(wú)法或很難下入水平井段，微小的水平井眼一般只能采用裸眼完井，井筒壁面粗糙，形成了特殊的微型水平井筒結(jié)構(gòu)，與常規(guī)光滑水平圓管不同，管壁粗糙度的顯著增加大大改變了井筒內(nèi)多相流體的流動(dòng)特征，流動(dòng)機(jī)理愈加復(fù)雜且尚不明確，而流動(dòng)形態(tài)、復(fù)雜的變化規(guī)律，對(duì)井筒內(nèi)的壓力分布有較大影響。同時(shí)，采用相對(duì)粗糙度對(duì)井筒流動(dòng)進(jìn)行描述和計(jì)算的常規(guī)方法已無(wú)法適用于此類(lèi)特殊的井筒類(lèi)型，形成了一片研究的真空區(qū)域。因此，微型水平井筒內(nèi)多相流動(dòng)機(jī)理問(wèn)題亟待深入探索。

目前，以超短半徑徑向水平井為代表的微小井眼技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外油氣田獲得了較為廣泛試驗(yàn)和應(yīng)用，隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，新型的微小井眼、甚至超微小井眼將會(huì)不斷出現(xiàn)，在這個(gè)前提下，進(jìn)行粗糙壁微型水平井氣液兩相流動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)研究，有著重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

通過(guò)廣泛的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研，目前針對(duì)水平井筒多相管流流型和壓降的研究主要依靠實(shí)驗(yàn)方法，包括目測(cè)法、高速攝像法、內(nèi)窺鏡法、電子探針?lè)ā崦麸L(fēng)速儀和粒子圖像測(cè)速技術(shù)等。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水平管流流型的劃分工作進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，如美國(guó)Ohio大學(xué)的Lee等以二氧化碳為氣相，Arcopak90和LVT-200兩種礦物油為油相在內(nèi)徑為75mm的管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，Jepson使用壓力傳感器、攝像機(jī)結(jié)合目測(cè)研究流型，東北電力大學(xué)周云龍等以46#機(jī)油、水和空氣為介質(zhì)，在直徑為32mm、長(zhǎng)1500mm的有機(jī)玻璃管內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，采用壓差波動(dòng)識(shí)別流型。上海交通大學(xué)于立軍等用管徑45mm、長(zhǎng)度6m的無(wú)縫鋼管進(jìn)行氣液兩相流實(shí)驗(yàn)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析方法，得到了四種基本流型間相互轉(zhuǎn)換的預(yù)報(bào)關(guān)系式。西安交通大學(xué)劉文紅等用46#機(jī)械油、自來(lái)水和空氣在40mm內(nèi)徑的有機(jī)玻璃水平實(shí)驗(yàn)管進(jìn)行研究。通過(guò)這些詳細(xì)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)水平管流實(shí)驗(yàn)是在光滑管中進(jìn)行的，井筒直徑范圍在1.5英寸到5英寸之間，且研究絕大多數(shù)都針對(duì)光滑水平管進(jìn)行，對(duì)流型的劃分也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在微型水平井筒中，由于井筒直徑相對(duì)較小，僅少量氣體就有可能占據(jù)大部分流動(dòng)通道，流體的流型劃分需要重新認(rèn)識(shí)和研究，而粗糙壁在油水流動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致液相在粗糙壁面的滯留，由此帶來(lái)的機(jī)理問(wèn)題都需要重新認(rèn)識(shí)。

現(xiàn)有技術(shù)中有一種采用觀察法和光纖探針信號(hào)識(shí)別流型的實(shí)驗(yàn)方法，該方法的第一實(shí)驗(yàn)裝置91如圖6所示，實(shí)驗(yàn)管段由5m長(zhǎng)的有機(jī)玻璃管911固定在支架912上構(gòu)成,有機(jī)玻璃管911的管徑為30mm。有機(jī)玻璃管911上設(shè)置有光纖探針913、壓力傳感器914、熱電偶915，光纖探針913與多相流體測(cè)試儀916連接，多相流體測(cè)試儀916上連接光線示波器917、函數(shù)記錄儀918，實(shí)驗(yàn)管段和實(shí)驗(yàn)回路的數(shù)據(jù)全部由分散數(shù)據(jù)采集器(IMP)910采集并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)919中，計(jì)算機(jī)919上連接有打印機(jī)9191。圖中，ΔPg為氣路孔板壓差電信號(hào)，ΔPo為油路孔板壓差電信號(hào)，Tt為試驗(yàn)段溫度電信號(hào)，Tg為氣路溫度電信號(hào)，To為油路溫度電信號(hào)，Pt為試驗(yàn)段壓力電信號(hào)，Pg為氣路壓力電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)壓力為0.1～0.2MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為10～2O℃。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)是空氣和輕油，輕油的密度為860kg/m³，粘度為34mPa·s(15℃左右)，空氣的折算速度為0.3～50m/s，油的折算速度為0.04～2.5m/s。該實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)水平管內(nèi)油氣兩相流型實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)影響管內(nèi)油氣兩相流型轉(zhuǎn)換的各種因素進(jìn)行了綜合分析,根據(jù)所作的油氣兩相流型實(shí)驗(yàn)結(jié)果,引入新的準(zhǔn)則數(shù),用量綱分析的方法得出了不同流型間轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)則關(guān)系式。但由于該第一實(shí)驗(yàn)裝置91采用管徑為30mm的有機(jī)玻璃管911，管壁光滑且管徑較大，其缺點(diǎn)主要有以下三個(gè)方面：(1)水平井筒類(lèi)型單一，只采用管徑為30mm的有機(jī)玻璃管，不能研究在不同管徑條件下的氣液兩相流流動(dòng)規(guī)律；(2)由于第一實(shí)驗(yàn)裝置采用管徑為30mm的有機(jī)玻璃管，管壁光滑且管徑較大，不能研究微型水平井筒的氣液兩相流動(dòng)特征；(3)第一實(shí)驗(yàn)裝置缺少控制裝置，無(wú)法控制氣相和液相的流量，所以不能研究不同的氣相和液相流量對(duì)于氣液兩相流動(dòng)的影響。

現(xiàn)有技術(shù)中還有另一種實(shí)驗(yàn)方法，該方法的第二實(shí)驗(yàn)裝置92的簡(jiǎn)化流程如圖7所示，第二實(shí)驗(yàn)裝置92的整個(gè)水平段長(zhǎng)14m，為了消除入口影響和出口影響,取差壓變速器測(cè)試段的長(zhǎng)度為10.20m，距離入口處和出口處的距離分別為2.60m和2.20m。同樣，為了消除入口影響和出口影響，上管壁入流處的位置選擇在距離入口處為2.40m的位置，下管壁入流的位置選擇在距離入口處為3m的位置。為了能夠看到入流量和入流位置的影響,觀察段取在距離入口處4m的位置，觀察段起始位置距離上管壁入流位置為1.60m，觀察段起始位置距離下管壁入流位置為1m。觀察段為有機(jī)玻璃管920,在此觀察到管路的流型。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)參數(shù)包括：管道直徑為6cm；橫截面積為28.3cm²；測(cè)試段長(zhǎng)度為10.20m；液相(水)粘度為1.0089mPa·s；氣相(空氣)粘度為0.0181mPa·s；液相(水)密度為998.2kg/m³；氣相(空氣)密度為1.205kg/m³；射孔眼直徑為0.8cm。第二實(shí)驗(yàn)裝置92的流體供給系統(tǒng)主要由儲(chǔ)罐922、動(dòng)力泵923和空氣壓縮機(jī)924組成，液相流體(油、水)由動(dòng)力泵923向?qū)嶒?yàn)管路供應(yīng)，氣相流體(空氣)由空氣壓縮機(jī)924向?qū)嶒?yàn)環(huán)路供應(yīng)。氣、液相流體在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管路之前由系統(tǒng)測(cè)定其流量，流量測(cè)量系統(tǒng)由渦輪流量計(jì)925、浮子流量計(jì)926、第一調(diào)節(jié)閥921、第二調(diào)節(jié)閥927和氣、液相流動(dòng)通路(包括氣液混合器928)組成，實(shí)驗(yàn)人員可根據(jù)要求來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入環(huán)路的介質(zhì)流量。該實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)對(duì)水平井筒氣、液兩相變質(zhì)量流動(dòng)流型轉(zhuǎn)變模擬實(shí)驗(yàn)研究,該實(shí)驗(yàn)方法的特點(diǎn)是研究了管壁流體入流量和入流位置(上管壁或下管壁)對(duì)水平氣液兩相流動(dòng)流型轉(zhuǎn)變的影響，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證理論流型判別模型并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的修正。其缺點(diǎn)主要有以下三個(gè)方面：(1)采用管道直徑為6cm的井筒，不能研究微型水平井筒氣液兩相流的流動(dòng)情況；(2)為了消除入口影響和出口影響，采用井壁注入的方式，不能研究粗糙管壁對(duì)于氣液兩相流流動(dòng)規(guī)律的影響；(3)觀察流型的方法單一，由于流速和流型變化較快，只采用簡(jiǎn)單的觀察法通過(guò)有機(jī)玻璃管觀察氣液兩相流型的變化，誤差較大。

由此，本發(fā)明人憑借多年從事相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，提出一種粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，以滿足微型水平井筒管流流型和壓降的研究需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同尺寸、具有不同壁面粗糙程度的微型水平井筒流動(dòng)物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究氣液兩相在微型水平井筒中的流型分布特征及轉(zhuǎn)換機(jī)理、粗糙壁面液相滯留機(jī)理及渦旋流動(dòng)機(jī)理等，分析出不同流型的壓降變化規(guī)律。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，所述粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置包括內(nèi)壁粗糙且側(cè)壁透明的微型水平井筒，所述微型水平井筒的入口與一氣液回路的出口連通，所述微型水平井筒的外部設(shè)置有用于拍攝流型的攝像設(shè)備。

在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述氣液回路包括并聯(lián)設(shè)置的氣體回路和液體回路，所述氣體回路和所述液體回路的出口均連通于一總控制閥門(mén)的入口，所述總控制閥門(mén)的出口與所述微型水平井筒的入口連通。

在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述氣體回路包括空氣壓縮機(jī)，所述空氣壓縮機(jī)的出口順序連接有減壓閥、氣路閥門(mén)、氣體流量計(jì)和氣路單向閥，所述氣路單向閥的出口與所述總控制閥門(mén)的入口連通。

在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述液體回路為供水回路，所述供水回路包括儲(chǔ)水罐，所述儲(chǔ)水罐的出口順序連接有水路第一閥門(mén)、水路離心泵、水路第二閥門(mén)、水路流體流量計(jì)和水路單向閥，所述水路單向閥的出口與所述總控制閥門(mén)的入口連通。

在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述液體回路為供油回路，所述供油回路包括儲(chǔ)油罐，所述儲(chǔ)油罐的出口順序連接有油路第一閥門(mén)、油路離心泵、油路第二閥門(mén)、油路流體流量計(jì)和油路單向閥，所述油路單向閥的出口與所述總控制閥門(mén)的入口連通。

在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述液體回路包括并聯(lián)設(shè)置的供水回路和供油回路；所述供水回路包括儲(chǔ)水罐，所述儲(chǔ)水罐的出口順序連接有水路第一閥門(mén)、水路離心泵、水路第二閥門(mén)、水路流體流量計(jì)和水路單向閥，所述水路單向閥的出口與所述總控制閥門(mén)的入口連通；所述供油回路包括儲(chǔ)油罐，所述儲(chǔ)油罐的出口順序連接有油路第一閥門(mén)、油路離心泵、油路第二閥門(mén)、油路流體流量計(jì)和油路單向閥，所述油路單向閥的出口與所述總控制閥門(mén)的入口連通。

在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述微型水平井筒的數(shù)量為多個(gè)，多個(gè)所述微型水平井筒并聯(lián)設(shè)置。

在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，各所述微型水平井筒的兩端分別設(shè)置有一壓差傳感器，各所述微型水平井筒的兩端的所述壓差傳感器均連接于一控制器上。

在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，各所述微型水平井筒的入口端均設(shè)置有一井筒控制閥門(mén)，所述井筒控制閥門(mén)的入口均與所述總控制閥門(mén)的出口連通。

在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，各所述微型水平井筒為內(nèi)壁粗糙的耐壓有機(jī)玻璃管。

本發(fā)明的目的還可以這樣實(shí)現(xiàn)，一種采用粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：

a、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選擇一根微型水平井筒組裝粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，確保實(shí)驗(yàn)回路和各閥門(mén)符合實(shí)驗(yàn)要求；

b、打開(kāi)各閥門(mén)和各離心泵，調(diào)節(jié)各離心泵的功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行，改變液體的流量，觀察粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)；

c、在實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行過(guò)程中，確定粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置未發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，關(guān)掉開(kāi)關(guān)，準(zhǔn)備正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段；實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常時(shí)立即關(guān)掉電源；

d、實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行正常，正式進(jìn)入試驗(yàn)階段：先將氣體回路的各閥門(mén)關(guān)閉，單獨(dú)打開(kāi)供水回路或供油回路的各閥門(mén)或者同時(shí)打開(kāi)供水回路、供油回路的各閥門(mén)，不斷加大相應(yīng)的離心泵的功率，觀察微型水平井筒內(nèi)的液體流動(dòng)情況，在液相充滿微型水平井筒且流動(dòng)穩(wěn)定后，記錄壓差傳感器和各流體流量計(jì)的示數(shù)；

e、在記錄單相流體的數(shù)據(jù)之后，打開(kāi)氣體回路的各閥門(mén)，打開(kāi)空氣壓縮機(jī)的開(kāi)關(guān)，向微型水平井筒中不斷地加入氣體；

f、不斷加大空氣壓縮機(jī)的功率，觀察微型水平井筒內(nèi)的氣液兩相流體的流行變化，并用攝像設(shè)備拍攝照片，記錄氣液兩相流動(dòng)過(guò)程中，壓差傳感器和各流體流量計(jì)的示數(shù)；

g、關(guān)閉離心泵和空氣壓縮機(jī)的開(kāi)關(guān)和氣液回路中的各閥門(mén)，更換另一根微型水平井筒，重復(fù)a～f的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，記錄壓差傳感器和各流體流量計(jì)的示數(shù)；

h、實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉離心泵和空氣壓縮機(jī)的開(kāi)關(guān)和氣液回路中的各閥門(mén)，整理粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置。

由上所述，本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，其微型水平井筒的內(nèi)壁面粗糙且其內(nèi)徑較小，能夠有效模擬微小的水平井眼采用裸眼完井時(shí)的粗糙壁面井筒；微型水平井筒的內(nèi)壁粗糙度通過(guò)改變粗糙點(diǎn)的類(lèi)型及粗糙點(diǎn)的密度和大小來(lái)調(diào)整，能夠滿足多種粗糙度要求的模擬實(shí)驗(yàn)；

(2)本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，并聯(lián)設(shè)置多種規(guī)格或粗糙度的多個(gè)微型水平井筒，各微型水平井筒均與氣液回路連接并通過(guò)閥門(mén)控制，完成其中一個(gè)微型水平井筒的實(shí)驗(yàn)后，可以立即轉(zhuǎn)換成其他粗糙度或規(guī)格的微型水平井筒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)效率；

(3)本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，氣液回路包括并聯(lián)設(shè)置的氣體回路、供水回路和供油回路，能夠?qū)崿F(xiàn)氣水、氣油或氣油水的實(shí)驗(yàn)研究；

(4)利用本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，采用觀察法和高速攝像法相結(jié)合的方式，觀察氣液兩相在粗糙壁微型水平井筒中的流型特點(diǎn)、流型之間的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律、油水在內(nèi)壁面的滯留情況、渦流特征以及氣液兩相流動(dòng)的壓降規(guī)律；結(jié)合物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，深入研究粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流型轉(zhuǎn)換機(jī)理、粗糙壁面液相滯留機(jī)理和渦旋流動(dòng)機(jī)理；在機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，提出粗糙壁微型水平井筒氣液兩相數(shù)學(xué)描述模型，利用物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正和驗(yàn)證；

(5)本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)機(jī)理研究，進(jìn)一步完善了水平井筒多相管流理論，同時(shí)也為超短半徑徑向水平井以及其它小井眼、微小井眼技術(shù)在石油開(kāi)采領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，該研究成果的成功應(yīng)用，將為以超短半徑徑向水平井為代表的微型井眼技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供可靠的理論支持。

附圖說(shuō)明

以下附圖僅旨在于對(duì)本發(fā)明做示意性說(shuō)明和解釋?zhuān)⒉幌薅ū景l(fā)明的范圍。其中：

圖1：為本發(fā)明的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置不含供油回路的示意圖。

圖2：為本發(fā)明的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置不含供水回路的示意圖。

圖3：為本發(fā)明的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置含供水回路及供油回路的示意圖。

圖4a：為本發(fā)明的微型水平井筒的牙形為三角形的螺旋線示意圖。

圖4b：為本發(fā)明的微型水平井筒的牙形為矩形的螺旋線示意圖。

圖4c：為本發(fā)明的微型水平井筒的牙形為圓弧形的螺旋線示意圖。

圖5a：為本發(fā)明的層狀流氣液兩相水平管流分相機(jī)械模型示意圖。

圖5b：為本發(fā)明的環(huán)狀流氣液兩相水平管流分相機(jī)械模型示意圖。

圖5c：為本發(fā)明的霧狀流氣液兩相水平管流分相機(jī)械模型示意圖。

圖5d：為本發(fā)明的波狀流氣液兩相水平管流分相機(jī)械模型示意圖。

圖6：為現(xiàn)有技術(shù)中第一實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。

圖7：為現(xiàn)有技術(shù)中第二實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。

圖中：

100、粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置；

1、微型水平井筒；11、壓差傳感器；12、井筒控制閥門(mén)；13、控制器；

2、氣液回路；

21、氣體回路；211、空氣壓縮機(jī)；212、減壓閥；213、氣路閥門(mén)；214、氣體流量計(jì)；215、氣路單向閥；

22、液體回路；

24、供水回路；241、儲(chǔ)水罐；242、水路第一閥門(mén)；243、水路離心泵；244、水路第二閥門(mén)；245、水路流體流量計(jì)；246、水路單向閥；

25、供油回路；251、儲(chǔ)油罐；252、油路第一閥門(mén)；253、油路離心泵；254、油路第二閥門(mén)；255、油路流體流量計(jì)；256、油路單向閥；

23、總控制閥門(mén)；

3、攝像設(shè)備；

91、第一實(shí)驗(yàn)裝置；911、有機(jī)玻璃管；912、支架；913、光纖探針；914、壓力傳感器；915、熱電偶；916、多相流體測(cè)試儀；917、光線示波器；918、函數(shù)記錄儀；910、分散數(shù)據(jù)采集器；919、計(jì)算機(jī)；9191、打印機(jī)；

92、第二實(shí)驗(yàn)裝置；920、有機(jī)玻璃管；921、第一調(diào)節(jié)閥；922、儲(chǔ)罐；923、動(dòng)力泵；924、空氣壓縮機(jī)；925、渦輪流量計(jì)；926、浮子流量計(jì)；927、第二調(diào)節(jié)閥；928、氣液混合器。

具體實(shí)施方式

為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照附圖說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置100，包括內(nèi)壁粗糙且側(cè)壁透明的微型水平井筒1，微型水平井筒1的內(nèi)徑范圍是0～25.4mm(1英寸)，微型水平井筒1的內(nèi)壁粗糙度大于等于Ra12.5μm；微型水平井筒1的入口與一氣液回路2的出口連通，微型水平井筒1的外部設(shè)置有用于拍攝流型的攝像設(shè)備3。該粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置100的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，微型水平井筒1的內(nèi)壁面粗糙且其內(nèi)徑較小，能夠有效模擬微小的水平井眼采用裸眼完井時(shí)的粗糙壁面井筒。在本實(shí)施方式的一具體實(shí)施例中，粗糙內(nèi)壁可以由微型水平井筒1的內(nèi)壁上設(shè)置的螺旋線構(gòu)成，螺旋線的牙形可以是如圖4a所示的三角形、如圖4b所示的矩形或者如圖4c所示的圓弧形，螺旋線的牙形還可以是梯形或者鋸齒形，可以通過(guò)改變螺旋線的螺距和牙形高度來(lái)改變微型水平井筒1的內(nèi)壁的粗糙度；在本實(shí)施方式的另一具體實(shí)施例中，粗糙內(nèi)壁可以由微型水平井筒1的側(cè)壁上自外向內(nèi)密封嵌入螺釘構(gòu)成，螺釘沿微型水平井筒1周向均布構(gòu)成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在微型水平井筒1的軸向上間隔設(shè)有多個(gè)所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)，螺釘?shù)那度肷疃群拖噜彽沫h(huán)狀結(jié)構(gòu)的間距根據(jù)粗糙度要求確定。在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，分別采用的不同粗糙程度的微型水平井筒1對(duì)氣液兩相的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在本實(shí)施方式中，攝像設(shè)備3為高速攝像設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微型水平井筒1內(nèi)的氣液兩相流體的流型變化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝。

首先，使用本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置100能夠進(jìn)行氣液兩相在粗糙內(nèi)壁的微型水平井筒中的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，可以分別針對(duì)氣液兩相進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)，采用觀察法與高速攝像法，按照氣液界面總體特征，對(duì)內(nèi)壁粗糙的微型水平井筒1內(nèi)氣液兩相流型進(jìn)行劃分，并制作相應(yīng)的流型圖；同時(shí)通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同流型情況下液相在微型水平井筒底部粗糙壁面的分布特點(diǎn)、渦流特點(diǎn)以及滯留情況。其次，使用本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置100還能夠?qū)Υ植趦?nèi)壁的微型水平井筒中氣液兩相流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究，基于前述的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究的流型觀察結(jié)果，結(jié)合氣相慣性力、液相重力、粘滯力、界面張力等相互作用的力學(xué)分析，以及氣液兩相物理特點(diǎn)、流速分布等，研究粗糙內(nèi)壁的微型水平井筒中氣液兩相的流型轉(zhuǎn)換機(jī)理；同時(shí)基于不同流型情況下油水兩相在微型水平井筒底部粗糙壁面的滯留特點(diǎn)、渦流特點(diǎn)，結(jié)合力學(xué)分析，研究粗糙內(nèi)壁的微型水平井筒中氣液兩相在粗糙壁面滯留機(jī)理及渦旋流動(dòng)機(jī)理。另外，使用本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置100還能夠?qū)Υ植趦?nèi)壁的微型水平井筒中氣液兩相數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，基于氣液兩相流動(dòng)機(jī)理研究，分析不同機(jī)理對(duì)氣液兩相流動(dòng)的影響特點(diǎn)，抽取特征參數(shù)，結(jié)合氣液兩相水平管流分相機(jī)械模型，如圖5a、圖5b、圖5c、圖5d所示，氣液兩相水平管流分相機(jī)械模型主要包括層狀流、環(huán)狀流、霧狀流和波狀流，建立新的粗糙內(nèi)壁的微型水平井筒氣液兩相數(shù)學(xué)模型；通過(guò)粗糙內(nèi)壁的微型水平井筒中氣液兩相物理模擬實(shí)驗(yàn)，確定數(shù)學(xué)模型中的特征參數(shù)，并對(duì)新的模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正。

進(jìn)一步，如圖1、圖2、圖3所示，氣液回路2包括并聯(lián)設(shè)置的氣體回路21和液體回路22，氣體回路21和液體回路22的出口均連通于一總控制閥門(mén)23的入口，總控制閥門(mén)23的出口與微型水平井筒1的入口連通。

進(jìn)一步，如圖1、圖2、圖3所示，氣體回路21包括空氣壓縮機(jī)211，空氣壓縮機(jī)211的出口順序連接有減壓閥212、氣路閥門(mén)213、氣體流量計(jì)214和氣路單向閥215，氣路單向閥215的出口與總控制閥門(mén)23的入口連通。

進(jìn)一步，如圖1所示，進(jìn)行氣水兩相實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，液體回路22為供水回路24，供水回路24包括儲(chǔ)水罐241，儲(chǔ)水罐241的出口順序連接有水路第一閥門(mén)242、水路離心泵243、水路第二閥門(mén)244、水路流體流量計(jì)245和水路單向閥246，水路單向閥246的出口與總控制閥門(mén)23的入口連通。微型水平井筒1的出口與儲(chǔ)水罐241連通，試驗(yàn)結(jié)束后，微型水平井筒1中的水返回至儲(chǔ)水罐241中。

進(jìn)一步，如圖2所示，進(jìn)行氣油兩相實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，液體回路22為供油回路25，供油回路25包括儲(chǔ)油罐251，儲(chǔ)油罐251的出口順序連接有油路第一閥門(mén)252、油路離心泵253、油路第二閥門(mén)254、油路流體流量計(jì)255和油路單向閥256，油路單向閥256的出口與總控制閥門(mén)23的入口連通。微型水平井筒1的出口與儲(chǔ)油罐251連通，試驗(yàn)結(jié)束后，微型水平井筒1中的油返回至儲(chǔ)油罐251中。

進(jìn)一步，如圖3所示，進(jìn)行氣、水、油三相實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，液體回路包括并聯(lián)設(shè)置的供水回路24和供油回路25，供水回路24包括儲(chǔ)水罐241，儲(chǔ)水罐241的出口順序連接有水路第一閥門(mén)242、水路離心泵243、水路第二閥門(mén)244、水路流體流量計(jì)245和水路單向閥246，水路單向閥246的出口與總控制閥門(mén)23的入口連通。供油回路25包括儲(chǔ)油罐251，儲(chǔ)油罐251的出口順序連接有油路第一閥門(mén)252、油路離心泵253、油路第二閥門(mén)254、油路流體流量計(jì)255和油路單向閥256，油路單向閥256的出口與總控制閥門(mén)23的入口連通。微型水平井筒1的出口與儲(chǔ)水罐241連通，試驗(yàn)結(jié)束后，微型水平井筒1中的油水混合物返回至儲(chǔ)水罐241中，再次使用前，對(duì)儲(chǔ)水罐241中的液體進(jìn)行濾油處理(該過(guò)濾處理技術(shù)為現(xiàn)有技術(shù))。

進(jìn)一步，如圖1、圖2、圖3所示，微型水平井筒1的數(shù)量為多個(gè)，多個(gè)微型水平井筒1并聯(lián)設(shè)置。微型水平井筒1的規(guī)格可以是內(nèi)徑7mm、10mm、15mm、20mm、25mm。

進(jìn)一步，如圖1、圖2、圖3所示，各微型水平井筒1的兩端分別設(shè)置有一壓差傳感器11，各微型水平井筒1的兩端的壓差傳感器11均連接于一控制器13上，控制器13的面板上將顯示試驗(yàn)用的微型水平井筒1兩端的壓力差值。

進(jìn)一步，如圖1、圖2、圖3所示，各微型水平井筒1的入口端均設(shè)置有一井筒控制閥門(mén)12，井筒控制閥門(mén)12的入口均與總控制閥門(mén)23的出口連通。

進(jìn)一步，各微型水平井筒1為內(nèi)壁粗糙的耐壓有機(jī)玻璃管。

利用本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置可研究的內(nèi)容包括：

(1)不同實(shí)驗(yàn)條件下，粗糙內(nèi)壁的微型水平井筒單相流和氣液兩相流物理模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，井筒兩端壓降變化規(guī)律以及氣液兩相流流型變化規(guī)律的研究。

(2)粗糙內(nèi)壁的微型水平井筒相對(duì)粗糙度和摩阻系數(shù)計(jì)算方法的研究。

(3)粗糙內(nèi)壁的微型水平井筒氣液兩相流實(shí)驗(yàn)中壓降計(jì)算的數(shù)學(xué)模型的研究。

在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，設(shè)定實(shí)驗(yàn)介質(zhì)包括自來(lái)水(密度為998kg/m3，粘度為1.103mPa·s)和空氣(密度為1.293kg/m3，粘度為0.0183mPa·s)，實(shí)驗(yàn)溫度為室內(nèi)常溫(20℃～25℃)。利用本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，包括如下步驟：

a、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選擇一根微型水平井筒1，在實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有平臺(tái)上組裝粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中具體包括首先按照實(shí)驗(yàn)流程圖連接氣液回路2的氣體回路21、供水回路24(實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為油時(shí)，連接供油回路25；需要水、油做介質(zhì)時(shí)，同時(shí)連接兩個(gè)回路)，并將氣體回路21、供水回路24分別通過(guò)總控制閥門(mén)23與微型水平井筒1密封連接，將選定的微型水平井筒1兩端的壓差傳感器11與控制器13連通，確保實(shí)驗(yàn)回路和各閥門(mén)符合實(shí)驗(yàn)要求；

b、在確保實(shí)驗(yàn)裝置連接無(wú)誤的基礎(chǔ)上，打開(kāi)各閥門(mén)和各離心泵(包括水路離心泵243或/和油路離心泵253)，調(diào)節(jié)各離心泵的功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行，改變液體的流量，觀察粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)；

c、在實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行過(guò)程中，確定粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置未發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，關(guān)掉開(kāi)關(guān)，準(zhǔn)備正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段；實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常時(shí)立即關(guān)掉電源；

d、實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行正常，正式進(jìn)入試驗(yàn)階段：先將氣體回路21的各閥門(mén)關(guān)閉，單獨(dú)打開(kāi)供水回路24或供油回路25的各閥門(mén)或者同時(shí)打開(kāi)供水回路24、供油回路25的各閥門(mén)，不斷加大相應(yīng)的離心泵的功率，觀察微型水平井筒1內(nèi)的液體流動(dòng)情況，在液相充滿微型水平井筒1且流動(dòng)穩(wěn)定后，記錄壓差傳感器11和各流體流量計(jì)的示數(shù)；

e、在記錄單相流體的數(shù)據(jù)之后，打開(kāi)氣體回路21的各閥門(mén)，打開(kāi)空氣壓縮機(jī)211的開(kāi)關(guān)，向微型水平井筒1中不斷地加入氣體；

f、不斷加大空氣壓縮機(jī)211的功率，觀察微型水平井筒1內(nèi)的氣液兩相流體的流行變化，并用攝像設(shè)備3拍攝照片，記錄氣液兩相流動(dòng)過(guò)程中，壓差傳感器11和各流體流量計(jì)的示數(shù)；

g、關(guān)閉離心泵和空氣壓縮機(jī)211的開(kāi)關(guān)和氣液回路中的各閥門(mén)，更換另一根微型水平井筒，重復(fù)a～f的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，記錄壓差傳感器11和各流體流量計(jì)的示數(shù)；

h、實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉離心泵和空氣壓縮機(jī)211的開(kāi)關(guān)和氣液回路中的各閥門(mén)，整理粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置。

在更換實(shí)驗(yàn)用微型水平井筒1和實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)注意先將離心泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至最低，然后關(guān)掉離心泵等注入裝置，再關(guān)閉各閥門(mén)，以免離心泵的余速將液體注入管線內(nèi)，造成壓力過(guò)大而使管線發(fā)生爆裂。

由上所述，本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，其微型水平井筒的內(nèi)壁面粗糙且其內(nèi)徑較小，能夠有效模擬微小的水平井眼采用裸眼完井時(shí)的粗糙壁面井筒；微型水平井筒的內(nèi)壁粗糙度通過(guò)改變粗糙點(diǎn)的類(lèi)型及粗糙點(diǎn)的密度和大小來(lái)調(diào)整，能夠滿足多種粗糙度要求的模擬實(shí)驗(yàn)；

(2)本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，并聯(lián)設(shè)置多種規(guī)格或粗糙度的多個(gè)微型水平井筒，各微型水平井筒均與氣液回路連接并通過(guò)閥門(mén)控制，完成其中一個(gè)微型水平井筒的實(shí)驗(yàn)后，可以立即轉(zhuǎn)換成其他粗糙度或規(guī)格的微型水平井筒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)效率；

(3)本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，氣液回路包括并聯(lián)設(shè)置的氣體回路、供水回路和供油回路，能夠?qū)崿F(xiàn)氣水、氣油或氣油水的實(shí)驗(yàn)研究；

(4)利用本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，采用觀察法和高速攝像法相結(jié)合的方式，觀察氣液兩相在粗糙壁微型水平井筒中的流型特點(diǎn)、流型之間的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律、油水在內(nèi)壁面的滯留情況、渦流特征以及氣液兩相流動(dòng)的壓降規(guī)律；結(jié)合物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，深入研究粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流型轉(zhuǎn)換機(jī)理、粗糙壁面液相滯留機(jī)理和渦旋流動(dòng)機(jī)理；在機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，提出粗糙壁微型水平井筒氣液兩相數(shù)學(xué)描述模型，利用物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正和驗(yàn)證；

(5)本發(fā)明提供的粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)粗糙壁微型水平井筒氣液兩相流動(dòng)機(jī)理研究，進(jìn)一步完善了水平井筒多相管流理論，同時(shí)也為超短半徑徑向水平井以及其它小井眼、微小井眼技術(shù)在石油開(kāi)采領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，該研究成果的成功應(yīng)用，將為以超短半徑徑向水平井為代表的微型井眼技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供可靠的理論支持。

以上所述僅為本發(fā)明示意性的具體實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。