深海水合物开采立管三相流致振动模拟实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了深海水合物开采立管三相流致振动模拟实验装置及方法，包括：包括实验水池、管柱系统、数据测试系统、三相流造流系统和设置在实验水池内的实验台架；所述三相流造流系统包括空气压缩机、储气罐、颗粒漏斗、水箱、水泵、固体泵、泥浆泵、相混合器；所述管柱系统包括模拟管以及上接头模拟器、下接头模拟器，所述实验台架包括实验钢架和驱动装置，所述数据测试系统包括三向位移传感器、加速度传感器、动态应变仪、应变片和数据采集仪。本发明专利技术研发并提出了水合物开采立管振动模拟实验装置及实验方法，为立管的设计及操作提供模拟实验指导，促进水合物固态流化开采技术的发展，具有重要的学术意义和工程应用价值。有重要的学术意义和工程应用价值。有重要的学术意义和工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
深海水合物开采立管三相流致振动模拟实验装置及方法


[0001]本专利技术涉及深海水合物开采立管三相流致振动模拟实验装置及方法，属于石油天然气钻采


技术介绍

[0002]天然气水合物作为一种低碳非常规能源越来越受重视，被认为是21世纪最有潜力的接替能源。实现天然气水合物商业开采是我国能源安全和深海战略的重大需求。周守为院士提出了海洋水合物固态流化开采技术，其核心思想是将水合物矿体通过机械破碎流化转移到密闭的气、液、固多相开采立管内，利用外界压力举升至海洋平台，其优势在于不改变水合物矿层的温度和压力，直接将矿体破碎成固态颗粒的方式传输，从而避免海底水合物分解带来的一系列工程地质及环境灾害，是一种天然气水合物绿色安全开采的创新技术。
[0003]水合物固态流化开采系统主要由海洋平台、海水注入管、开采立管、中间仓、输送软管及自行采矿车组成。其工作原理是在海底用采矿车将水合物矿物进行采掘、粉碎处理，通过输送软管至中间仓，与注入管中的海水混合形成水合物浆体，借助于泵组、开采立管举升至海面平台。因此，开采立管是水合物固态流化开采装备的核心设备，是整个系统的动脉。在举升过程中，开采立管受内部气
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液
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固多相流(水合物矿体由于环境因素自然分解成天然气)、外部海洋随机载荷、上端平台运动和自身结构(大长径比结构
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长度与直径之比大于1000)等因素的联合影响，极易发生复杂的非线性流致振动(大幅振动和高频振动)，导致立管发生失稳、摩擦穿孔、疲劳断裂等严重事故。
>[0004]目前，水合物开采立管的振动分析理论和安全控制方法是固态流化开采技术发展的主要瓶颈。缺乏水合物井筒气
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液
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固三相二维流动和立管非线性流致振动模拟实验台架，未能全面揭示井筒气
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液
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固三相流动特性和立管的振动响应特性、非线性行为以及参数影响机理，难以有效指导立管的设计及操作，已成为突破固态流化开采技术瓶颈的关键科学问题。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术中的问题，本专利技术提供深海水合物开采立管三相流致振动模拟实验装置。
[0006]本专利技术解决上述技术问题所提供的技术方案是：包括实验水池、管柱系统、数据测试系统、三相流造流系统和设置在实验水池内的实验台架；
[0007]所述三相流造流系统包括空气压缩机、储气罐、颗粒漏斗、水箱、水泵、固体泵、泥浆泵、相混合器；所述颗粒漏斗、固体泵、相混合器的上部依次通过管线连接；所述空气压缩机、储气罐、相混合器的中部依次通过管线连接；所述水箱、水泵、相混合器的底部依次通过管线连接；所述泥浆泵通过管线与相混合器的底部连接；
[0008]所述管柱系统包括模拟管以及上接头模拟器、下接头模拟器，所述上接头模拟器
包括刚度调节装置、上滑块，所述模拟管上端通过刚度调节装置与上滑块连接，所述下接头模拟器包括可旋转万向节、下滑块，所述模拟管下端通过可旋转万向节与下滑块连接；所述模拟管两端分别通过长软管与泥浆泵、相混合器连接；
[0009]所述实验台架包括实验钢架和两个驱动装置，所述实验钢架的上下两端均设有轨道，所述上滑块、下滑块分别滑动安装在实验钢架的两个轨道内，两个驱动装置分别驱动上滑块、下滑块在轨道内移动；
[0010]所述数据测试系统包括三向位移传感器、加速度传感器、动态应变仪、应变片和数据采集仪，所述模拟管上设有测试短节，所述三向位移传感器、加速度传感器均安装在测试短节上，所述数据采集仪分别与三向位移传感器、加速度传感器电连接，所述应变片安装在模拟管外壁上，所述动态应变仪与应变片电连接。
[0011]进一步的技术方案是，所述固体泵与相混合器之间设有固体流量计、阀门一。
[0012]进一步的技术方案是，所述储气罐与相混合器之间设有减压阀、孔板流量计、阀门二。
[0013]进一步的技术方案是，所述水泵与相混合器之间设有液体流量计、阀门三。
[0014]进一步的技术方案是，所述泥浆泵与相混合器之间设有超声波流量计、阀门四。
[0015]进一步的技术方案是，所述模拟管为聚四氟乙烯管。
[0016]进一步的技术方案是，所述驱动装置包括两个卷扬机、钢丝绳，两个卷扬机分别安装在实验钢架的左右两端，两个卷扬机通过钢丝绳与模拟管连接。
[0017]进一步的技术方案是，所述应变片的个数为32个，并分为8个应变片组，一组应变片组有4个应变片，其8个应变片组从上到下均布在模拟管的外壁上。
[0018]进一步的技术方案是，所述刚度调节装置为弹簧。
[0019]一种水合物多相流动模拟实验方法，包括以下步骤：
[0020]1)调节弹簧，使得模拟管处于紧绷状态，保持与实际情况相似；
[0021]2)将石英砂放入颗粒漏斗中，清水注入水箱中，打开空气压缩机，使得储气罐注满空气；
[0022]3)开启水泵和固体泵，调节减压阀，控制孔板流量计、液体流量计和固体流量计，实现调节不同各相含量，打开阀门，将气
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液
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固三相在相混合器中混合，此时关闭泥浆泵控制模拟管不动，数据采集仪关闭，不测量数据，持续一段时间；
[0023]4)观察模拟管柱振动情况，当振动较平稳时，打开电机，使管柱左右来回运动，打开数据采集仪，开始测量模拟管的振动数据，保存到电脑；
[0024]5)改变各相流量计，重复1)、2)、3)、4)步骤，测量不同各相含量下模拟管的振动数据，对实验数据进行处理；
[0025]6)消除实验数据中预张力的影响；
[0026]7)使用模态分析法对实验数据处理；
[0027]8)再采用频率分析法对实验数据处理。
[0028]本专利技术具有以下有益效果：本专利技术形成水合物开采立管振动分析理论方法，为立管的设计及操作提供理论指导，促进水合物固态流化开采技术的发展，具有重要的学术意义和工程应用价值。
附图说明
[0029]图1是本专利技术的结构示意图。
[0030]图中所示：1
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颗粒漏斗；2
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固体泵；3
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固体流量计；4
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阀门一；5
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空气压缩机；6
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储气罐；7
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减压阀；8
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孔板流量计；9
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阀门二；10
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水箱；11
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水泵；12
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液体流量计；13
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阀门三；14
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相混合器；15
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阀门四；16
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超声波流量计；17
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泥浆泵；18
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下滑块；19
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可旋转万向节；20
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模拟管；21
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应变片；22
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弹簧；23<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.深海水合物开采立管三相流致振动模拟实验装置，其特征在于，包括实验水池、管柱系统、数据测试系统、三相流造流系统和设置在实验水池内的实验台架；所述三相流造流系统包括空气压缩机、储气罐、颗粒漏斗、水箱、水泵、固体泵、泥浆泵、相混合器；所述颗粒漏斗、固体泵、相混合器的上部依次通过管线连接；所述空气压缩机、储气罐、相混合器的中部依次通过管线连接；所述水箱、水泵、相混合器的底部依次通过管线连接；所述泥浆泵通过管线与相混合器的底部连接；所述管柱系统包括模拟管以及上接头模拟器、下接头模拟器，所述上接头模拟器包括刚度调节装置、上滑块，所述模拟管上端通过刚度调节装置与上滑块连接，所述下接头模拟器包括可旋转万向节、下滑块，所述模拟管下端通过可旋转万向节与下滑块连接；所述模拟管两端分别通过长软管与泥浆泵、相混合器连接；所述实验台架包括实验钢架和两个驱动装置，所述实验钢架的上下两端均设有轨道，所述上滑块、下滑块分别滑动安装在实验钢架的两个轨道内，两个驱动装置分别驱动上滑块、下滑块在轨道内移动；所述数据测试系统包括三向位移传感器、加速度传感器、动态应变仪、应变片和数据采集仪，所述模拟管上设有测试短节，所述三向位移传感器、加速度传感器均安装在测试短节上，所述数据采集仪分别与三向位移传感器、加速度传感器电连接，所述应变片安装在模拟管外壁上，所述动态应变仪与应变片电连接。2.根据权利要求1所述的深海水合物开采立管三相流致振动模拟实验装置，其特征在于，所述固体泵与相混合器之间设有固体流量计、阀门一。3.根据权利要求1所述的深海水合物开采立管三相流致振动模拟实验装置，其特征在于，所述储气罐与相混合器之间设有减压阀、孔板流量计、阀门二。4.根据权利要求1所述的深海水合物开采立管三相流致振动模拟实验装置，其特征在于，所述水泵与相混合器之间设有液体流量计、阀门三。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：郭晓强，赵丽滨，胡宁，戴黎明，肖芳，聂雨鑫，李潇，李欣业，刘雄，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：