本发明属于页岩气实验设备技术领域，具体涉及一种页岩气地面集输系统冲蚀实验装置及方法。
背景技术：
随着我国国民经济的高速发展，对天然气等能源需求量飞速增加，近年来页岩气工业也得到了迅猛的发展；由于页岩气井产量衰减较快，通常需要进行压裂开采，在压裂开采后的排采期，大量的压裂支撑剂采出，产砂量可高达10t/井/天，对地面集输系统造成剧烈的冲蚀；根据现场反馈，地面集输系统中冲蚀最严重的部位-进口弯头在半年(甚至两个月)内就在高强度冲蚀工况下破裂，造成极大的安全隐患与经济损失。因此，研究页岩气地面集输系统冲蚀规律并提出相应可行措施来减缓或控制地面集输系统的冲蚀作用成为了近年来研究的热点之一。
目前，相关单位有许多研究关于页岩气管道或有关设备的冲蚀装置，但是大都是针对某一部件的气固两相冲蚀；在页岩气地面集输系统中，弯头、阀门、三通、除砂器等都是易发生冲蚀破坏的部位。此外页岩气集输过程都是携液三相流动，而现在的冲蚀装置没有考虑液相的存在对气固冲蚀过程的影响，从而偏离页岩气田实际集输工况。在冲蚀结果处理方面，目前主要有失重法和测厚法两种衡量标准，两种方法都有其局限性，失重法不能很好的反应试验件局部的冲蚀程度，测厚法精度则受试验件结构复杂程度影响较大；有的冲蚀实验装置通过将一定大小试片贴在打孔的弯头上，通过测量弯头不同位置试片的冲蚀程度来反映实际弯头的冲蚀情况，从而克服上述两种方法的缺陷，提高结果准确性；但是这种方式严重破坏了弯头物理结构和气固流场的连续性，因此得到的结果缺乏合理性。
技术实现要素：
本发明目的在于克服上述原有实验装置的技术缺陷，提供一套简便的、考虑液相作用的、多用途的、易于准确衡量冲蚀结果的冲蚀装置，该装置基于仿真软件模拟设计，符合实际页岩气集输工况，通过改变气流流速、注砂速率、砂粒粒径等条件来得到砂粒冲蚀规律，并可以模拟气-固两相和气-液-固三相下的冲蚀，对比得出水相存在对气固两相冲蚀的影响；并提出了一种切分再组装的处理方式，易于测量实验结果，提高测量实验结果的准确性。
本发明的技术方案如下：
一种页岩气地面集输系统冲蚀实验装置，包括气流系统、注液系统、注砂系统、冲蚀试验件系统、砂收集回收系统、控制和监测系统：
所述气流系统包括变频风机、气流管道；冲蚀试验件系统包括试验件和连接法兰，试验件和气流管道通过连接法兰实现连接和密封；所述砂收集回收系统包括集砂管和砂箱；控制和监测系统包括piv高速粒子成像仪；
所述风机连接到气流管道，所述气流管道为透明直管，并水平放置，气流管道的侧面先连接到注砂系统，再连接到注水系统，气流管道末端连接到冲蚀试验件的入口端，冲蚀试验件的出口端设有集砂管，集砂管出口端连接砂箱；
所述piv高速粒子成像仪设有多个接触点，接触点分别连接在气流管道侧面，并均匀设置，其中，部分接触点在注水系统和注砂系统之间，其他接触点在注水系统之后。
进一步的，所述注砂系统包括储砂箱、送砂装置；砂箱和送砂装置之间设有球阀，所述送砂装置为螺旋推送装置，送砂原理为电机以一定转速驱动螺杆转动，砂粒随螺杆转动而向前运动，改变不同螺杆转速从而实现注入砂粒质量流量的控制。
送砂装置连接到气流管道，此处作为砂粒注入口，并且在砂粒注入口前侧设有一个测速计。
更进一步的，所述注水系统包括空气压缩机、压力空气罐、储液罐、流量调节阀、安全阀、雾化器以及配套的管路；储液罐内的液体在下半部分，上半部分为空气，储液罐上半部分连接到压力空气罐，压力空气罐连接到空气压缩机；储液罐下半部分依次连接到流量调节阀和雾化器，并让雾化器与气流管道连接，此处作为液体注入口，在液体注入口的后侧设有测速计。
更进一步的，在压力空气罐到空气压缩机之间还设有压力反馈系统，压力反馈系统包括设置于压力空气罐上的压力计和连接压力计与空气压缩机的反馈管线。
进一步的，砂粒注入口到试验件的距离为12-15d，d为气流管线内径。
更进一步的，变频风机到砂粒注入口的距离为10d。
进一步的，集砂管主体为l型结构，在其顶部设有一段倒u型管段，倒u型管段的出口端底部朝向砂箱。
一种页岩气地面集输系统冲蚀实验方法，包括如下步骤：
s1、安装连接实验设备，在控制和监测系统中设定好参数，在储砂罐内放置足量砂粒，并将待测试的试验件安装连接到位，确保试验件的冲蚀面迎着气流方向安装；
s2、变频风机产生一定速度气流流场，控制气流流速在2-30m/s范围内，砂箱内盛放的砂粒在打开球阀后进入送砂装置，送砂装置以一定质量速率(如0.01—0.12kg/s)向气流管道注入实验砂粒，砂粒在气流带动下前行；砂粒在实验前应经过干燥、筛选、称重的步骤达到实验要求；
s3、空气压缩机将一定压力空气泵入压力空气罐，压力空气罐通过压力反馈系统控制空气压缩机启停，将罐内气压维持在一定范围，通过罐内气压作用于储液罐，使储液罐内液体在流量控制阀作用下以一定速率通过雾化装置雾化，并注入气流管道中，为砂粒增加含水量，空气压缩机的压力值根据设定砂粒的含水量进行调整；
s4、固液气三相的流体对试验件进行冲蚀，冲蚀后通过集砂管回收，送入砂箱中；
s5、将测试后的试验件拆卸，并根据其形状，将冲蚀段取出，并对其进行冲蚀分析研究。
进一步的，所述步骤s1中，试验件的冲蚀面为切片分段结构，对应冲蚀面方向为整体块状结构。
进一步的，所述切片分段是按照等比例切分方式，将试验件切分成多片结构和厚度相同的切片。
本发明的有益之处在于：
1)本发明为一种页岩气管道冲蚀实验装置，装置结构简单、制造方便，可以实现对弯头、三通、阀门、除砂器等多种易受冲蚀的部件的冲蚀实验，功能强大；
2)通过添加注水和注砂系统，本装置基于相应仿真模拟而设计，贴合页岩气集输管道中气液固三相流动状态，可对比模拟气-固两相和气-液-固三相下的冲蚀情况；
3)通过切分的方式在保证弯头结构完整性和连续性的前提下，方便测量冲蚀实验结果，提高结果准确性。特别是针对弯头的结构特点，创新性地将弯头按一定角度切分，将试验件切分为若干个结构简单的小块，再通过外加模具约束组装来保证其结构的连续性，可以通过失重法或测厚法来表征试验件各个部位冲蚀结果，提高了测量结果准确性；
4)本装置中各管段及试验件间均采用法兰连接，实现了流动方向快速调节和试验件的的方便切换，可以实现对多种对象的冲蚀实验。
附图说明
图1为本发明的实验装置总体结构示意图。
图2为用于约束切分弯头的模具示意图。
图3为弯头的切分示意图。
图中：
1-变频风机、2-测速计、3-储砂罐、4-球阀、5-送砂装置、6-储液罐、7-流量调节阀、8-雾化器、9-空气压缩机、10-开放式弹簧安全阀、11-压力反馈系统、12-接触点、13-截断阀、14-压力空气罐、15-试验件、16-气流管道、17-集砂管、18-砂箱、19-piv高速粒子成像仪。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种页岩气地面集输系统冲蚀实验装置，包括气流系统、注液系统、注砂系统、冲蚀试验件15系统、砂收集回收系统、控制和监测系统：
所述气流系统包括变频风机1、气流管道16；冲蚀试验件15系统包括试验件15和连接法兰，试验件15和气流管道16通过连接法兰实现连接和密封；所述砂收集回收系统包括集砂管17和砂箱18；
所述变频风机1连接到气流管道16，所述气流管道16为透明直管，并水平放置，气流管道16的侧面先连接到注砂系统，再连接到注水系统，气流管道16末端连接到冲蚀试验件15的入口端，冲蚀试验件15的出口端设有集砂管17，集砂管17出口端连接砂箱18；集砂管17主体为l型结构，在其顶部设有一段倒u型管段，倒u型管段的出口端底部朝向砂箱18。所述控制监测系统包括piv高速粒子成像仪19；
所述piv高速粒子成像仪19(可采用如lavision公司出产的flowmaster系列等市面上任意一款主流产品)设有多个接触点12，接触点12分别连接在气流管道16侧面，并均匀设置，其中，部分接触点12在注水系统和注砂系统之间，其他接触点12在注水系统之后。piv高速粒子成像仪19用于记录砂粒在管道中的运动状态。
所述注砂系统包括储砂箱18、送砂装置5；砂箱18和送砂装置5之间设有球阀4，送砂装置5连接到气流管道16，此处作为砂粒注入口，并且在砂粒注入口前侧设有一个测速计2，速度计用于测量不同位置流速。所述注水系统包括空气压缩机9、压力空气罐14、储液罐6、流量调节阀7、安全阀、雾化器8以及配套的管路；储液罐6内的液体在下半部分，上半部分为空气，储液罐6上半部分连接到压力空气罐14，压力空气罐14连接到空气压缩机9；储液罐6下半部分依次连接到流量调节阀7和雾化器8，并让雾化器8与气流管道16连接，此处作为液体注入口，在液体注入口的后侧设有测速计2。在压力空气罐14到空气压缩机9之间还设有压力反馈系统11，压力反馈系统11包括设置于压力空气罐14上的压力计和连接压力计与空气压缩机9的反馈管线。变频风机1和空气压缩机9的控制部分、测速器等均连接到控制和监测系统，在气流流速在2-30m/s范围内，注入的砂粒在12d-15d距离范围内达到气流流速；因此本装置中砂粒注入口到试验件15连接处的距离取15d，并采用透明材料，便于观察和用piv高速粒子成像仪19记录粒子的运动轨迹。此外，风机出口到注砂位置管道长度也需要一定达到一定长度，使得气流流场在注砂段达到稳定，本装置这段距离取10d；d为气流管线内径。如图3所示，试验件15是按一定方式经过切分的弯头、三通、阀门等部件，在试验件15外还设有用于固定的模具，如图2所示。
一种页岩气地面集输系统冲蚀实验方法，包括如下步骤：
s1、安装连接实验设备，在控制和监测系统中设定好参数，在储砂罐3内放置足量砂粒，并将待测试的试验件15(本实施例选择弯头作为试验件15)安装连接到位，确保试验件15的冲蚀面迎着气流方向安装，以图2、3为例，试验件15弯头的冲蚀面(外环面)为切片分段结构(切割厚度为等比例精密切割，将冲蚀面切割为10-15份。在实验前每一块切片都进行称重并保存数据，再安装回原位)，对应冲蚀面方向为整体块状结构，通过图2的结构固定；
s2、变频风机1产生一定速度气流流场，控制气流流速在2-30m/s范围内，砂箱18内盛放的砂粒在打开球阀4后进入送砂装置5，送砂装置5以一定质量速率向气流管道16注入实验砂粒，砂粒在气流带动下前行；砂粒在实验前应经过干燥、筛选、称重的步骤达到实验要求；
砂粒的计量采用简单的称重，最终砂粒注入速率按注入砂粒质量和实验进行时间计算：
其中，qm为砂粒注入速率，m为注入砂粒质量，t为试验时间。
s3、空气压缩机9将一定压力空气泵入压力空气罐14，压力空气罐14通过压力反馈系统11控制空气压缩机9启停，将罐内气压维持在一定范围，通过罐内气压作用于储液罐6，使储液罐6内液体在流量控制阀作用下以一定速率通过雾化装置雾化，并注入气流管道16中，为砂粒增加含水量，空气压缩机9的压力值根据设定砂粒的含水量进行调整；
s4、固液气三相的流体对试验件15进行冲蚀，冲蚀后通过集砂管17回收，送入砂箱18中；
s5、将测试后的试验件15拆卸，并根据其形状，将冲蚀段取出，并对其进行冲蚀分析研究，具体分析步骤可以是：
针对弯头冲蚀结果的测量，提出了切分弯头来提高测量弯头不同部位冲蚀结果的准确性；实施方案为：对切分后的每一块，可采取失重法或测厚法：
失重法：测量第i块的实验前重量mi，实验后重量m′i，则每一块失重厚度δδi和弯头整体失重厚度δδ可表示为：
其中，ai为某块的表面面积，ρ为实验材料的密度。
测厚法：测量第i块在位置j的实验前的厚度δij和实验后的厚度δ′ij，则损失厚度δδij为δij＝δij-δ′ij(4)
此外，还可通过扫描电镜的方法来查看试验件15切片的表面冲蚀情况；
通过控制变量法，改变不同的实验条件，如气流流速、砂粒质量流量、砂粒粒径、是否存在水相，得到砂粒冲蚀的规律。
试验件15的冲蚀面为切片分段结构，对应冲蚀面方向为整体块状结构，所述切片分段是按照等比例切分方式，将试验件15切分成多片结构和厚度相同的切片，如图3所示，其每一块的侧面均为外侧厚度大于内侧，每一块的结构和厚度都相同。
在上述步骤s1中，试验件15还可以是在页岩气地面集输系统中常用的阀门、三通、除砂器等部件，实验中也需要将这些部件的冲蚀面为切片分段，沿垂直其内部流通方向或垂直其轴线方向进行切分，切分块再通过外加对应的模具约束固定；切分块沿轴线方向的宽度依据切割损失、损失测量方法、精度要求等确定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的改进。
1.一种页岩气地面集输系统冲蚀实验装置，其特征在于，包括气流系统、注液系统、注砂系统、冲蚀试验件系统、砂收集回收系统、控制和监测系统：
所述气流系统包括变频风机、气流管道；冲蚀试验件系统包括试验件和连接法兰，试验件和气流管道通过连接法兰实现连接和密封；所述砂收集回收系统包括集砂管和砂箱；所述控制监测系统包括piv高速粒子成像仪；
所述风机连接到气流管道，所述气流管道为透明直管，并水平放置，气流管道的侧面先连接到注砂系统，再连接到注水系统，气流管道末端连接到冲蚀试验件的入口端，冲蚀试验件的出口端设有集砂管，集砂管出口端连接砂箱；
所述piv高速粒子成像仪设有多个接触点，接触点分别连接在气流管道侧面，并均匀设置，其中，部分接触点在注水系统和注砂系统之间，其他接触点在注水系统之后。
2.根据权利要求1所述的一种页岩气地面集输系统冲蚀实验装置，其特征在于，所述注砂系统包括储砂箱、送砂装置；砂箱和送砂装置之间设有球阀。
送砂装置连接到气流管道，此处作为砂粒注入口，并且在砂粒注入口前侧设有一个测速计。
3.根据权利要求2所述的一种页岩气地面集输系统冲蚀实验装置，其特征在于，所述注水系统包括空气压缩机、压力空气罐、储液罐、流量调节阀、安全阀、雾化器以及配套的管路；储液罐内的液体在下半部分，上半部分为空气，储液罐上半部分连接到压力空气罐，压力空气罐连接到空气压缩机；储液罐下半部分依次连接到流量调节阀和雾化器，并让雾化器与气流管道连接，此处作为液体注入口，在液体注入口的后侧设有测速计。
4.根据权利要求3所述的一种页岩气地面集输系统冲蚀实验装置，其特征在于，在压力空气罐到空气压缩机之间还设有压力反馈系统，压力反馈系统包括设置于压力空气罐上的压力计和连接压力计与空气压缩机的反馈管线。
5.根据权利要求2所述的一种页岩气地面集输系统冲蚀实验装置，其特征在于，砂粒注入口到试验件的距离为12-15d，d为气流管线内径。
6.根据权利要求5所述的一种页岩气地面集输系统冲蚀实验装置，其特征在于，变频风机到砂粒注入口的距离为10d。
7.根据权利要求1所述的一种页岩气地面集输系统冲蚀实验装置，其特征在于，集砂管主体为l型结构，在其顶部设有一段倒u型管段，倒u型管段的出口端底部朝向砂箱。
8.一种页岩气地面集输系统冲蚀实验方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的实验装置进行实验，包括如下步骤：
s1、安装连接实验设备，在控制和监测系统中设定好参数，在储砂罐内放置足量砂粒，并将待测试的试验件安装连接到位，确保试验件的冲蚀面迎着气流方向安装；
s2、变频风机产生一定速度气流流场，控制气流流速在2-30m/s范围内，砂箱内盛放的砂粒在打开球阀后进入送砂装置，送砂装置以一定质量速率向气流管道注入实验砂粒，砂粒在气流带动下前行；砂粒在实验前应经过干燥、筛选、称重的步骤达到实验要求；
s3、空气压缩机将一定压力空气泵入压力空气罐，压力空气罐通过压力反馈系统控制空气压缩机启停，将罐内气压维持在一定范围，通过罐内气压作用于储液罐，使储液罐内液体在流量控制阀作用下以一定速率通过雾化装置雾化，并注入气流管道中，为砂粒增加含水量，空气压缩机的压力值根据设定砂粒的含水量进行调整；
s4、固液气三相的流体对试验件进行冲蚀，冲蚀后通过集砂管回收，送入砂箱中；
s5、将测试后的试验件拆卸，并根据其形状，将冲蚀段取出，并对其进行冲蚀分析研究。
9.根据权利要求8所述的一种页岩气地面集输系统冲蚀实验方法，其特征在于，所述步骤s1中，试验件的冲蚀面为切片分段结构，对应冲蚀面方向为整体块状结构。
10.根据权利要求9所述的一种页岩气地面集输系统冲蚀实验方法，其特征在于，所述切片分段是按照等比例切分方式，将试验件切分成多片结构和厚度相同的切片。
技术总结