本發(fā)明屬于采油工程技術(shù)，涉及一種確定高速氣流摩阻系數(shù)的試驗(yàn)裝置和測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

儲(chǔ)氣庫(kù)井注采管柱摩阻力的存在對(duì)管柱設(shè)計(jì)及選材影響巨大，目前注采管柱摩阻力的確定主要通過現(xiàn)場(chǎng)估測(cè)或簡(jiǎn)單試驗(yàn)類比的方法得到，準(zhǔn)確度不高。通過國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)井注采管柱摩阻力的確定和研究成果較少，基于試驗(yàn)方法的注采管柱摩阻力的變化規(guī)律的研究尚未開展。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)井注采管柱的摩阻力需先得到精確的摩阻系數(shù)，國(guó)外對(duì)注采管柱內(nèi)部摩阻系數(shù)的確定方法主要通過單相流液體摩阻系數(shù)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上形成的，而國(guó)內(nèi)尚缺乏符合我國(guó)注采工藝的管柱摩阻系數(shù)的預(yù)測(cè)方法及檢測(cè)裝置。

儲(chǔ)氣庫(kù)井注采管柱摩阻系數(shù)檢測(cè)的影響因素多，如何準(zhǔn)確得到多因素共同影響下的儲(chǔ)氣庫(kù)井注采管柱摩阻系數(shù)對(duì)管柱設(shè)計(jì)及選材技術(shù)的形成至關(guān)重要。

現(xiàn)有試驗(yàn)裝置存在的主要問題：①以液體流經(jīng)管柱的摩阻系數(shù)檢測(cè)為主，缺少高速氣體流經(jīng)管體摩阻系數(shù)檢測(cè)裝置；②儲(chǔ)氣庫(kù)井注采管柱高速氣流流經(jīng)管柱摩阻系數(shù)通過經(jīng)驗(yàn)確定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種確定高速氣流摩阻系數(shù)的試驗(yàn)裝置和測(cè)試方法，以解決儲(chǔ)氣庫(kù)井注采管柱摩阻力無法準(zhǔn)確計(jì)算的問題，該試驗(yàn)裝置可用于高速氣流下管柱內(nèi)壁摩阻系數(shù)的精確測(cè)定，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣庫(kù)井注采管柱設(shè)計(jì)與選材的優(yōu)化。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

確定高速氣流摩阻系數(shù)的試驗(yàn)裝置，包括第一儲(chǔ)氣罐、第二儲(chǔ)氣罐、注采管柱和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；第一儲(chǔ)氣罐和第二儲(chǔ)氣罐設(shè)置在注采管柱兩端，第一儲(chǔ)氣罐上安裝有入口節(jié)流閥和壓縮泵，第一儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體經(jīng)入口節(jié)流閥注入注采管柱內(nèi)，第二儲(chǔ)氣罐上安裝有出口節(jié)流閥，從注采管柱出來的氣體經(jīng)出口節(jié)流閥進(jìn)入第二儲(chǔ)氣罐內(nèi)；注采管柱上靠近第一儲(chǔ)氣罐一端和靠近第二儲(chǔ)氣罐一端均安裝用于檢測(cè)高速氣流參數(shù)的氣體流量計(jì)、壓力傳感器和溫度傳感器；圍繞注采管柱周向等間距安裝有若干個(gè)電阻應(yīng)變片；壓縮泵、入口節(jié)流閥、出口節(jié)流閥、電阻應(yīng)變片、氣體流量計(jì)、壓力傳感器和溫度傳感器均與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)連接。

進(jìn)一步，圍繞注采管柱周向間隔90°等距安裝有4個(gè)電阻應(yīng)變片。

進(jìn)一步，第一儲(chǔ)氣罐和第二儲(chǔ)氣罐尺寸為8000mm×4000mm×4000mm；注采管柱長(zhǎng)度為5000mm～9000mm。

進(jìn)一步，所述壓縮泵為螺桿泵。

進(jìn)一步，氣體流量計(jì)采用渦街氣體流量計(jì)。

進(jìn)一步，所述電阻應(yīng)變片采用金屬應(yīng)變片。

一種試驗(yàn)裝置確定高速氣流摩阻系數(shù)的方法，包括以下步驟：

第一步、將規(guī)格匹配的壓縮泵、入口節(jié)流閥、出口節(jié)流閥與第一儲(chǔ)氣罐、第二儲(chǔ)氣罐和注采管柱裝配在一起，在注采管柱上安裝氣體流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器和電阻應(yīng)變片，將壓縮泵、入口節(jié)流閥、出口節(jié)流閥、電阻應(yīng)變片、氣體流量計(jì)、壓力傳感器和溫度傳感器均與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)連接；

第二部、通過壓縮泵向第一儲(chǔ)氣罐內(nèi)快速注氣，控制入口節(jié)流閥和出口節(jié)流閥排量，使得氣體流量計(jì)檢測(cè)的流速趨于穩(wěn)定，通過數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取注采管柱內(nèi)的溫度和壓力信息；

第三部、分析注采管柱軸向應(yīng)變信息從而得到該工況下的注采管柱摩阻系數(shù)。

進(jìn)一步，壓縮泵向第一儲(chǔ)氣罐內(nèi)快速注氣，通過控制入口節(jié)流閥和出口節(jié)流閥排量的不同，模擬儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰過程中最大注采氣速度工況，獲得該工況下注采管柱摩阻系數(shù)。

本發(fā)明的確定高速氣流摩阻系數(shù)的試驗(yàn)裝置，包括第一儲(chǔ)氣罐、第二儲(chǔ)氣罐、注采管柱和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，壓縮泵、入口節(jié)流閥、出口節(jié)流閥、電阻應(yīng)變片、氣體流量計(jì)、壓力傳感器和溫度傳感器均與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)連接；通過數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取注采管柱內(nèi)的溫度和壓力信息，分析注采管柱軸向應(yīng)變信息從而得到該工況下的注采管柱摩阻系數(shù)；

在測(cè)定注采管柱內(nèi)氣體流量、壓力、溫度、密度、管柱幾何/力學(xué)參數(shù)和軸向應(yīng)變的基礎(chǔ)上，求解氣-壁間的摩阻系數(shù)，可模擬儲(chǔ)氣庫(kù)井調(diào)峰過程中高速注采氣工作狀態(tài)，填補(bǔ)了現(xiàn)有注采管柱高速注采氣工況下內(nèi)壁摩阻系數(shù)無法精確檢測(cè)的空白，可用于儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱設(shè)計(jì)與選材優(yōu)化分析。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過檢測(cè)高速氣流流經(jīng)注采氣管柱過程中管內(nèi)壁的溫度、流量、壓力和軸向應(yīng)變等信息確定管柱內(nèi)壁摩阻系數(shù)，管內(nèi)壁溫度、流量、壓力、軸向應(yīng)變與摩阻系數(shù)的轉(zhuǎn)化算法集成于數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中，試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便易行。

(2)儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱調(diào)峰過程注采速度變化頻繁，本發(fā)明采用單向節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)變流速調(diào)節(jié)，試驗(yàn)成本降低。

(3)儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱軸向應(yīng)變值取A-Aˊ截面處平均應(yīng)變，降低了由于管柱彎曲等產(chǎn)生的誤差，可以較真實(shí)的模擬注采氣實(shí)際工況環(huán)境。

附圖說明

圖1是高速氣流摩阻系數(shù)確定的試驗(yàn)裝置示意圖；

圖2是圖1中A-Aˊ向剖視圖；

圖中：1.第一儲(chǔ)氣罐、2.第二儲(chǔ)氣罐、3.注采管柱、4.螺桿泵、5.入口節(jié)流閥、6.出口節(jié)流閥、7.入口氣體流量計(jì)、8.出口氣體流量計(jì)、9.入口壓力傳感器、10.出口壓力傳感器、11.入口溫度傳感器、12、出口溫度傳感器、13.第一電阻應(yīng)變片、14.第二電阻應(yīng)變片、15.第三電阻應(yīng)變片、16.第四電阻應(yīng)變片、17.數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

如圖1所示，本發(fā)明的確定高速氣流摩阻系數(shù)的試驗(yàn)裝，包括第一儲(chǔ)氣罐1、第二儲(chǔ)氣罐2、注采管柱3和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)17；第一儲(chǔ)氣罐1和第二儲(chǔ)氣罐2設(shè)置在注采管柱3兩端，第一儲(chǔ)氣罐1上安裝有入口節(jié)流閥5和壓縮泵，第一儲(chǔ)氣罐1內(nèi)氣體經(jīng)入口節(jié)流閥5注入注采管柱3內(nèi)，第二儲(chǔ)氣罐2上安裝有出口節(jié)流閥6，從注采管柱3出來的氣體經(jīng)出口節(jié)流閥6進(jìn)入第二儲(chǔ)氣罐2內(nèi)；注采管柱3上靠近第一儲(chǔ)氣罐1一端安裝有入口氣體流量計(jì)7、入口壓力傳感器9、入口溫度傳感器11；注采管柱3上靠近第二儲(chǔ)氣罐2一端均安裝有出口氣體流量計(jì)8、出口壓力傳感器10、出口溫度傳感器12；圍繞注采管柱3周向等間距安裝有若干個(gè)電阻應(yīng)變片；壓縮泵、入口節(jié)流閥5、出口節(jié)流閥6、電阻應(yīng)變片、氣體流量計(jì)、壓力傳感器和溫度傳感器均與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)17連接。

進(jìn)一步，如圖2所示，圍繞注采管柱3周向間隔90°等距安裝有4個(gè)電阻應(yīng)變片，第一電阻應(yīng)變片13、第二電阻應(yīng)變片14、第三電阻應(yīng)變片15、第四電阻應(yīng)變片16。

第一儲(chǔ)氣罐1和第二儲(chǔ)氣罐2尺寸為8000mm×4000mm×4000mm；注采管柱3長(zhǎng)度為5000mm～9000mm，壓縮泵為螺桿泵4。

氣體流量計(jì)采用渦街氣體流量計(jì)，所述電阻應(yīng)變片采用金屬應(yīng)變片。

同時(shí)本發(fā)明提供了一種確定高速氣流摩阻系數(shù)的方法，包括以下步驟：

第一步、將規(guī)格匹配的壓縮泵、入口節(jié)流閥5、出口節(jié)流閥6與第一儲(chǔ)氣罐1、第二儲(chǔ)氣罐2和注采管柱3裝配在一起，在注采管柱3上安裝氣體流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器和電阻應(yīng)變片，將壓縮泵、入口節(jié)流閥5、出口節(jié)流閥6、電阻應(yīng)變片、氣體流量計(jì)、壓力傳感器和溫度傳感器均與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)17連接；

第二部、通過壓縮泵向第一儲(chǔ)氣罐1內(nèi)快速注氣，控制入口節(jié)流閥5和出口節(jié)流閥6排量，使得氣體流量計(jì)檢測(cè)的流速趨于穩(wěn)定，通過數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)17實(shí)時(shí)獲取注采管柱內(nèi)的溫度和壓力信息；

第三部、分析注采管柱3軸向應(yīng)變信息從而得到該工況下的注采管柱摩阻系數(shù)。

進(jìn)一步，壓縮泵向第一儲(chǔ)氣罐1內(nèi)快速注氣，通過控制入口節(jié)流閥5和出口節(jié)流閥6排量的不同，模擬儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰過程中最大注采氣速度工況，獲得該工況下注采管柱摩阻系數(shù)。

裝置規(guī)格：該試驗(yàn)裝置適用于《API Spec 5CT套管和油管規(guī)范》中規(guī)定的所有規(guī)格油管的檢測(cè)。儲(chǔ)氣罐的尺寸為8000mm×4000mm×4000mm；注采氣長(zhǎng)度為5000mm～9000mm；螺桿泵和節(jié)流閥設(shè)置為不同規(guī)格系列，以匹配于不同氣體流速的要求。

試驗(yàn)準(zhǔn)備：首先將規(guī)格匹配的螺桿泵、節(jié)流閥與儲(chǔ)氣罐和注采管柱裝配，安裝用于檢測(cè)注采管柱內(nèi)壁壓力、溫度的傳感器，安裝用于檢測(cè)注采管柱內(nèi)氣體流速的流量計(jì)。然后將4個(gè)電阻應(yīng)變片間隔90°等距安裝于A-Aˊ截面處。最后實(shí)現(xiàn)注采管柱與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的連接。安裝完畢的電阻應(yīng)變片分布圖如圖2所示。

試驗(yàn)過程：通過螺桿泵的帶動(dòng)向第二儲(chǔ)氣罐快速注氣，控制節(jié)流閥排量使得流量計(jì)檢測(cè)流速趨于穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取注采管柱內(nèi)的溫度、壓力信息。分析注采管柱軸向應(yīng)變信息從而得到該工況下的注采管柱摩阻系數(shù)，該試驗(yàn)裝置具備模擬儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰過程中最大注采氣速度工況。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實(shí)施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。