确定高速气流摩阻系数的试验装置和测试方法与流程

本发明属于采油工程技术，涉及一种确定高速气流摩阻系数的试验装置和测试方法。

背景技术：

储气库井注采管柱摩阻力的存在对管柱设计及选材影响巨大，目前注采管柱摩阻力的确定主要通过现场估测或简单试验类比的方法得到，准确度不高。通过国内外大量文献及现场调研，针对储气库井注采管柱摩阻力的确定和研究成果较少，基于试验方法的注采管柱摩阻力的变化规律的研究尚未开展。为了准确预测储气库井注采管柱的摩阻力需先得到精确的摩阻系数，国外对注采管柱内部摩阻系数的确定方法主要通过单相流液体摩阻系数计算公式的基础上形成的，而国内尚缺乏符合我国注采工艺的管柱摩阻系数的预测方法及检测装置。

储气库井注采管柱摩阻系数检测的影响因素多，如何准确得到多因素共同影响下的储气库井注采管柱摩阻系数对管柱设计及选材技术的形成至关重要。

现有试验装置存在的主要问题：①以液体流经管柱的摩阻系数检测为主，缺少高速气体流经管体摩阻系数检测装置；②储气库井注采管柱高速气流流经管柱摩阻系数通过经验确定。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供一种确定高速气流摩阻系数的试验装置和测试方法，以解决储气库井注采管柱摩阻力无法准确计算的问题，该试验装置可用于高速气流下管柱内壁摩阻系数的精确测定，实现储气库井注采管柱设计与选材的优化。

本发明是通过以下技术方案来实现：

确定高速气流摩阻系数的试验装置，包括第一储气罐、第二储气罐、注采管柱和数据采集分析系统；第一储气罐和第二储气罐设置在注采管柱两端，第一储气罐上安装有入口节流阀和压缩泵，第一储气罐内气体经入口节流阀注入注采管柱内，第二储气罐上安装有出口节流阀，从注采管柱出来的气体经出口节流阀进入第二储气罐内；注采管柱上靠近第一储气罐一端和靠近第二储气罐一端均安装用于检测高速气流参数的气体流量计、压力传感器和温度传感器；围绕注采管柱周向等间距安装有若干个电阻应变片；压缩泵、入口节流阀、出口节流阀、电阻应变片、气体流量计、压力传感器和温度传感器均与数据采集分析系统连接。

进一步，围绕注采管柱周向间隔90°等距安装有4个电阻应变片。

进一步，第一储气罐和第二储气罐尺寸为8000mm×4000mm×4000mm；注采管柱长度为5000mm～9000mm。

进一步，所述压缩泵为螺杆泵。

进一步，气体流量计采用涡街气体流量计。

进一步，所述电阻应变片采用金属应变片。

一种试验装置确定高速气流摩阻系数的方法，包括以下步骤：

第一步、将规格匹配的压缩泵、入口节流阀、出口节流阀与第一储气罐、第二储气罐和注采管柱装配在一起，在注采管柱上安装气体流量计、压力传感器、温度传感器和电阻应变片，将压缩泵、入口节流阀、出口节流阀、电阻应变片、气体流量计、压力传感器和温度传感器均与数据采集分析系统连接；

第二部、通过压缩泵向第一储气罐内快速注气，控制入口节流阀和出口节流阀排量，使得气体流量计检测的流速趋于稳定，通过数据采集分析系统实时获取注采管柱内的温度和压力信息；

第三部、分析注采管柱轴向应变信息从而得到该工况下的注采管柱摩阻系数。

进一步，压缩泵向第一储气罐内快速注气，通过控制入口节流阀和出口节流阀排量的不同，模拟储气库调峰过程中最大注采气速度工况，获得该工况下注采管柱摩阻系数。

本发明的确定高速气流摩阻系数的试验装置，包括第一储气罐、第二储气罐、注采管柱和数据采集分析系统，压缩泵、入口节流阀、出口节流阀、电阻应变片、气体流量计、压力传感器和温度传感器均与数据采集分析系统连接；通过数据采集分析系统实时获取注采管柱内的温度和压力信息，分析注采管柱轴向应变信息从而得到该工况下的注采管柱摩阻系数；

在测定注采管柱内气体流量、压力、温度、密度、管柱几何/力学参数和轴向应变的基础上，求解气-壁间的摩阻系数，可模拟储气库井调峰过程中高速注采气工作状态，填补了现有注采管柱高速注采气工况下内壁摩阻系数无法精确检测的空白，可用于储气库注采管柱设计与选材优化分析。

本发明具有如下优点：

(1)通过检测高速气流流经注采气管柱过程中管内壁的温度、流量、压力和轴向应变等信息确定管柱内壁摩阻系数，管内壁温度、流量、压力、轴向应变与摩阻系数的转化算法集成于数据采集分析系统中，试验方法简便易行。

(2)储气库注采管柱调峰过程注采速度变化频繁，本发明采用单向节流阀实现变流速调节，试验成本降低。

(3)储气库注采管柱轴向应变值取A-Aˊ截面处平均应变，降低了由于管柱弯曲等产生的误差，可以较真实的模拟注采气实际工况环境。

附图说明

图1是高速气流摩阻系数确定的试验装置示意图；

图2是图1中A-Aˊ向剖视图；

图中：1.第一储气罐、2.第二储气罐、3.注采管柱、4.螺杆泵、5.入口节流阀、6.出口节流阀、7.入口气体流量计、8.出口气体流量计、9.入口压力传感器、10.出口压力传感器、11.入口温度传感器、12、出口温度传感器、13.第一电阻应变片、14.第二电阻应变片、15.第三电阻应变片、16.第四电阻应变片、17.数据采集分析系统。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明的确定高速气流摩阻系数的试验装，包括第一储气罐1、第二储气罐2、注采管柱3和数据采集分析系统17；第一储气罐1和第二储气罐2设置在注采管柱3两端，第一储气罐1上安装有入口节流阀5和压缩泵，第一储气罐1内气体经入口节流阀5注入注采管柱3内，第二储气罐2上安装有出口节流阀6，从注采管柱3出来的气体经出口节流阀6进入第二储气罐2内；注采管柱3上靠近第一储气罐1一端安装有入口气体流量计7、入口压力传感器9、入口温度传感器11；注采管柱3上靠近第二储气罐2一端均安装有出口气体流量计8、出口压力传感器10、出口温度传感器12；围绕注采管柱3周向等间距安装有若干个电阻应变片；压缩泵、入口节流阀5、出口节流阀6、电阻应变片、气体流量计、压力传感器和温度传感器均与数据采集分析系统17连接。

进一步，如图2所示，围绕注采管柱3周向间隔90°等距安装有4个电阻应变片，第一电阻应变片13、第二电阻应变片14、第三电阻应变片15、第四电阻应变片16。

第一储气罐1和第二储气罐2尺寸为8000mm×4000mm×4000mm；注采管柱3长度为5000mm～9000mm，压缩泵为螺杆泵4。

气体流量计采用涡街气体流量计，所述电阻应变片采用金属应变片。

同时本发明提供了一种确定高速气流摩阻系数的方法，包括以下步骤：

第一步、将规格匹配的压缩泵、入口节流阀5、出口节流阀6与第一储气罐1、第二储气罐2和注采管柱3装配在一起，在注采管柱3上安装气体流量计、压力传感器、温度传感器和电阻应变片，将压缩泵、入口节流阀5、出口节流阀6、电阻应变片、气体流量计、压力传感器和温度传感器均与数据采集分析系统17连接；

第二部、通过压缩泵向第一储气罐1内快速注气，控制入口节流阀5和出口节流阀6排量，使得气体流量计检测的流速趋于稳定，通过数据采集分析系统17实时获取注采管柱内的温度和压力信息；

第三部、分析注采管柱3轴向应变信息从而得到该工况下的注采管柱摩阻系数。

进一步，压缩泵向第一储气罐1内快速注气，通过控制入口节流阀5和出口节流阀6排量的不同，模拟储气库调峰过程中最大注采气速度工况，获得该工况下注采管柱摩阻系数。

装置规格：该试验装置适用于《API Spec 5CT套管和油管规范》中规定的所有规格油管的检测。储气罐的尺寸为8000mm×4000mm×4000mm；注采气长度为5000mm～9000mm；螺杆泵和节流阀设置为不同规格系列，以匹配于不同气体流速的要求。

试验准备：首先将规格匹配的螺杆泵、节流阀与储气罐和注采管柱装配，安装用于检测注采管柱内壁压力、温度的传感器，安装用于检测注采管柱内气体流速的流量计。然后将4个电阻应变片间隔90°等距安装于A-Aˊ截面处。最后实现注采管柱与数据采集分析系统的连接。安装完毕的电阻应变片分布图如图2所示。

试验过程：通过螺杆泵的带动向第二储气罐快速注气，控制节流阀排量使得流量计检测流速趋于稳定，数据采集分析系统实时获取注采管柱内的温度、压力信息。分析注采管柱轴向应变信息从而得到该工况下的注采管柱摩阻系数，该试验装置具备模拟储气库调峰过程中最大注采气速度工况。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。