CN107063993A - 基于应变的高速气流摩阻系数计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于应变的高速气流摩阻系数计算方法，包括以下步骤：1)试验管轴向应变测试；2)试验管轴向变形量计算；3)高速气流摩阻力计算；4)摩阻系数计算；通过测量管柱轴向应变变形，并考虑内压力、截面变化对轴向变形的影响，计算获得高速气流对管柱内壁摩阻力，进一步计算出摩阻系数，提高管柱设计的适用性和可靠性，本发明无需考虑气体流态变化和管壁粗糙度影响。

Description

基于应变的高速气流摩阻系数计算方法
技术领域
本发明属于钻井技术领域，涉及基于应变的高速气流摩阻系数计算方法。
背景技术
在注采气管柱设计中摩阻效应计算涉及到摩阻系数的选取，先前采用的摩阻系数主要是依靠液体流测试验获得或取经验值，对于准确计算气流下摩阻力较为欠缺。通过大量调研和文献查阅发现，目前科研领域和工程实际中对气井管柱在高速气流作用下的摩阻力研究或试验成果很少，借助试验进行的管柱内气体流动规律、流态变化及摩阻力的计算研究尚未开展。在开展这些研究的前提必须获得准确的气-壁摩阻系数，而传统的摩阻测定试验和理论主要针对液-壁之间，对管柱内部摩阻系数的确定方法研究主要以国外的单相液体流摩阻系数计算公式方法为基础开展的，国内学者对注采气管柱的气-壁摩阻系数测定和计算方法尚未成熟，同时对高速气流下管柱内壁摩阻力的计算研究很少。
此外，因摩阻系数测定受流体流态、管壁粗糙度等因素影响较大，现有的方法仍然只有经验和半经验方法，较为经典的液-壁摩阻系数测定方法是尼古拉兹试验。
如何减少测试因素干扰，获取准确的气-壁摩阻系数，是计算注采气管柱气流摩阻力，对注采管柱设计至关重要。
现有技术存在的主要问题：1)以液-壁摩阻系数测定方法为主，缺少气-壁摩阻系数测定方法；2)气井管柱内气流对管柱的摩阻力计算中摩阻系数取值为液-壁摩阻系数或经验值；3)液-壁摩阻系数测定中干扰因素过多。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种基于应变的高速气流摩阻系数计算方法，无需考虑气体流态变化和管壁粗糙度影响，避免了管壁粗糙度经验取值的影响，提高了摩阻系数测量的准确性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
基于应变的高速气流摩阻系数计算方法，包括以下步骤：
1)试验管轴向应变测试
在试验管外壁粘帖轴向应变片，通入高压气流后测试试验管的轴向应变变形量ε，并同时记录此时的气流的密度ρ、压力P、流量Q以及试验管长度L、外径D、内径d、弹性模量E；
2)试验管轴向变形量计算
据Lame公式计算获得因管柱内外压力泊松效应而产生的附加轴向应力σzp，据管柱内横截面变化产生的附加轴向应力为σzA，则附加轴向应力σzs为：
σzs＝σzp+σzA (1)
计算获得附加轴向应变εzs为：
εzs＝σzs/E (2)
进一步计算获得摩阻力产生的应变εzf为：
εzf＝ε-εzs (3)
3)高速气流摩阻力计算
通过应变变形，计算高速气流对管柱产生的摩阻应力σf，即摩阻压降ΔPf：
σf＝εzf·E (4)
4)摩阻系数计算
已知摩阻压降ΔPf是摩阻系数λ、流量Q、气体密度ρ、试验管内径d和长度L的函数，即
现已知ΔPf、Q、ρ、d、L等数值，则计算获得摩阻系数λ为：
进一步，所述轴向应变片采用电阻式应变片。
进一步，所述试验管上安装有压力表，通过压力表测量通入高压气流后测试试验管中的压力P。
进一步，所述试验管上安装有气体流量计，通过气体流量计测量通入高压气流后测试试验管中的气体流量Q。
进一步，根据侧得的压力P，气体摩尔质量和温度，计算得到气流的密度ρ。
进一步，所述轴向应变片为单轴应变片。
本发明基于应变的高速气流摩阻系数计算方法，通过测量管柱轴向应变变形，并考虑内压力、截面变化对轴向变形的影响，计算获得高速气流对管柱内壁摩阻力，进一步计算出摩阻系数。主要用于管柱内气-壁摩阻系数的测试计算，获得摩阻系数可以进一步准确复杂气井(三高气井、储气库井等)管柱内的摩阻力，提高管柱设计的适用性和可靠性。本发明无需考虑气体流态变化和管壁粗糙度影响，避免了管壁粗糙度经验取值的影响，提高了摩阻系数测量的准确性。
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。
本发明基于应变计算管柱内高速气流摩阻系数的方法，即本发明主要用于管柱内气-壁摩阻系数的测试计算，获得摩阻系数可以进一步准确复杂气井(三高气井、储气库井等)管柱内的摩阻力，提高管柱设计的适用性和可靠性。
本发明由以下技术方案实现：
1)试验管轴向应变测试
在试验管外壁粘帖轴向应变片，通入高压气流后测试试验管的轴向应变变形量ε，并同时记录此时的气流的密度ρ、压力P、流量Q以及试验管长度L、外径D、内径d、弹性模量E；
2)试验管轴向变形量计算
据Lame公式可以计算获得因管柱内外压力泊松效应而产生的附加轴向应力σzp，据管柱内横截面变化产生的附加轴向应力为σzA，则附加轴向应力σzs为：
σzs＝σzp+σzA (1)
可计算获得附加轴向应变εzs为：
εzs＝σzs/E (2)
进一步计算获得摩阻力产生的应变εzf为：
εzf＝ε-εzs (3)
3)高速气流摩阻力计算
通过应变变形，可计算高速气流对管柱产生的摩阻应力σf为(即摩阻压降ΔPf)：
σf＝εzf·E (4)
4)摩阻系数计算
已知摩阻压降ΔPf是摩阻系数λ、流量Q、气体密度ρ、试验管内径d和长度L的函数，即
现已知ΔPf、Q、ρ、d、L等数值，则易计算获得摩阻系数λ为：
以下通过具体实施方式详细说明本发明的内容。
1)首先测试获取高速气流下管柱轴向应变变形量ε；
2)据弹性力学理论，据公式(1)计算高速气流下管柱的附加轴向应力σzs；
3)进一步据公式(2)计算附加轴向应变εzs；
4)据公式(3)计算摩阻力产生的轴向应变εzf；
5)据公式(4)计算获得高速气体流的摩阻压力降σf；
6)最后，据公式(6)计算获得高速气流下管柱的摩阻系数λ。
2014年初起，利用本发明设计获取的摩阻系数，准确计算了储气库注采管柱Φ139.7mm×9.17mm P110内的摩阻压力，提高了管柱设计能力，进一步保证了管柱密封安全。
本发明适用于各类复杂气井中管柱内气体摩阻系数的测试计算中，也可扩展应用于液体流的摩阻系数测试计算。
中国石油集团正在大力投资建设各类复杂气井，一口井的建设都在上千万元，甚至上亿元。但现有气井基本全是环空带压生产，带来一定安全风险，长期环空带压易导致天然气泄漏事故发生，一旦通过地层泄漏至城市生活区将发生严重事故。而采用本发明设计的方法，可以进一步提高完井管柱设计能力，将极大程度降低管柱泄漏风险，从而避免事故发生。因此，本发明将产生良好的经济效益，具有广阔的应用前景。
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。

Claims (6)

1.基于应变的高速气流摩阻系数计算方法，其特征在于包括以下步骤：
1)试验管轴向应变测试
在试验管外壁粘帖轴向应变片，通入高压气流后测试试验管的轴向应变变形量ε，并同时记录此时的气流的密度ρ、压力P、流量Q以及试验管长度L、外径D、内径d、弹性模量E；
2)试验管轴向变形量计算
据Lame公式计算获得因管柱内外压力泊松效应而产生的附加轴向应力σzp，据管柱内横截面变化产生的附加轴向应力为σzA，则附加轴向应力σzs为：
σzs＝σzp+σzA (1)
计算获得附加轴向应变εzs为：
εzs＝σzs/E (2)
进一步计算获得摩阻力产生的应变εzf为：
εzf＝ε-εzs (3)
3)高速气流摩阻力计算
通过应变变形，计算高速气流对管柱产生的摩阻应力σf，即摩阻压降ΔPf：
σf＝εzf·E (4)
4)摩阻系数计算
已知摩阻压降ΔPf是摩阻系数λ、流量Q、气体密度ρ、试验管内径d和长度L的函数，即
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>,</mo> <mi>Q</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>,</mo> <mi>d</mi> <mo>,</mo> <mi>L</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>8</mn> <msup> <mi>&amp;lambda;LQ</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&amp;rho;</mi> </mrow> <mrow> <msup> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>d</mi> <mn>5</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mrow> <mo>-</mo> <mn>6</mn> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
现已知ΔPf、Q、ρ、d、L等数值，则计算获得摩阻系数λ为：
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2.根据权利要求1所述的基于应变的高速气流摩阻系数计算方法，其特征在于：所述轴向应变片采用电阻式应变片。
3.根据权利要求1所述的基于应变的高速气流摩阻系数计算方法，其特征在于：所述试验管上安装有压力表，通过压力表测量通入高压气流后测试试验管中的压力P。
4.根据权利要求1所述的基于应变的高速气流摩阻系数计算方法，其特征在于：所述试验管上安装有气体流量计，通过气体流量计测量通入高压气流后测试试验管中的气体流量Q。
5.根据权利要求1所述的基于应变的高速气流摩阻系数计算方法，其特征在于：根据侧得的压力P，气体摩尔质量和温度，计算得到气流的密度ρ。
6.根据权利要求1所述的基于应变的高速气流摩阻系数计算方法，其特征在于：所述轴向应变片为单轴应变片。
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