CN107420097A - 地下储气库井气体摩擦阻力系数测量和管柱振动监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地下储气库水平井开发领域，特别涉及一种地下储气库井气体摩擦阻力系数测量和管柱振动监测装置。系统共分为气体控制单元、管路测试单元、振动装置单元和采集控制单元四大部分；其中：所述气体控制单元包括：螺杆压缩机、缓冲罐、气体质量流量控制器，中间缓冲罐连接；所述管路测试单元由模拟管路，以及传感器组成；所述振动装置单元包括：振动传感器组与上位机，振动传感器由加速度传感器组成。所述采集控制单元由计算机串联试验装置实现。本发明实现地下储气库气井管柱气体摩擦阻力系数的测量，并对注入和采出工况下的管柱振动特性进行监测，保证地下储气库井管柱的结构完整和全井安全。
Description
技术领域
本发明涉及地下储气库水平井开发领域，特别涉及一种地下储气库井气体摩擦阻力系数测量和管柱振动监测装置。
背景技术
随着石油天然气行业的不断深入发展，地下储气库井与高压气井的规模不断增大和数量不断增多。根据调研和工程经验，在缺少准确的摩擦系数情况下，现行科研成果和技术手段不能很好的计算管柱受力，使得储气库井在管柱选材时缺少依据，影响了固井效率和气井安全。传统的摩擦阻力系数测定实验和理论主要针对液壁之间，对地下储气库井注采气管柱的气壁摩擦阻力系数测定和计算的尚未成熟。
地下储气库井在注入和采出天然气时，管柱内天然气高速流动引起的流体与管壁之间的相互作用是地下储气库井管柱设计中一直被忽视的问题，由此引起的管柱振动极易引发地下储气库井的结构失效，甚至全井报废。
为减少因气体与管柱间相互作用引起地下储气库井结构失效的情况发生，有必要发明一种模拟地下储气库井注入和采出工况下气体与管柱间相互作用的实验装置，测量气体摩擦阻力系数，并对注入和采出工况下的管柱振动特性进行监测，有利于保证地下储气库井管柱的结构完整和全井安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水平气井气体注采过程模拟与振动特性分析实验装置，其能够用于研究气体在不同直径管路中的摩擦阻力和应力情况，测试相关气体，分析并归纳相关规律，为气体管路的设计和应用提供理论依据和指导。
为此，本发明专利的技术方案如下：
一种水平气井气体注采过程模拟与振动特性分析实验装置，包括：
水平放置的模拟管路、进行气体缓冲的缓冲罐、气体质量流量控制器气体放空罐、安装在管路上的温度传感器与压力传感器、螺杆泵、增压泵、振动传感器、上位机、电荷放大器和A/D转换器等。
系统共分为气体控制单元、管路测试单元、振动装置单元和采集控制单元四大部分。
所述气体控制单元由螺杆压缩机、缓冲罐、气体质量流量控制器组成，螺杆压缩机进行气体压缩，气体质量流量控制器控制气体，中间缓冲罐连接。
所述管路测试单元由模拟管路，以及传感器组成，在管路初端安装温度传感器，在各管路两端均安装压力传感器。
所述振动装置单元包括两部分：振动传感器组，安装于所述模拟油管上，用于感应所述模拟油管及所述模拟套管的机械振动并将其转换成对应的振动信号；上位机，与所述振动传感器组电耦合，用于获取所述振动信号并据此确定该振动信号所对应的机械振动。
所述采集控制单元由计算机串联试验装置实现，整个实验所有压力，以及流量振动等参数全部由数据采集系统进行采集存储，方便后期对所有数据进行处理。
实验装置压缩机和增压泵提供高压空气流量，进入测试管道，测量差压和管路应力情况。气体经过缓冲罐后减压放空。振动信号获取所述振动传感器组中各个振动传感器的振动位移，依据该振动位移确定所述振动信号所对应的机械振动在所述管路中的衰减特性，进行频谱分析，以获取所述振动信号的峰点所对应的频率。
本装置还附有模拟扶正器，其套在所述模拟水平气井上且与所述模拟气井间隙配合。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图
图中：1.螺杆压缩机，2.缓冲罐，3.气体质量流量控制器，4.温度传感器，5.电荷放大器，6.压力传感器，7.球阀，8.气体放空罐，9.计算机，电荷放大器与上位机耦合连接。
具体实施方式
如图1所示，一种水平气井气体注采过程模拟与振动特性分析实验装置，包括：水平放置的测试管道、提供气体流量的气体供给系统、数据采集系统，测试管道一端均安装有电动球阀。
所述气体供给系统由管线、螺杆压缩机、气体缓冲罐、气体质量流量控制器组成。可根据实际情况，通过螺杆压缩机将空气压缩进气体缓冲罐。
所述气体质量流量控制器安装在气体缓冲罐之后且与计算机联通，控制流入测试管道的气体流量及防止气体回流。
所述单向阀安装在气体质量流量控制器之后，防止气体回流。
所述数据采集系统由气体流量计、温度传感器、压力传感器、计算机组成。气体流量计安装在气体质量流量控制器之前，用于测量气体质量流量，测试管道之间安装有温度传感器且与计算机联通，用于实时观察气体温度，测试管道两端均安装有压力传感器且与计算机联通，用于实时观察气体压力。
所述振动装置为若干加速度传感器，对应的振动信号为加速度信号，对所述加速度信号进行两次积分获得各个加速度传感器的振动位移，得出所述加速度信号所对应的机械振动的衰减特性。
首先，测量气体摩阻系数。
进行测试时，启动气体控制装置，启动压缩机将空气压缩进气体缓冲罐内。之后，被测气体利用气体流量计进行监测，数据输出到计算机中，用于计算气体的质量流量，气体流量大小可通过气体质量流量控制球阀进行调节。被测气体流入测试管道，测试管道初始端的温度传感器实时记录被测气体测试温度，数据输出到计算机中，用于计算被测气体的摩擦阻力系数。气体经分离后放空。
可通过控制球阀的开启与关闭，在不同管径的测试管道中进行测试。
其次，研究气井管道的振动特性。
在进行气体注采模拟过程中，由安放在水平井管路上的振动装置收集采集气井振动信号，并输入到计算机中进行振动特性分析。
首选，获取振动信号。由于高速气体的振动提供激励信号，激励信号通过功率放大器放大至设定值后驱动激振器，机械振动以模拟管道作为传播介质并沿此延伸方向传递振动，这时位于模拟油管上的振动传感器组就会感应这些振动并将转换成对应的振动信号，这些振动信号经第一电荷放大器和第一A/D转换器后，上位机则可读取这些振动信号。
然后，根据振动信号获取振动传感器组中各个振动传感器的振动位移。以多个加速度传感器所组成的振动传感器组为例，上位机在读取到某一加速度传感器输出的加速度信号后，经过一次积分运算可获得对应速度信号，再对获得的速度信号进行一次积分运算则可获得该加速度传感器所对应的位移，如此，最终可获得每个振动测点的位移，从而依据各个振动测点的位移得出振动在模拟管道中的衰减特性。
本申请实施例中，上位机与振动传感器组电耦合，用于获取振动信号并据此确定水平气井的振动特性
实验需要用到的物理量为起点压力、终点压力、质量流量温度、管长，直径。气体压缩因子可以由气体的温度和压力计算，气体常数为已知量，气体的密度也可以由温度和压力计算，气体的粘度可以依据压力和温度查询计算。通过以上物理量，可以分析计算出水平气井中气体的摩阻系数以及管道管壁应力。
本发明的实验装置，流量计、各类传感器信号与计算机连接，可得出以时间为函数下被测气体的流量、流速、密度、温度及压力曲线以及振动特性分析。由于该实验装置的设计与工程实际十分接近，因此使用该装置所测结果对工程设计有很大的参考价值，为提高气体的传递效率，减少损耗提供理论依据和指导。
以上所述实施例仅用于说明本发明，并非用以限定本发明的应用范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的结构、连接方式等变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (3)
1.地下储气库井气体摩擦阻力系数测量和管柱振动监测装置，包括气体控制单元、管路测试单元、振动装置单元和采集控制单元四大部分；其特征在于：
所述气体控制单元包括：螺杆压缩机、单向球阀、缓冲罐、气体质量流量控制器，螺杆压缩机进行气体压缩，气体质量流量控制器控制气体，中间缓冲罐连接；
所述管路测试单元由模拟管路，以及温度与压力传感器组成。
所述振动装置单元包括：振动传感器组与上位机，振动传感器由加速度传感器组成。
所述采集控制单元由计算机串联试验装置实现，整个实验所有压力，以及流量振动等参数全部由数据采集系统进行采集存储，方便后期对所有数据进行处理。
2.根据权利要求1所述的气体控制单元，其特征在于：所述上单向球阀及气体质量流量控制器安装在缓冲罐之后，防止气体回流。
3.根据权利要求1所述的振动装置单元，其特征在于：所述振动传感器组安装于所述模拟油管上，用于感应所述模拟油管及所述模拟套管的机械振动并将其转换成对应的振动信号；所述上位机与所述振动传感器组电耦合，用于获取所述振动信号并据此确定该振动信号所对应的机械振动。
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