CN111239188B - 液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置及其工作方法，其中，该装置包括：预热结构，用于对液氮加热；测量结构，与所述预热结构连接，加热后的液氮进入所述测量结构，所述测量结构用于模拟压裂管柱的不同压裂工况，测量不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的相关数据；计算设备，与所述测量结构连接，用于根据所述相关数据计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数。该方案实现了可以确定低温氮在压裂管柱内流动传热信息，为研究低温氮在压裂管柱内流动传热规律提供依据。

Description

液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及石油开发技术领域，特别涉及一种液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置及其工作方法。

背景技术

大型水力压裂技术是石油工业常用的增产技术，也是页岩气、致密油等非常规油气资源开发不可缺少的储层改造技术。常规大型水力压裂技术存在水资源消耗量大、易造成储层污染、返排液污染环境等固有缺陷，不适用于一些特殊储层(如水敏岩层等)的压裂改造。无水压裂技术是针对此类问题发展起来的储层改造新技术。液氮压裂技术作为无水压裂技术的一种，已有大量学者针对该项技术展开相关研究。

将超低温液氮从井口输送至井底是成功实施液氮压裂施工的前提，而准确预测压裂管柱内液氮或超临界氮瞬态温度、压力分布是保障液氮压裂施工安全的关键。调研文献后发现，针对液氮压裂工况下，低温氮在压裂管柱内流动传热规律的相关研究未见报道。

压裂施工具有注入压力高、泵注排量大等特点。而超低温液氮由井口流向井底过程中，受压裂管柱本身热容及环空传热的影响，温度将持续升高。准确预测压裂工况下(高压、高雷诺数)，不同温度液氮或超临界氮在圆管内的强制对流换热系数及流动摩阻，是计算液氮压裂过程中井筒温度和压力瞬态分布的前提。目前公开文献中，未发现有针对压裂工况下，液氮或超临界氮在圆管内流动传热规律的相关研究。

发明内容

本发明实施例提供了一种液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，以解决现有技术中无法确定低温氮在压裂管柱内流动传热信息的技术问题。该装置包括：

预热结构，用于对液氮加热；

测量结构，与所述预热结构连接，加热后的液氮进入所述测量结构，所述测量结构用于模拟压裂管柱的不同压裂工况，测量不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的相关数据；

计算设备，与所述测量结构连接，用于根据所述相关数据计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数。

本发明实施例还提供了一种液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置的工作方法，以解决现有技术中无法确定低温氮在压裂管柱内流动传热信息的技术问题。该方法包括：

通过预热结构对液氮加热；

将加热后的液氮输入测量结构，通过所述测量结构模拟压裂管柱的不同压裂工况，测量不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的相关数据；

通过计算设备根据所述相关数据计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数。

在本发明实施例中，通过设置预热结构、测量结构以及计算设备，使得可以模拟压裂管柱的不同压裂工况，并测量不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的相关数据，进而计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数，实现了可以确定低温氮在压裂管柱内流动传热信息，为研究低温氮在压裂管柱内流动传热规律提供依据。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置的结构框图；

图2是本发明实施例提供的一种液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种液氮压裂工况下对流换热系数的测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明实施例中，提供了一种液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，如图1所示，该装置包括：

预热结构101，用于对液氮加热；

测量结构102，与所述预热结构101连接，加热后的液氮进入所述测量结构102，所述测量结构用于模拟压裂管柱的不同压裂工况，测量不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的相关数据；

计算设备103，与所述测量结构102连接，用于根据所述相关数据计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数

由图1所示可知，在本发明实施例中，通过设置预热结构、测量结构以及计算设备，使得可以模拟压裂管柱的不同压裂工况，并测量不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的相关数据，进而计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数，实现了可以确定低温氮在压裂管柱内流动传热信息，为研究低温氮在压裂管柱内流动传热规律提供依据。

具体实施时，如图2所示，整个液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置可以由液氮槽罐车1大排量供给液氮。

具体实施时，为了实现低温液可以用于测量，提出了采用预热结构来加热液氮，在本实施例中，如图2所示，预热结构，包括：

预热容器7，用于容纳液氮；具体的，预热容器7可以是圆筒形高压釜体。

电加热器8，置于所述预热容器7内，用于对所述预热容器7内的液氮加热；

交流电源设备，与所述电加热器8连接，用于为所述电加热器8提供可控交流能量。

具体实施时，为了可以满足模拟不同液氮压裂工况所需的温度，在本实施例中，如图2所示，交流电源设备可以由380V交流电源9和交流电源控制器10组成，所述交流电源控制器10可调节380V交流电源9的功率。

具体实施时，为了使预热容器7内的流体温度均匀，在本实施例中，预热容器7体内不同位置及出口处可以设置有扰流装置，以保证预热稳定，流体温度均匀。

具体实施时，为了将液氮输入到预热容器内，在本实施例中，如图2所示，所述预热结构，还包括：

高压液氮泵3，与所述预热容器7连接，用于对液氮加压，并将加压后的液氮输入所述预热容器7内。

具体实施时，如图2所示，可以通过高压液氮泵3将液压槽罐车1中的液氮加压后输入所述预热容器7内，在高压液氮泵3和液压槽罐车1之间的输氮管道上设置供液控制阀2，供液控制阀2为低温液路控制阀门，还可以在高压液氮泵3和预热容器7之间的输氮管道上设置安全阀4，起安全保护作用，保证液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置不因压力过高而发生事故。

具体实施时，为了对预热容器7隔热保温，在本实施例中，如图2所示，所述预热结构，还包括：

第一真空保温筒6，所述预热容器7置于所述第一真空保温筒6内，所述第一真空保温筒6对所述预热容器7进行隔热保温；

气凝胶保温材料5，设置于所述第一真空保温筒6和所述预热容器7之间，所述气凝胶保温材料5具有极佳的保温效果，用于对所述预热容器7进行隔热保温。

具体实施时，为了实现模拟压裂管柱的不同压裂工况，并测量上述相关数据，在本实施例中，如图2所示，所述测量结构，包括：

模拟结构，与所述预热结构连接，加热后的液氮进入所述模拟结构，所述模拟结构用于模拟压裂管柱的不同压裂工况；

质量流量计11，设置于所述模拟结构与所述预热结构之间传输液氮的管道上，用于测量液氮的瞬时质量流量；

多个T型热电偶14，间隔一定距离焊接于所述模拟结构的外壁上，用于测量所述模拟结构沿程外壁面温度分布；

多个铠装温度传感器16，分别设置于所述模拟结构的上游段和下游段，用于测量所述模拟结构内上游和下游的流体温度；具体的，为消除铠装温度传感器螺纹连接部位对测温结果的影响，同时提高铠装温度传感器的测温灵敏度，如图2所示，在模拟结构的上游段和下游段的测点处可以通过精密氩弧焊焊接T型引管17，通过T型引管17设置铠装温度传感器16，保证铠装温度传感器16前端完全浸没于待测流体中。所述T型引管17可保证铠装温度传感器16测温端至少4cm浸于待测温流体中，能减少模拟结构壁面温度对流体测温精度产生影响。

超低温压力传感器18，分别设置于所述模拟结构的上游段和下游段，用于测量所述模拟结构内上游和下游的流体压力。具体的，如图2所示，所述超低温压力传感器18与模拟结构间通过压力缓冲盘管19连接，所述压力缓冲盘管19与模拟结构相连，可预防测量时压力出现大幅波动。

具体实施时，在本实施例中，如图2所示，所述模拟结构，包括：

不锈钢管12，与所述预热结构连接，加热后的液氮进入所述不锈钢管12，所述不锈钢管12用于模拟压裂管柱，不锈钢管12底部设置有锥形喷嘴20，为整个测试装置憋压，以使测试装置达到相应的压力；具体的，不锈钢管12设置有出口和入口，预热结构与不锈钢管12的入口连接，以便加热后的液氮进入所述不锈钢管12，不锈钢管12的出口采用不同出口直径锥形喷嘴为整个测试装置憋压，多个T型热电偶、多个铠装温度传感器、超低温压力传感器等检测设备设置在模拟结构中不锈钢管12的相应测点处。

带状电阻丝13，以螺旋状均匀缠绕于所述不锈钢管12的外壁，用于为所述不锈钢管12提供热流密度；

可旋转支架，所述不锈钢管12设置于所述可旋转支架上，用于模拟不同压裂工况下的井斜角。

具体实施时，可改变质量流量计11、交流电源9提供的预热功率、T型热电偶14测量的壁面热流密度及出口喷嘴21直径，在较大范围内调节流体雷诺数、压力、温度及壁面热流密度等，可研究多种参数组合下，液氮或超临界氮与管柱之间的流动换热规律。

具体实施时，在本实施例中，如图2所示，所述模拟结构，还包括：

第二真空保温筒，所述不锈钢管12置于所述第二真空保温筒内，所述第二真空保温筒用于对所述不锈钢管12进行隔热保温；

直流电源设备，与所述带状电阻丝13连接，用于为所述带状电阻丝13提供可控直流能量。

具体实施时，如图2所示，所述模拟结构，还包括：

绝缘导热层15，由导热绝缘硅脂和玻璃纤维定纹管组成，设置在热阻丝与不锈钢管之间，可在局部高温的情况下保证绝缘导热效果。

具体实施时，在实验过程中，质量流量计11、低温阀门4及连接管路均采用气凝胶保温层包裹，防止流体温度产生波动。

具体实施时，如图2所示，直流电源设备由直流电源22和直流电源控制器23组成，所述直流电源控制器23可调节直流电源20的功率。

具体实施时，如图2所示，计算设备21可以1HZ的频率采集各传感器数据并存储。

具体实施时，所述计算设备通过以下公式计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数：

其中，h(单位为W/m²·℃)为对流换热系数，q_w,in(单位为W/m²)为模拟的压裂管柱内壁面热流密度，

d(单位为m)为模拟的压裂管柱内径，L为模拟的压裂管柱的长度，P(单位为W)为模拟的压裂管柱的加热功率，P＝U·I·(1-η)＝(H_out-H_in)Q，U(单位为V)为直流电源供电电压，I(单位为A)为直流电源供电电流，η(单位为％)为流体漏热系数，H_out为模拟的压裂管柱的出口处焓值，H_in为模拟的压裂管柱的，Q(单位为kg/s)为质量流量，T_w，in(单位为℃)为模拟的压裂管柱内壁面温度，

D(单位为m)为模拟的压裂管柱外径，K(单位为W/m·℃)为模拟的压裂管柱壁面导热系数，T_b(单位为℃)为流体平均温度。

具体实施时，在本实施中，所述计算设备还用于通过以下公式计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的流动摩擦系数：

且

其中，f为流动摩擦系数，L为模拟的压裂管柱的长度，D为模拟的压裂管柱的外径，v为模拟的压裂管柱内液氮流速，g为重力加速度，p_in为模拟的压裂管柱的入口压力、p_out为模拟的压裂管柱的出口压力，ρ为模拟的压裂管柱内液氮密度，h_r为模拟的压裂管柱的水头损失。

经计算，流体漏热系数η低于5％，说明实验系统保温效果较好。对于沿程流体平均温度T_b，采用以下方法计算：利用入口处流体温度、压力得到入口流体焓值；再由质量流量及沿程流体所吸收总热量计算得到局部平均焓值；由焓值和压力可反推得到T_b。计算中所需流体焓值、密度、导热系数等物性参数均来自NIST数据库。

具体的，上述液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置通过以下步骤进行测量：

1、连接、调试实验装置，检查各传感器数据采集是否正常；

2、启动高压液氮泵3供液，对实验装置进行预冷，并在模拟井筒(不锈钢管12)内憋压至30MPa以上，检验各接头处是否密封良好；

3、当锥形喷嘴20出口出现液态氮时，表明预冷完成。此时，降低供液排量，关闭质量流量计11两端阀门，在质量流量计11内部完全充满液氮的情况下，完成质量流量计初始化设置；

4、启动各数据采集器，以1Hz的采样频率持续采集温度(例如，T型热电偶测量的外壁面温度分布，铠装温度传感器测量的流体温度)、压力(例如，超低温压力传感器测量的流体压力)、质量流量(质量流量计11测量的质量流量)、加热功率(例如，直流电源给带状电阻丝供电的功率)等数据；

5、调节高压液氮泵转速、预热功率(例如，交流电源给电加热器供电的功率)、加热功率等参数，当T型热电偶14所采集温度数值在20s内波动不超过0.1℃时，表明换热达到稳定状态；

6、调整实验参数(例如，可改变质量流量、预热功率、壁面热流密度及出口喷嘴直径，在较大范围内调节流体雷诺数、压力、温度及壁面热流密度等，可研究多种参数组合下，液氮或超临界氮与管柱之间的流动换热规律)，重复步骤5)；

7、更换不同尺寸的喷嘴，以使测量装置达到相应的压力，重复步骤4)、5)、6)，完成数据测量。

在本实施例中，还提供了一种液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置的工作方法，如图3所示，该方法包括：

步骤302：通过预热结构对液氮加热；

步骤304：将加热后的液氮输入测量结构，通过所述测量结构模拟压裂管柱的不同压裂工况，测量不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的相关数据；

步骤306：通过计算设备根据所述相关数据计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数。

本发明实施例实现了如下技术效果：通过设置预热结构、测量结构以及计算设备，使得可以模拟压裂管柱的不同压裂工况，并测量不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的相关数据，进而计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数，实现了可以确定低温氮在压裂管柱内流动传热信息，为研究低温氮在压裂管柱内流动传热规律提供依据。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，包括：

预热结构，用于对液氮加热；

测量结构，与所述预热结构连接，加热后的液氮进入所述测量结构，所述测量结构用于模拟压裂管柱的不同压裂工况，测量不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的相关数据；

计算设备，与所述测量结构连接，用于根据所述相关数据计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数；

所述测量结构，包括：

模拟结构，与所述预热结构连接，加热后的液氮进入所述模拟结构，所述模拟结构用于模拟压裂管柱的不同压裂工况；

质量流量计，设置于所述模拟结构与所述预热结构之间传输液氮的管道上，用于测量液氮的瞬时质量流量；

多个T型热电偶，间隔一定距离焊接于所述模拟结构的外壁上，用于测量所述模拟结构沿程外壁面温度分布；

多个铠装温度传感器，分别设置于所述模拟结构的上游段和下游段，用于测量所述模拟结构内上游和下游的流体温度，其中，在模拟结构的上游段和下游段的测点处焊接T型引管；

超低温压力传感器，分别设置于所述模拟结构的上游段和下游段，用于测量所述模拟结构内上游和下游的流体压力；

所述模拟结构，包括：

不锈钢管，与所述预热结构连接，加热后的液氮进入所述不锈钢管，所述不锈钢管用于模拟压裂管柱，不锈钢管底部设置有锥形喷嘴；

带状电阻丝，以螺旋状均匀缠绕于所述不锈钢管的外壁，用于为所述不锈钢管提供热流密度。

2.如权利要求1所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述预热结构，包括：

预热容器，用于容纳液氮；

电加热器，置于所述预热容器内，用于对所述预热容器内的液氮加热；

交流电源设备，与所述电加热器连接，用于为所述电加热器提供可控交流能量。

3.如权利要求2所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述预热结构，还包括：

高压液氮泵，与所述预热容器连接，用于对液氮加压，并将加压后的液氮输入所述预热容器内。

4.如权利要求2所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述预热结构，还包括：

第一真空保温筒，所述预热容器置于所述第一真空保温筒内，所述第一真空保温筒对所述预热容器进行隔热保温；

气凝胶保温材料，设置于所述第一真空保温筒和所述预热容器之间，用于对所述预热容器进行隔热保温。

5.如权利要求1至4中任一项所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述模拟结构，包括：

可旋转支架，所述不锈钢管设置于所述可旋转支架上，用于模拟不同压裂工况下的井斜角。

6.如权利要求5所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述模拟结构，还包括：

第二真空保温筒，所述不锈钢管置于所述第二真空保温筒内，所述第二真空保温筒用于对所述不锈钢管进行隔热保温；

直流电源设备，与所述带状电阻丝连接，用于为所述带状电阻丝提供可控直流能量。

7.如权利要求1至4中任一项所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述计算设备通过以下公式计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数：

其中，h为对流换热系数，q_w,in为模拟的压裂管柱内壁面热流密度，

d为模拟的压裂管柱内径，L为模拟的压裂管柱的长度，P为模拟的压裂管柱的加热功率，P＝U·I·(1-η)＝(H_out-H_in)Q，U为直流电源供电电压，I为直流电源供电电流，η为流体漏热系数，H_out为模拟的压裂管柱的出口处焓值，H_in为模拟的压裂管柱的入口处焓值，Q为质量流量，T_w，in为模拟的压裂管柱内壁面温度，

D为模拟的压裂管柱外径，K为模拟的压裂管柱壁面导热系数，T_b为流体平均温度。

8.如权利要求1至4中任一项所述的液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置，其特征在于，所述计算设备还用于通过以下公式计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的流动摩擦系数：

且

其中，f为流动摩擦系数，L为模拟的压裂管柱的长度，D为模拟的压裂管柱的外径，v为模拟的压裂管柱内液氮流速，g为重力加速度，p_in为模拟的压裂管柱的入口压力、p_out为模拟的压裂管柱的出口压力，ρ为模拟的压裂管柱内液氮密度，h_r为模拟的压裂管柱的水头损失。

9.一种权利要求1至8中任一项所述液氮压裂工况下对流换热系数的测量装置的工作方法，其特征在于，包括：

通过预热结构对液氮加热；

将加热后的液氮输入测量结构，通过所述测量结构模拟压裂管柱的不同压裂工况，测量不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的相关数据；

通过计算设备根据所述相关数据计算不同压裂工况下液氮或超临界氮在模拟的压裂管柱内的对流换热系数。

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