本發(fā)明屬于鉆井技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于應(yīng)變的高速氣流摩阻系數(shù)計算方法。

背景技術(shù)：

在注采氣管柱設(shè)計中摩阻效應(yīng)計算涉及到摩阻系數(shù)的選取，先前采用的摩阻系數(shù)主要是依靠液體流測試驗獲得或取經(jīng)驗值，對于準確計算氣流下摩阻力較為欠缺。通過大量調(diào)研和文獻查閱發(fā)現(xiàn)，目前科研領(lǐng)域和工程實際中對氣井管柱在高速氣流作用下的摩阻力研究或試驗成果很少，借助試驗進行的管柱內(nèi)氣體流動規(guī)律、流態(tài)變化及摩阻力的計算研究尚未開展。在開展這些研究的前提必須獲得準確的氣-壁摩阻系數(shù)，而傳統(tǒng)的摩阻測定試驗和理論主要針對液-壁之間，對管柱內(nèi)部摩阻系數(shù)的確定方法研究主要以國外的單相液體流摩阻系數(shù)計算公式方法為基礎(chǔ)開展的，國內(nèi)學者對注采氣管柱的氣-壁摩阻系數(shù)測定和計算方法尚未成熟，同時對高速氣流下管柱內(nèi)壁摩阻力的計算研究很少。

此外，因摩阻系數(shù)測定受流體流態(tài)、管壁粗糙度等因素影響較大，現(xiàn)有的方法仍然只有經(jīng)驗和半經(jīng)驗方法，較為經(jīng)典的液-壁摩阻系數(shù)測定方法是尼古拉茲試驗。

如何減少測試因素干擾，獲取準確的氣-壁摩阻系數(shù)，是計算注采氣管柱氣流摩阻力，對注采管柱設(shè)計至關(guān)重要。

現(xiàn)有技術(shù)存在的主要問題：1)以液-壁摩阻系數(shù)測定方法為主，缺少氣-壁摩阻系數(shù)測定方法；2)氣井管柱內(nèi)氣流對管柱的摩阻力計算中摩阻系數(shù)取值為液-壁摩阻系數(shù)或經(jīng)驗值；3)液-壁摩阻系數(shù)測定中干擾因素過多。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種基于應(yīng)變的高速氣流摩阻系數(shù)計算方法，無需考慮氣體流態(tài)變化和管壁粗糙度影響，避免了管壁粗糙度經(jīng)驗取值的影響，提高了摩阻系數(shù)測量的準確性。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

基于應(yīng)變的高速氣流摩阻系數(shù)計算方法，包括以下步驟：

1)試驗管軸向應(yīng)變測試

在試驗管外壁粘帖軸向應(yīng)變片，通入高壓氣流后測試試驗管的軸向應(yīng)變變形量ε，并同時記錄此時的氣流的密度ρ、壓力p、流量q以及試驗管長度l、外徑d、內(nèi)徑d、彈性模量e；

2)試驗管軸向變形量計算

據(jù)lame公式計算獲得因管柱內(nèi)外壓力泊松效應(yīng)而產(chǎn)生的附加軸向應(yīng)力σzp，據(jù)管柱內(nèi)橫截面變化產(chǎn)生的附加軸向應(yīng)力為σza，則附加軸向應(yīng)力σzs為：

σzs＝σzp+σza(1)

計算獲得附加軸向應(yīng)變εzs為：

εzs＝σzs/e(2)

進一步計算獲得摩阻力產(chǎn)生的應(yīng)變εzf為：

εzf＝ε-εzs(3)

3)高速氣流摩阻力計算

通過應(yīng)變變形，計算高速氣流對管柱產(chǎn)生的摩阻應(yīng)力σf，即摩阻壓降δpf：

σf＝εzf·e(4)

4)摩阻系數(shù)計算

已知摩阻壓降δpf是摩阻系數(shù)λ、流量q、氣體密度ρ、試驗管內(nèi)徑d和長度l的函數(shù)，即

現(xiàn)已知δpf、q、ρ、d、l等數(shù)值，則計算獲得摩阻系數(shù)λ為：

進一步，所述軸向應(yīng)變片采用電阻式應(yīng)變片。

進一步，所述試驗管上安裝有壓力表，通過壓力表測量通入高壓氣流后測試試驗管中的壓力p。

進一步，所述試驗管上安裝有氣體流量計，通過氣體流量計測量通入高壓氣流后測試試驗管中的氣體流量q。

進一步，根據(jù)側(cè)得的壓力p，氣體摩爾質(zhì)量和溫度，計算得到氣流的密度ρ。

進一步，所述軸向應(yīng)變片為單軸應(yīng)變片。

本發(fā)明基于應(yīng)變的高速氣流摩阻系數(shù)計算方法，通過測量管柱軸向應(yīng)變變形，并考慮內(nèi)壓力、截面變化對軸向變形的影響，計算獲得高速氣流對管柱內(nèi)壁摩阻力，進一步計算出摩阻系數(shù)。主要用于管柱內(nèi)氣-壁摩阻系數(shù)的測試計算，獲得摩阻系數(shù)可以進一步準確復雜氣井(三高氣井、儲氣庫井等)管柱內(nèi)的摩阻力，提高管柱設(shè)計的適用性和可靠性。本發(fā)明無需考慮氣體流態(tài)變化和管壁粗糙度影響，避免了管壁粗糙度經(jīng)驗取值的影響，提高了摩阻系數(shù)測量的準確性。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

本發(fā)明基于應(yīng)變計算管柱內(nèi)高速氣流摩阻系數(shù)的方法，即本發(fā)明主要用于管柱內(nèi)氣-壁摩阻系數(shù)的測試計算，獲得摩阻系數(shù)可以進一步準確復雜氣井(三高氣井、儲氣庫井等)管柱內(nèi)的摩阻力，提高管柱設(shè)計的適用性和可靠性。

本發(fā)明由以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

1)試驗管軸向應(yīng)變測試

在試驗管外壁粘帖軸向應(yīng)變片，通入高壓氣流后測試試驗管的軸向應(yīng)變變形量ε，并同時記錄此時的氣流的密度ρ、壓力p、流量q以及試驗管長度l、外徑d、內(nèi)徑d、彈性模量e；

2)試驗管軸向變形量計算

據(jù)lame公式可以計算獲得因管柱內(nèi)外壓力泊松效應(yīng)而產(chǎn)生的附加軸向應(yīng)力σzp，據(jù)管柱內(nèi)橫截面變化產(chǎn)生的附加軸向應(yīng)力為σza，則附加軸向應(yīng)力σzs為：

σzs＝σzp+σza(1)

可計算獲得附加軸向應(yīng)變εzs為：

εzs＝σzs/e(2)

進一步計算獲得摩阻力產(chǎn)生的應(yīng)變εzf為：

εzf＝ε-εzs(3)

3)高速氣流摩阻力計算

通過應(yīng)變變形，可計算高速氣流對管柱產(chǎn)生的摩阻應(yīng)力σf為(即摩阻壓降δpf)：

σf＝εzf·e(4)

4)摩阻系數(shù)計算

已知摩阻壓降δpf是摩阻系數(shù)λ、流量q、氣體密度ρ、試驗管內(nèi)徑d和長度l的函數(shù)，即

現(xiàn)已知δpf、q、ρ、d、l等數(shù)值，則易計算獲得摩阻系數(shù)λ為：

以下通過具體實施方式詳細說明本發(fā)明的內(nèi)容。

1)首先測試獲取高速氣流下管柱軸向應(yīng)變變形量ε；

2)據(jù)彈性力學理論，據(jù)公式(1)計算高速氣流下管柱的附加軸向應(yīng)力σzs；

3)進一步據(jù)公式(2)計算附加軸向應(yīng)變εzs；

4)據(jù)公式(3)計算摩阻力產(chǎn)生的軸向應(yīng)變εzf；

5)據(jù)公式(4)計算獲得高速氣體流的摩阻壓力降σf；

6)最后，據(jù)公式(6)計算獲得高速氣流下管柱的摩阻系數(shù)λ。

2014年初起，利用本發(fā)明設(shè)計獲取的摩阻系數(shù)，準確計算了儲氣庫注采管柱φ139.7mm×9.17mmp110內(nèi)的摩阻壓力，提高了管柱設(shè)計能力，進一步保證了管柱密封安全。

本發(fā)明適用于各類復雜氣井中管柱內(nèi)氣體摩阻系數(shù)的測試計算中，也可擴展應(yīng)用于液體流的摩阻系數(shù)測試計算。

中國石油集團正在大力投資建設(shè)各類復雜氣井，一口井的建設(shè)都在上千萬元，甚至上億元。但現(xiàn)有氣井基本全是環(huán)空帶壓生產(chǎn)，帶來一定安全風險，長期環(huán)空帶壓易導致天然氣泄漏事故發(fā)生，一旦通過地層泄漏至城市生活區(qū)將發(fā)生嚴重事故。而采用本發(fā)明設(shè)計的方法，可以進一步提高完井管柱設(shè)計能力，將極大程度降低管柱泄漏風險，從而避免事故發(fā)生。因此，本發(fā)明將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進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)利要求范圍當中。