[发明专利]基于应变的高速气流摩阻系数计算方法

说明书

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。

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σ_zp，据管柱内横截面变化产生的附加轴向应力为σ_zA，则附加轴向应力σ_zs为：

σ_zs＝σ_zp+σ_zA (1)

计算获得附加轴向应变ε_zs为：

ε_zs＝σ_zs/E (2)

进一步计算获得摩阻力产生的应变ε_zf为：

ε_zf＝ε-ε_zs (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σ_f，即摩阻压降ΔP_f：

σ_f＝ε_zf·E (4)

4)摩阻系数计算