摘要:固井(jing)泥漿流量計 是(shì)應用在油田固(gù)井工程中進行(háng)泥漿流量計量(liàng)的儀器，屬于切(qiē)向式渦輪流量(liàng)計 。爲探究流體(ti)條件對其計量(liang)特性的影響機(jī)理，首先建立流(liu)量計葉輪驅動(dòng)力矩和阻力矩(jǔ)的數學模型，在(zai)此基礎♉上建🔱立(li)儀表系數K的模(mó)型，并發現流體(tǐ)粘⭕度是影響因(yīn)素之一。其次，考(kao)慮到實際固井(jing)作業中，粘度對(dui)儀表計量特性(xìng)的影響規律較(jiao)爲🐆複雜，因此使(shǐ)用有限元分析(xi)軟件，建立6DOF葉輪(lun)被動旋轉流體(ti)仿真計算模型(xíng)，對多種流體粘(zhān)度35、45、55、65、75mPas條件下的流(liú)場特性以及儀(yí)表💘系數特性進(jìn)行仿真分析，總(zǒng)結粘度變化對(duì)流量計計量特(tè)性的影響規律(lü)。最後通🈲過實際(jì)采集的固井測(cè)量數據和仿真(zhēn)數🐉據進行比較(jiào)，平均誤差爲1.38%，驗(yàn)證了建立的仿(pang)真♈模型的有效(xiào)性。
0引言
　　随着社(shè)會生産力的發(fā)展，在石油氣、醫(yī)療衛生以及工(gong)🍉業生産👌等衆多(duō)領域，對于流體(ti)介質的計量要(yao)求越來越高。在(zai)油田固❓井工程(cheng)中，固井質量直(zhí)接決定油井在(zài)後續作中的安(ān)全性和可靠性(xìng)，而在固井作業(ye)中，鑽井🔅液、水泥(ni)漿等流體注入(rù)的體積精度會(huì)直接影響固井(jǐng)作業的質量。
　　渦(wō)輪流量計爲固(gù)井工程中進行(háng)流量計量的重(zhong)要裝置，渦輪流(liú)量計具有耐用(yong)、計量正确、響應(yīng)速度快、計量範(fan)圍廣等特點，分(fen)爲切向式渦輪(lun)流量計和軸向(xiang)式渦輪流量計(jì)，軸向式渦輪流(liú)量較🚩爲常用，其(qí)内部包含前導(dǎo)流件、旋轉葉輪(lun)、後🔴導流件以及(ji)電磁感👌應裝置(zhi)，尤其葉輪部分(fen)結構比較複雜(za)，這些結構特性(xìng)使軸向式⭕渦輪(lún)流量計隻能✨夠(gòu)計量純液體或(huò)氣體。而切向式(shi)渦輪🈲流量計🤞葉(yè)輪結構♊相對簡(jian)單，能夠✌️适應雜(za)質較多的泥🐉漿(jiāng)等流體的計量(liang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼工作。實際固井(jing)中分爲多個階(jiē)段，需分别注☁️入(ru)不同組分構成(chéng)的鑽井液、替井(jing)液、水泥漿等流(liú)體介質，并且💛根(gen)據油井的不同(tong)，注入的流體的(de)密度、粘度等參(can)數都在一定範(fan)圍内波動，流體(ti)密度大緻在1000-1800kg/m³,粘(zhan)度大緻在45-65mPas範圍(wéi)内波動，不同🔞的(de)流體條件會對(duì)計量結果産生(shēng)較大影響，并且(qie)流量計的結構(gou)尺寸也會對結(jie)果産生重大影(ying)響。目前針對渦(wō)輪♊流量計的研(yán)究重🌈點主要集(ji)中🔞在通過優化(hua)儀表系數K的數(shu)學模型化葉㊙️輪(lun)尺寸、改進結構(gòu)材料等工作來(lai)提高計量精度(dù)。
　　針對渦輪流量(liàng)計的理論研究(jiū)方法，國内外學(xué)者做出了大量(liang)研究并且已經(jīng)形成完整的理(lǐ)論體系。POPE[81基于Lee建(jiàn)立的渦輪🏃流量(liang)計數⛹🏻‍♀️學模型進(jìn)行擴展，以考慮(lǜ)轉子上的流體(tǐ)阻力、軸承靜态(tài)阻力和軸承粘(zhan)性阻🏃🏻力。Ball9研究表(biǎo)明在層流段渦(wō)輪流量計K值随(sui)👉雷諾數增🙇‍♀️加而(er)增加。
　　但是大部(bu)分理論模型都(dōu)是針對傳統軸(zhóu)向式渦輪流量(liang)計所🈲建立，對于(yu)在油田固井工(gōng)程中的具有特(tè)殊結構的切向(xiàng)🔱式渦輪流量計(ji)，并沒有針對性(xìng)的理論模型🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。本(běn)文采✂️用微元法(fa)對切🈲向式葉輪(lun)進行流體沖擊(jī)下的受力分析(xī)🚶‍♀️，并分析受到的(de)流體阻力矩，建(jian)立針對性的✊切(qie)向式渦輪💔流量(liàng)計儀表系數模(mó)型。基㊙️于有限元(yuan)流體仿真軟件(jian)，在不❤️同流體粘(zhān)度條🔆件下，進行(háng)流量計内部🏃🏻‍♂️流(liu)場分析，總結不(bu)同流體條件對(dui)流量計計量特(te)性的🌐影響。
1儀表(biao)系數數學模型(xíng)建立
　　圖1爲切向(xiàng)式固井泥漿流(liu)量計葉輪在流(liú)體沖擊狀态下(xia)的力矩分析圖(tu)。葉片上受到流(liú)體沖擊産生的(de)驅動力矩㊙️T，同時(shi)由于💋在流量計(jì)腔體在工作狀(zhuang)态下充滿流體(tǐ)将整個葉輪包(bao)圍在其中，所以(yi)葉輪在轉🏃‍♂️動的(de)同時🏃‍♂️會受到流(liú)體帶來的流體(ti)阻力矩Trf。由于研(yan)究所用的切向(xiàng)式流量計葉輪(lun)和軸之間采用(yong)軸承支撐，軸與(yu)軸🌈承之間存在(zài)縫隙，在工作狀(zhuang)态下🔞也會充滿(man)流體産生縫隙(xi)間的液體粘性(xìng)阻力矩Tm。而葉輪(lún)頂⛱️端在轉動時(shi)與流🏃🏻‍♂️量計内壁(bì)會形成環形間(jian)隙，從而産生葉(yè)片頂端與殼體(ti)内壁⛹🏻‍♀️間的液體(ti)粘性阻力🔱矩T10]。感(gǎn)應元件帶來的(de)電磁反應阻力(li)矩可🛀忽略不計(jì)🤩。
 
　　根據動量矩定(ding)理，可以寫出葉(yè)輪的運動方程(chéng)"，如式🧡(1)
 
式中:J爲葉(ye)輪轉動慣量;o爲(wei)葉輪旋轉角速(sù)度;
　　當渦輪流量(liang)計達到穩定工(gōng)況時,渦輪流量(liang)計受到的合力(li)🌈矩✏️趨🍓近于0,葉輪(lun)旋轉的角加速(sù)度也趨近于0,則(zé)有:
 
1.1驅動力矩
　　由(you)于葉輪受到的(de)驅動力矩Tg是流(liu)體沖擊葉輪葉(ye)片産生的🔆，使🛀用(yong)微元法對葉輪(lun)上一個葉片進(jin)行分析🏃🏻，在葉片(piàn)上取半徑爲r處(chu)葉🚶‍♀️片微元。半徑(jìng)r處的葉片微元(yuan)上所受到的驅(qū)動力dF可表示爲(wei):
 
式中:ρ表示流體(tǐ)的密度,單位:Kg/m³;Q表(biǎo)示流體的體積(jī)流量🏃‍♂️，單位:m³/min。
所以(yǐ)，半徑r處的葉片(piàn)微元上所受到(dao)的驅動力矩dTd可(ke)表示爲:
 
根據葉(ye)片結構，對葉片(piàn)長度範圍内進(jìn)行積分得:
 
　　式中(zhong):v1爲流量計進口(kǒu)流體平均速度(du);v2爲傳感器出口(kǒu)流😍體平均速度(dù);a1爲v1與半徑r處的(de)圓周速度u之間(jian)的夾角:a2爲以與(yǔ)半徑r處的圓周(zhōu)速度u之間的夾(jiá)角。
　　流量計進口(kǒu)的平均速度v1表(biǎo)示爲:
 
　　式中:A爲流(liú)量計内流道橫(héng)截面積，單位:1m²。
　　根(gēn)據流體出口速(su)度三角形關系(xì)可知:
 
　　式中:n爲單(dān)位時間内渦輪(lún)轉數，單位:r/s，則有(yǒu):
 
　　代入式(5)得到驅(qu)動力矩表達式(shì):
 
　　式中:rh爲葉片頂(ding)端半徑，rk爲葉片(piàn)底端半徑，rb爲葉(ye)輪伸出🔞在流量(liang)計💞管道内部分(fen)的最小長度。
1.2流(liú)體阻力矩
　　在葉(yè)片轉動時，流體(tǐ)沖擊在葉輪上(shàng)産生相互作用(yong)，産🙇‍♀️生阻礙葉輪(lun)轉動的粘滞力(lì)，根據以往對于(yu)渦輪流量計流(liu)體阻力矩🈲的研(yán)究，實際流體阻(zǔ)力矩與流體體(ti)積流量呈現指(zhǐ)數關系。由王振(zhèn)等❓121關于切向式(shi)流量計的研究(jiu)，經過簡化得流(liu)🔴體流動阻力矩(jǔ)Trf:
式中:C爲隻與結(jie)構參數有關的(de)比例系數。
1.3軸與(yu)軸承的粘性摩(mó)擦阻力距
　　在研(yán)究所用切向式(shi)固井泥漿流量(liang)計的葉輪與軸(zhóu)之☁️間采♉用🐉軸承(chéng)鏈接，軸與軸承(cheng)内徑之間存在(zai)一定💰間隙🤞，在流(liú)量計的工作狀(zhuang)态下，流量計腔(qiāng)體内充滿流體(ti)，從而軸與☀️葉輪(lun)内孔的間隙也(yě)會🤩充滿流體，所(suo)以葉輪會受到(dào)流體與内孔表(biǎo)面間的粘🌍性阻(zu)力矩Tm。由于兩者(zhě)之間的間隙很(hěn)小，可以将縫隙(xì)間的液體流動(dong)狀态看作是層(céng)流狀态，因此的(de)表達式如🐆式(12)所(suǒ)示:
 
　　式中:L表示軸(zhóu)與葉片參與摩(mó)擦部分的長度(dù)，單位爲m;.
v表示運(yun)動粘度,單位爲(wèi)mm2/s;
ɷ-角速度，單位:rad/s。
1.4葉(ye)輪頂端與殼體(tǐ)内壁間的流體(ti)粘性阻力矩
　　在(zài)工作狀态下，葉(ye)輪在流體沖擊(jī)下産生高速旋(xuan)轉，由🌈于❓研究所(suǒ)采用的渦輪流(liu)量計特有的内(nei)部結構，六片式(shi)的葉輪的上半(bàn)部分被殼體内(nèi)壁所包圍，而葉(ye)輪的下半部分(fen)暴露在流量計(jì)腔體的管道部(bu)分内，而被包裹(guǒ)的部分在高速(su)轉動下和殼體(ti)内壁形成了半(ban)環形的區域，和(he)軸🏃🏻與葉輪間隙(xì)⭐産生的環形♻️區(qu)域類似，半環形(xing)區域内同樣👅充(chōng)滿了流體，對葉(ye)輪産生了粘性(xing)阻力矩7b,但是由(you)于葉輪其中一(yī)半結構不與殼(ke)體内壁産生環(huán)形區域，故葉輪(lún)頂部與殼體内(nei)壁間的👨‍❤️‍👨流體粘(zhan)性阻力矩本文(wén)隻考慮半環形(xíng)區域産生的液(yè)體粘👄性阻力矩(ju)。給出葉輪頂部(bu)與殼體🤩内壁間(jian)的流體粘性摩(mo)擦阻力距表達(dá)式。如式(13)所示。
 
1.5儀(yí)表系數K
　　儀表系(xi)數K是表征渦輪(lún)流量計測量特(te)性最重要的參(can)🏃🏻‍♂️數，通常将💋傳感(gan)器輸出顯示的(de)脈沖信号率f和(he)單位時💯間内的(de)體積流量Q的☂️比(bi)值定義爲K。
 
　　通過(guo)式(17)能夠看出，切(qiē)向式泥漿流量(liàng)計的儀表系數(shu)🌏不僅受到葉輪(lún)結構尺寸的影(yǐng)響，在相同工況(kuang)和流量計結構(gou)尺寸☀️下，也會受(shòu)到流體運動粘(zhan)度v變化的影響(xiǎng)，而😍當流體密度(du)的相同時，儀表(biao)系數則受到動(dòng)力粘度η的影響(xiǎng)。
運動粘度以及(ji)動力粘度的關(guan)系如式(18)所示:
 
　　式(shi)中:η表示動力粘(zhan)度，單位爲mPa·s;v表示(shì)運動粘度,單位(wei)爲mm2/s;p表示密度，單(dān)🏃🏻位爲kg/m3。
　　實際工況(kuàng)下，粘度對渦輪(lún)流量計的影響(xiang)情況較爲複雜(za)♌，結💋合📐上述理論(lun)分析結果，本文(wén)采用流體仿真(zhēn)的方式對流體(tǐ)粘度和儀表系(xi)數變化之間的(de)關系進行探讨(tao)。
2流量計流場分(fèn)析
2.1内流道三維(wei)模型建立
　　計算(suan)流體力學(computationalfluiddynamics,CFD)是就(jiu)流量計流場特(te)性最有效的方(fang)法之。GUO等⭐1[13-14使用CFD仿(pang)真計算方法對(dui)不同流體粘度(dù)、葉片結構參數(shù)🛀對流🌈量計計量(liàng)影響規律進行(hang)探究，證明了使(shǐ)用CFD方法的正确(que)率。
建立流量計(ji)内流道和旋轉(zhuan)葉輪的三維模(mó)型，并進行計算(suan)💯區域劃分，如圖(tú)2所示。
 
　　對于靜止(zhǐ)區域采用2mm尺寸(cùn)的網格,旋轉域(yu)和靜止域之間(jian)采用itereface接觸對進(jìn)行連接,靜止域(yù)中近interface面處的網(wang)格尺🐪寸設爲1mm。對(dui)于旋轉域的網(wang)格進行細化，尤(you)其是近葉輪⚽壁(bi)面的位置，以保(bao)證流♻️體沖擊在(zài)葉片壁面上的(de)計算精度，旋轉(zhuan)域的網格尺寸(cùn)設置爲1mm,旋轉域(yù)中近葉輪壁面(mian)部分的的網格(gé)尺寸設置爲0.5mm。平(ping)均網格質量爲(wei)0.83左右，滿足計算(suan)要求。劃分後的(de)網格模型如圖(tu)3所示。
 
2.2計算條件(jiàn)設置
　　管道進口(kǒu)處設爲速度進(jin)口(velocty-inlet),管道出口處(chù)設爲壓力出口(kou)(pressure-outlet)，旋轉域和靜止(zhǐ)域連接的壁面(miàn)設置3個interface接觸對(dui)，來實現旋轉域(yù)和靜🚶止域之間(jian)的數據交互，壁(bì)面附近采用标(biao)準壁面函數。選(xuǎn)用RNGk-ε湍流模型💃進(jìn)行渦輪流量計(jì)的仿真分析。動(dòng)網格更新方式(shì)選擇Smoothing(光順)和Remeshing(網(wǎng)🌈格重構)，爲了讓(rang)葉輪在流☎️體沖(chong)擊狀态下能夠(gòu)繞着旋轉軸旋(xuan)轉，選擇SixDOF(六自由(you)度)來定義旋轉(zhuǎn)部件的運🔞動，使(shǐ)葉輪在受到外(wài)力情況下可以(yǐ)發生運動。
2.3仿真(zhēn)儀表系數預測(cè)方法
　　力矩平均(jun)值法通過提取(qu)若幹周期内的(de)力矩系數，計算(suàn)🔅其平均值，當平(ping)均值的數量級(jí)低于設定值時(shí)💁，判定力矩⛱️基本(běn)受力㊙️平衡🎯。但是(shi)此方法的局限(xiàn)在于😘所監測的(de)力矩系數沒有(yǒu)達到理想範圍(wéi)時，需要在🔆計算(suàn)過程中不斷在(zài)邊界條件裏修(xiū)改葉輪轉速o，這(zhè)🚶‍♀️種方法具有一(yī)定程度的試探(tàn)性，獲取數據過(guo)程繁瑣，增加了(le)後處理過程的(de)成本。張永勝等(deng)17]提出使用✌️6DOF流體(tǐ)仿真模型，模拟(ni)葉輪♊在流體沖(chòng)擊狀态下的真(zhen)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻實工況。本文采(cai)用的6DOF模型實現(xian)了葉輪被動旋(xuán)轉，根據實際工(gōng)況直接對管道(dào)進口速度v進行(hang)設置，計算㊙️之後(hòu)通過觀察實時(shí)的力矩系數和(he)表面阻力變化(hua)曲線，便可直接(jiē)判斷渦輪流量(liàng)計處于穩定工(gōng)況的時刻,從而(ér)獲取穩定工況(kuàng)時的轉速、力矩(jǔ)系數、表面💋阻力(lì)等數據，.大大減(jiǎn)少了計算成本(běn)，并能最大程度(du)保證仿真的真(zhen)實性與合理性(xìng)。
　　當渦輪流量計(ji)達到穩定工況(kuàng)時，流量的葉輪(lun)轉速🏃‍♀️也應趨于(yu)一穩定值，進而(ér)儀表系數K也趨(qū)于一穩定值108]。在(zài)流量計的仿真(zhēn)過程中，爲了得(de)到穩定空工況(kuàng)下的葉🆚輪轉速(su)，對葉輪的旋轉(zhuan)軸進行力矩系(xi)數Cm和葉片表面(miàn)💋阻力drag的監控。計(ji)算過✨程受到葉(yè)輪本身的❤️結構(gòu)特點影響，力矩(ju)系數Cm和葉片表(biǎo)面👨‍❤️‍👨阻力drag的值都(dōu)呈現周期性變(bian)化，因此提取Cm和(hé)drag值波動趨于平(píng)⛱️穩後的6個周期(qi)内的變化數據(jù)，計算其周🐉期算(suàn)數平均值，當Cm的(de)周期平均值值(zhi)小于某一-量級(jí)最💁大限度趨近(jìn)于0時，則認爲此(cǐ)時渦輪流量計(jì)處于穩定工況(kuàng)。圖4爲仿真達到(dào)穩定狀㊙️态時截(jié)取的力矩系數(shu)變化圖。
 
3流場特(tè)性分析
　　通過圖(tú)5所示的流量計(jì)三維流場速度(dù)矢量圖發現，流(liu)量計👣管道㊙️内部(bù)流場變化最複(fú)雜的地方發生(shēng)在葉輪下半💞部(bu)分💯與流體直👨‍❤️‍👨接(jiē)沖擊的位置，流(liu)體高速沖擊至(zhì)葉輪表面，在推(tui)動葉輪轉動的(de)同時，流體向兩(liang)側邊緣和葉片(pian)頂端流出，由于(yú)葉片邊緣呈直(zhi)角❗過度，在此處(chu)流體速度發生(shēng)小範圍的♻️急升(sheng)，會對葉輪葉片(pian)邊緣造成更大(dà)沖擊。
 
　　沿流量計(ji)内道方向設定(ding)截面，以方便觀(guan)察流量計🌈管道(dào)内部的🌏流場狀(zhuang)況。通過速度場(chǎng)雲圖可知，流體(ti)從圖⭐片右側管(guan)道入口流入，由(you)于泥漿爲不可(kě)壓縮💃流體，所以(yǐ)在速度入口處(chu)不設置進口壓(yā)力。在管道内壁(bi)處，由于流體本(běn)🐅身存在粘性，會(hui)産生粘性邊界(jie)層，從圖6可以看(kàn)出管道内流速(sù)由内壁向管道(dao)中心✍️逐漸增大(da)，而🎯在旋轉域部(bu)分，即葉輪區域(yu)附近🍓出的邊界(jie)層要相對厚一(yi)些，但是由于葉(ye)輪本身的結構(gòu)🔱特點，葉輪兩側(cè)距離壁面有較(jiào)大空隙，邊界層(céng)不會對葉輪本(ben)身的轉動産生(sheng)影響。
3.1速度場分(fèn)析
　　在體積流量(liàng)1.2m³/min、流體密度1250kg/m³流體(tǐ)條件下進行仿(pang)真計算🚶。通過圖(tu)❗6所示‼️的流場速(su)度雲圖能夠發(fa)現流場分布比(bi)較複雜的部分(fen)主要集中在葉(yè)輪表面附近，尤(you)其是葉輪結構(gou)直接暴露在腔(qiang)體管道中的部(bù)分。流體從右側(cè)高速沖擊在葉(ye)輪葉片上，對葉(ye)輪葉片施加⭕壓(yā)力，然後從葉片(pian)兩邊和下方流(liu)出。然而在流體(ti)直接沖擊到的(de)葉✨片頂部區域(yù)發生了速度場(chang)的💰突變,這是由(you)切♋向式葉輪的(de)結構特性所🈲決(jue)定的。
　　能夠發現(xiàn)在相同條件下(xia),粘度65mPa·s下的葉輪(lún)附近最大🆚速度(dù)爲27.5m/s,略高㊙️于粘度(dù)45mPas下的26.5m/s,粘度的升(sheng)高導緻了流場(chǎng)💃🏻流速的整體升(shēng)高。分析其‼️原因(yīn)爲粘度的升高(gao)使葉輪頂隙流(liú)體粘性阻力💘增(zēng)大，減小了間隙(xi)中的流體流量(liang)，從而使葉片表(biǎo)面流量增加，導(dǎo)緻葉輪轉速小(xiǎo)幅上升。
 
3.2壓力場(chang)分析
　　通過圖7所(suǒ)示的流量計的(de)截面壓力雲圖(tú)可知，渦輪流📞量(liang)計正常作業時(shi)，整個腔體内的(de)壓力分布較爲(wei)較爲均勻,壓力(lì)場變化較🐕大的(de)地方發生在葉(ye)輪葉⚽片與流❌體(ti)發生沖擊的--側(cè)，最大壓力集中(zhong)在葉片表面附(fù)近，粘度65mPa·s.條件下(xià)，葉輪表面處的(de)最大壓力達到(dào)0.256MPa，高于粘度45mPa·s條件(jiàn)下的0.195MPa，壓力從葉(yè)片表面🏃‍♂️向外逐(zhú)漸較💯小。流體粘(zhān)度的升高使葉(yè)輪附近流體阻(zǔ)力矩㊙️增大，導緻(zhi)作用‼️在葉片表(biao)面的推動力增(zēng)大，從而葉片受(shou)到的壓力增大(da)。
 
3.3葉片表面壓力(lì)分析
　　通過圖8所(suǒ)示的葉片表面(miàn)的壓力分布圖(tú)可知，在葉輪處(chu)于穩定工況力(lì)矩平衡狀态下(xia)時，葉片上最大(dà)壓力主要集中(zhōng)在葉片根部和(hé)葉片表面中心(xīn)位置處，向着葉(yè)片邊緣位置🏃🏻‍♂️逐(zhu)漸減小。這是由(you)于葉片本✍️身的(de)平面結構所導(dǎo)♈緻，葉片表面壓(yā)力分🚩布不均勻(yun)♈，無法對來流🐇的(de)沖擊做出很好(hao)的瞬時🐇響應。
 
3.4仿(pang)真結果分析
　　設(she)定流體密度1440kg/m³,粘(zhan)度55mPa·s,流體體積流(liu)量範圍爲0.21至4m³/min,其(qí)中📱0.2Im3/min爲該流體條(tiáo)件下，流量計管(guan)道内層流與湍(tuan)流的分界流量(liang)，4m³/min爲流量計的量(liàng)程❤️範圍上限。仿(páng)真結果如表1所(suǒ)示。
 
　　爲了探究更(gèng)大粘度範圍内(nèi)的流量計計量(liàng)特性，在✌️流體粘(zhān)度35-75mPas範圍内選取(qǔ)35、45、55、65、75mPa:s五個粘度點進(jìn)行仿真計算。圖(tú)9爲流量計儀表(biǎo)系數變化曲線(xiàn)圖，能夠發現整(zheng)體儀表系數曲(qu)線💃呈現先減小(xiǎo)後增大的趨勢(shi)，符合渦輪流量(liang)計儀表系數🔞曲(qu)線的一🐪般特性(xìng)。觀察小流量下(xia)的儀表系👅數曲(qu)線能夠發現，随(suí)着粘度減小，儀(yí)表✍️系數曲線呈(chéng)現整體右移增(zeng)大的趨勢，而在(zài)大流量📞下，能夠(gòu)明顯看出在粘(zhān)度35、45mPars下的儀表系(xi)數要高于55、65、75mPa·s。原因(yīn)✌️主要是粘度減(jiǎn)小導緻流體阻(zu)力減小，從而整(zheng)體葉輪轉速随(suí)之增大，導緻儀(yi)表系數随之增(zeng)大。通過⁉️圖9還可(ke)發現在粘度35、45mPa:s粘(zhān)度相對較低時(shí)，儀表系數相較(jiào)于粘度時的變(bian)化要更爲平緩(huǎn)，線性度更高:在(zài)粘㊙️度55、65、75mPa·s情況下，儀(yí)表系數随着流(liu)量增大而增大(dà)的趨勢更爲明(míng)顯🏃，線性度降低(di)。
 
　　圖10爲葉輪轉速(sù)随體積流量的(de)變化關系圖，發(fā)現葉☂️輪轉速和(he)體積流量呈正(zhèng)比例增大關系(xi)，受粘度變化影(ying)響較小。
　　通過圖(tu)11發現，在流量計(ji)量程範圍内，葉(ye)輪受到的流🏃🏻體(tǐ)阻力随體⭐積流(liu)量Q的增大而增(zēng)大，并呈現指數(shu)關🤩系。随着流體(ti)粘度的增大，葉(yè)輪受到的阻力(lì)随之增大，且在(zài)大流量情況下(xia)，這種趨勢更加(jiā)明顯，而葉輪阻(zǔ)力會降㊙️低葉輪(lun)轉速以及儀表(biǎo)系數，同之前分(fèn)析結果保持一(yī)緻。
4固井實驗驗(yan)證
4.1固井實測條(tiao)件
　　使用圖12所示(shì)的切向式固井(jing)泥漿流量計在(zài)遼甯某💰油❌田油(yóu)‼️井進行數據采(cǎi)集。
　　固井作業現(xiàn)場設備有水泥(ni)灰灌、固井水罐(guàn)車、固井水泥車(chē)以及井口水泥(ní)泵。泥漿流量計(ji)安裝在固井注(zhù)水🛀🏻泥車和井🛀口(kou)水泥泵之間的(de)管道之間，水泥(ni)車将水泥灰和(he)水混合之後成(cheng)爲水泥漿注入(ru)到井下。當水泥(ni)漿從管道流⭐過(guò)時，沖擊流量計(jì)葉輪并發生旋(xuan)轉，并産生脈沖(chong)信号，轉化爲葉(ye)輪轉👅速、瞬時體(ti)積流量等數據(ju)💯傳輸至系統箱(xiāng)，即🏃🏻‍♂️采集得到所(suǒ)需㊙️數據，用來與(yǔ)仿真計算👉結果(guo)對比驗證。其中(zhōng)，泥漿流量計系(xi)💞統箱每12s記錄-次(cì)數♉據。
　　現場對泥(ní)漿粘度的測量(liàng)采用六速旋轉(zhuan)粘度計，六速旋(xuan)轉粘度😄計主要(yào)用來測量固井(jing)作業中水泥漿(jiang)等流體流變參(cān)數，而固井作業(yè)所用水泥漿粘(zhan)度因油井的不(bú)同會有所變🔅化(hua)。
　　所選用進行實(shí)測的泥漿流量(liàng)計管道内徑爲(wèi)50.8mm葉輪半徑18.5mm。油田(tián)進行固井作業(ye)的兩口油井，實(shi)測注入的分别(bie)爲粘度54mPars、密度1500kg/m³以(yi)及粘度50mPars、密度1380kg/m³的(de)兩種水泥泥漿(jiāng)。
4.2仿真數據驗證(zhèng)
　　由于實際固井(jǐng)作業中，穩定工(gōng)況下監測的泥(ni)漿瞬時流量的(de)變化大緻呈階(jie)梯式上升或下(xia)降，記錄間🚶隔太(tài)短的數據之間(jian)🛀🏻較爲接近，不具(jù)有差異性和對(dui)比性。
　　根據現場(chang)作業情況，一次(cì)注入泥漿作業(yè)從開始至結束(shù)，流量計采集到(dao)的大部分穩定(dìng)工況泥漿瞬時(shí)流量在1-2m³/min左右範(fan)圍内☎️，爲了在這(zhe)一流量範圍内(nei)最大程度選取(qǔ)具有對比性的(de)流量點，進行如(ru)下選取:
(1)在粘度(du)54mPas、密度約爲1500kg/m³條件(jian)下選用數據采(cai)集過程中采集(ji)到🚶的瞬時流量(liang)1.66m³/min至1.98m³/min範圍内變化(huà)最爲明顯的5個(gè)流量點作爲仿(pang)真計算的輸🐉入(rù)條件，計算結果(guǒ)如表2所示。
(2)用同(tong)樣方法選取粘(zhān)度50mPa·s、密度1380kg/m³條件下(xia)采集到的瞬時(shi)流量1.05-2.15m/min範圍内🔴的(de)5個流量點，設定(dìng)實際選用的流(liú)量計結構💜參數(shù)以及流體參數(shù)✏️，計算結果如表(biǎo)3所示。
 
　　将實際固(gu)井作業中采集(ji)到的兩組葉輪(lún)轉速數據和🤩仿(pang)🌍真結果進行對(dui)比，最大誤差爲(wèi)2.9%，最小誤差0.2%，平均(jun1)誤差1.38%，仿真數據(jù)和實⭕測數據較(jiào)爲接近，認爲所(suo)建立的仿真模(mo)型具有精度🈲。
5結(jié)論
　　針對固井工(gong)程所用的切向(xiang)式渦輪流量計(ji)建立了驅動力(li)矩🌂、阻力矩的數(shù)學模型，并在此(cǐ)基礎推導出儀(yí)表系數K的數學(xué)模型，發現粘度(du)變化會對流量(liàng)計儀表系數造(zao)成影響，使固井(jǐng)工程流量計量(liang)作業有㊙️了理論(lùn)依據。
　　建立6DOF流體(ti)仿真模型，對流(liu)量計體積流量(liàng)0.21-4m³/min量程範圍内，流(liú)體粘度🔆35、45、55、65、75mPa·s的流體(tǐ)條件分别進行(háng)仿真分析。發現(xiàn)随着粘度減小(xiǎo)，儀表系數曲線(xiàn)呈現整體右移(yí)增大的趨勢，原(yuán)因主要是粘度(du)減小導緻流體(ti)阻力減小，從而(er)整體葉輪轉速(sù)和儀表系數随(suí)之增大。且随着(zhe)🔞粘度增大，儀表(biǎo)系數曲線線性(xìng)度減小。
　　通過實(shí)際固井工程作(zuò)業采集的流量(liang)數據和仿真數(shù)據⛹🏻‍♀️進行對比分(fèn)析，最大誤差爲(wèi)2.9%，最小誤差0.2%，平均(jun)誤差1.38%，驗證了💜仿(páng)真模型的正确(què)性，爲固井泥漿(jiāng)流量計的研究(jiu)提供了依據。

本(ben)文來源于網絡(luò),如有侵權聯系(xì)即删除！