摘要:固井(jǐng)泥漿流量計(ji) 是應用在油(you)田固井工程(cheng)中進行泥漿(jiang)流量計量的(de)儀器，屬于切(qiē)向式渦輪流(liú)量計 。爲探究(jiu)流體條件對(duì)其計量特性(xìng)的影響機理(lǐ)，首先🔴建立流(liú)量計葉輪驅(qū)動力矩和阻(zǔ)力矩的數學(xué)模型✍️，在此基(ji)礎上建立儀(yi)🍉表系數K的模(mó)型，并發現流(liú)體粘度是影(yǐng)響因素之一(yi)。其次，考慮到(dào)實際固井作(zuò)業中，粘度對(duì)儀表計量特(tè)性的影響規(gui)律較爲複雜(za)，因此使用有(you)限元分析軟(ruan)件，建⭐立6DOF葉輪(lún)被動旋轉流(liú)體仿真計算(suan)模型，對多種(zhǒng)流體粘度35、45、55、65、75mPas條(tiao)件下的流場(chǎng)特性以及儀(yi)表系數特性(xing)進行仿真分(fen)析🔆，總結粘度(du)變化對流量(liang)計計量特性(xing)的影響規律(lǜ)。最後通🐉過實(shí)際采集的固(gu)井測量數據(ju)和仿真數🈲據(jù)進行比較，平(ping)均誤差爲1.38%，驗(yan)證了建立🔱的(de)仿真模型的(de)有效性。
0引言(yán)
　　随着社會生(sheng)産力的發展(zhǎn)，在石油氣、醫(yī)療衛生以及(jí)工業生産等(deng)🔞衆多領域，對(dui)于流體介質(zhì)的計量要求(qiú)越來越高。在(zai)油💰田固井工(gong)程中，固井質(zhì)量直接決定(dìng)🌈油井在後續(xu)作中的安全(quán)性和可靠性(xing)，而在固井作(zuò)業中，鑽井液(yè)、水泥漿等流(liu)體注入的體(ti)積精度會直(zhí)接影響固井(jǐng)作業的質量(liàng)。
　　渦輪流量計(jì)爲固井工程(chéng)中進行流量(liàng)計量的重要(yao)裝置，渦輪流(liu)量計具有耐(nài)用、計量正确(què)、響應速度快(kuai)、計量🌐範圍廣(guǎng)等特點，分爲(wèi)切向式渦輪(lun)流量計和軸(zhou)向式渦輪流(liú)量計，軸向式(shì)渦輪流量較(jiao)爲常用，其内(nèi)部包含前導(dǎo)流件、旋轉葉(ye)輪、後導流件(jian)以及電磁感(gǎn)應裝置，尤其(qí)葉輪部分結(jié)構比較複雜(za)，這些結構特(te)性使軸向式(shi)渦輪流量計(jì)隻能夠計量(liang)純液體或氣(qì)體。而切向式(shi)渦輪流量計(jì)葉輪結構相(xiàng)對簡單，能夠(gou)适應雜質較(jiao)多的泥漿等(děng)流體的計量(liang)工作。實際固(gu)井中分爲多(duō)個階段，需分(fen)别注🥰入不同(tóng)組分構成的(de)📧鑽井液、替井(jing)液、水泥漿等(deng)流體介質，并(bìng)且⁉️根據油井(jǐng)的不同，注入(ru)🆚的流體的密(mi)🏃度⭐、粘度等參(can)數都在一定(ding)💘範圍内波動(dong)，流體密度大(dà)緻在1000-1800kg/m³,粘度大(da)緻在45-65mPas範圍内(nei)波動，不同✍️的(de)流體條件會(huì)對計量結果(guǒ)⛱️産生較大影(ying)響，并且流量(liàng)計的結構尺(chǐ)寸也會對⭐結(jié)果産生重大(da)影響。目前針(zhēn)對渦輪流量(liang)計的🚩研究重(zhòng)✍️點主要集中(zhōng)在通過優化(huà)儀表系數K的(de)數學模型化(hua)葉輪尺寸、改(gǎi)進結構材料(liao)等工作來提(tí)🈲高計量精度(dù)。
　　針對渦輪流(liú)量計的理論(lùn)研究方法，國(guó)内外學者做(zuo)出了大量研(yán)究并且已經(jīng)形成完整的(de)理論體系。POPE[81基(jī)于Lee建立的渦(wō)輪‼️流量計數(shu)學模型進行(hang)擴展，以考慮(lü)轉子上的流(liu)體阻力、軸🌈承(chéng)靜态阻力和(hé)軸承粘性阻(zǔ)力。Ball9研究表明(míng)在層流段渦(wo)輪流🤟量計K值(zhí)随雷諾數增(zeng)加而增加。
　　但(dan)是大部分理(lǐ)論模型都是(shi)針對傳統軸(zhóu)向式渦輪流(liu)量計所建立(lì)，對于在油田(tián)固井工程中(zhōng)的具有特殊(shu)結構的切向(xiang)🔴式渦💃🏻輪流🤩量(liàng)計，并沒有針(zhēn)對性的理論(lun)模型。本文采(cǎi)用微元🎯法對(dui)切向式葉輪(lún)進行流體🌏沖(chòng)擊下的受力(li)分析，并分析(xī)受到的流體(ti)♉阻力矩，建立(lì)針對性的🛀切(qiē)向式渦輪流(liú)量計儀表系(xì)數模型。基于(yú)有限元流🔆體(ti)仿真軟件，在(zai)不同流體粘(zhān)度條🚩件下，進(jin)行流量計内(nei)部👈流場分析(xī)，總結不📧同流(liu)體條件對流(liú)量計計量特(tè)性的💜影響。
1儀(yí)表系數數學(xué)模型建立
　　圖(tu)1爲切向式固(gu)井泥漿流量(liàng)計葉輪在流(liu)體沖擊狀态(tài)下的力矩分(fen)析圖。葉片上(shang)受到流體沖(chòng)擊産生的驅(qū)動力矩T，同時(shi)由于在流量(liang)計腔體在工(gong)作狀态下充(chong)滿流📞體将整(zheng)個葉輪包圍(wéi)在其中，所以(yǐ)葉輪在轉🆚動(dong)的同時㊙️會受(shou)到流體帶來(lai)的流體阻力(lì)矩Trf。由于研究(jiu)所用的切向(xiàng)式流量計葉(yè)輪和軸之間(jiān)采用軸承支(zhī)撐，軸與軸承(cheng)之間存在縫(feng)隙，在工作狀(zhuàng)态下也會充(chōng)滿流體産生(shēng)縫☔隙間的液(yè)體粘性🍉阻力(lì)矩Tm。而葉輪頂(dǐng)端在轉動時(shí)與流🔞量計内(nei)壁會形成⛷️環(huán)形間隙，從而(er)産生葉片頂(dǐng)端與殼體内(nei)壁🐪間的液體(ti)粘性阻力🌏矩(jǔ)T10]。感應元件帶(dai)來的電磁反(fan)應阻力矩可(kě)❤️忽略不計🐉。
 
　　根(gen)據動量矩定(ding)理，可以寫出(chū)葉輪的運動(dong)方程"，如式(1)
 
式(shì)中:J爲葉輪轉(zhuǎn)動慣量;o爲葉(ye)輪旋轉角速(sù)度;
　　當渦輪流(liu)量計達到穩(wěn)定工況時,渦(wō)輪流量計受(shòu)到的合力🌈矩(jǔ)趨近于0,葉輪(lun)旋轉的角加(jia)速度也趨近(jin)于0,則有:
 
1.1驅動(dong)力矩
　　由于葉(yè)輪受到的驅(qū)動力矩Tg是流(liu)體沖擊葉輪(lún)葉片✔️産生的(de)👌，使用微元法(fǎ)對葉輪上一(yi)個葉片進行(háng)分析，在葉📐片(pian)上取半徑爲(wei)r處葉👅片微元(yuán)。半徑r處的葉(yè)片微元上所(suo)🆚受到的驅動(dong)力dF可表示爲(wei):
 
式中:ρ表示流(liu)體的密度,單(dan)位:Kg/m³;Q表示流體(ti)的體積流量(liang)，單位:m³/min。
所以，半(ban)徑r處的葉片(pian)微元上所受(shòu)到的驅動力(lì)矩dTd可表示爲(wèi):
 
根據葉片結(jié)構，對葉片長(zhang)度範圍内進(jìn)行積分得:
 
　　式(shi)中:v1爲流量計(jì)進口流體平(píng)均速度;v2爲傳(chuan)感器出口流(liu)體平均速度(du);a1爲v1與半徑r處(chù)的圓周速度(du)u之間的夾角(jiǎo):a2爲以與半徑(jìng)r處的圓周速(su)度u之間的夾(jiá)角。
　　流量計進(jìn)口的平均速(sù)度v1表示爲:
 
　　式(shi)中:A爲流量計(ji)内流道橫截(jie)面積，單位:1m²。
　　根(gen)據流體出口(kou)速度三角形(xíng)關系可知:
 
　　式(shi)中:n爲單位時(shi)間内渦輪轉(zhuan)數，單位:r/s，則有(yǒu):
 
　　代入式(5)得到(dào)驅動力矩表(biao)達式:
 
　　式中:rh爲(wèi)葉片頂端半(bàn)徑，rk爲葉片底(dǐ)端半徑，rb爲葉(ye)輪伸出在流(liu)🍓量計管道内(nei)部分的最小(xiao)長度。
1.2流體阻(zu)力矩
　　在葉片(piàn)轉動時，流體(ti)沖擊在葉輪(lun)上産生相互(hù)作用，産💛生阻(zu)礙🌈葉輪轉動(dòng)的粘滞力，根(gen)據以往對于(yú)渦輪流量🏃‍♂️計(ji)流👣體阻力矩(jǔ)的研究，實際(ji)流體阻力矩(ju)與流體體積(ji)🛀🏻流量呈現指(zhǐ)數關系。由王(wáng)振等121關于切(qiē)向式♈流量計(jì)的研究，經過(guò)簡化得流體(ti)流動阻力矩(ju)Trf:
式中:C爲隻與(yǔ)結構參數有(you)關的比例系(xì)數。
1.3軸與軸承(cheng)的粘性摩擦(ca)阻力距
　　在研(yan)究所用切向(xiang)式固井泥漿(jiang)流量計的葉(ye)輪與軸♻️之⚽間(jiān)采用軸承鏈(lian)接，軸與軸承(cheng)内徑之間存(cun)在一定間隙(xi)，在流量計的(de)工作狀态下(xia)，流量計腔體(ti)内充滿流體(ti)，從而軸與葉(ye)輪内孔的間(jiān)隙也會充滿(man)流體，所以葉(ye)輪會受到流(liu)體與内孔表(biǎo)面間的粘㊙️性(xing)阻力矩Tm。由于(yú)兩者之間的(de)間隙很小，可(kě)以将縫隙間(jiān)的液體流動(dong)狀态看作是(shì)層流狀态，因(yin)此的表達式(shì)如👉式(12)所示:
 
　　式(shì)中:L表示軸與(yǔ)葉片參與摩(mó)擦部分的長(zhang)度，單位爲m;.
v表(biao)示運動粘度(dù),單位爲mm2/s;
ɷ-角速(su)度，單位:rad/s。
1.4葉輪(lún)頂端與殼體(ti)内壁間的流(liú)體粘性阻力(lì)矩
　　在工作狀(zhuàng)态下，葉輪在(zài)流體沖擊下(xià)産生高速旋(xuan)轉，由⛷️于研究(jiu)所采用的渦(wō)輪流量計特(te)有的内部結(jie)構☀️，六片式的(de)葉輪㊙️的上半(bàn)部分被殼體(tǐ)内壁所包圍(wéi)，而葉輪的下(xia)半部分暴露(lu)在流量計腔(qiāng)體的管道部(bù)分内，而被包(bao)裹的部分在(zài)高速轉動下(xià)和殼👣體内壁(bì)形成了半環(huán)形的區域，和(hé)軸與葉輪間(jian)隙産生的環(huán)形區域類似(sì)，半🧑🏾‍🤝‍🧑🏼環形區域(yù)内同樣✏️充滿(mǎn)了流體，對葉(ye)輪産生了粘(zhān)性阻力矩7b,但(dan)是由于葉輪(lún)🈲其中一半結(jie)構♋不與殼體(tǐ)内壁産生環(huan)形區域，故葉(yè)輪🏃🏻頂部與殼(ké)體内壁間的(de)流體粘性阻(zǔ)🙇🏻力矩本文隻(zhi)考慮半環形(xing)區域産生的(de)液體粘性阻(zǔ)力矩。給出葉(ye)輪頂部與殼(ke)體内壁間的(de)流體粘性摩(mó)擦阻🌈力距表(biao)達式。如式(13)所(suǒ)示。
 
1.5儀表系數(shù)K
　　儀表系數K是(shì)表征渦輪流(liú)量計測量特(tè)性最重要的(de)參數，通常将(jiang)傳感器輸出(chu)顯示的脈沖(chong)信号率f和單(dan)位時間内的(de)體積流量Q的(de)比值定義爲(wèi)K。
 
　　通過式(17)能夠(gòu)看出，切向式(shì)泥漿流量計(ji)的儀表系數(shù)不僅受到葉(ye)輪結構尺寸(cun)的影響，在相(xiang)同工況和流(liu)量計🐕結構尺(chi)寸下，也😘會受(shou)🚶‍♀️到流體運動(dòng)粘度v變化的(de)🌈影響，而當流(liú)體👅密度的相(xiàng)同時，儀表系(xi)數則受到動(dong)力粘度η的影(ying)響。
運動粘度(du)以及動力粘(zhān)度的關系如(ru)式(18)所示:
 
　　式中(zhong):η表示動力粘(zhān)度，單位爲mPa·s;v表(biao)示運動粘度(dù),單位爲mm2/s;p表‼️示(shì)密度👄，單位爲(wèi)kg/m3。
　　實際工況下(xia)，粘度對渦輪(lun)流量計的影(ying)響情況較爲(wei)複雜，結合上(shang)述理論分析(xī)結果，本文采(cai)用流體仿真(zhen)的方☔式對流(liú)體粘度⛱️和儀(yí)表系數變化(hua)之間的關系(xi)進行探📐讨。
2流(liú)量計流場分(fen)析
2.1内流道三(sān)維模型建立(li)
　　計算流體力(lì)學(computationalfluiddynamics,CFD)是就流量(liàng)計流場特性(xing)最有效的方(fang)法♌之。GUO等1[13-14使用(yong)CFD仿真計算方(fāng)法對不同流(liu)體粘度、葉片(pian)結構參數對(duì)流量計計量(liang)影響規律進(jin)行探究，證明(míng)了使用CFD方法(fa)的正确率。
建(jiàn)立流量計内(nei)流道和旋轉(zhuǎn)葉輪的三維(wei)模型，并進行(hang)計算區💚域劃(huà)分，如圖2所示(shi)。
 
　　對于靜止區(qū)域采用2mm尺寸(cùn)的網格,旋轉(zhuǎn)域和靜止域(yù)之👅間采💚用itereface接(jiē)觸對進行連(lian)接,靜止域中(zhong)近interface面處的網(wǎng)格尺寸設爲(wèi)1mm。對于旋轉域(yu)的網格進行(hang)細化，尤其是(shì)近葉輪壁面(mian)的🤞位置，以保(bǎo)證流體沖擊(jī)在葉片壁面(mian)上的計算精(jing)度，旋轉域的(de)網格📱尺寸設(she)置❓爲1mm,旋轉域(yu)中近葉輪壁(bì)㊙️面部分的的(de)網格尺寸設(shè)置爲0.5mm。平均網(wǎng)格質量爲0.83左(zuo)右，滿足計算(suan)要求。劃分後(hòu)的網格模型(xíng)如圖3所示🐅。
 
2.2計(jì)算條件設置(zhì)
　　管道進口處(chu)設爲速度進(jìn)口(velocty-inlet),管道出口(kǒu)處設爲壓力(li)出口📧(pressure-outlet)，旋轉💜域(yu)和靜止域連(lián)接的壁面設(she)置3個interface接觸對(duì)，來實現旋🏃‍♂️轉(zhuan)域和靜😍止域(yu)之間的數據(ju)交互，壁面附(fù)近采用标準(zhǔn)壁面函數。選(xuǎn)用RNGk-ε湍流模型(xíng)進行渦輪流(liu)量計的仿真(zhēn)分析。動網格(ge)更新方式選(xuan)擇🈚Smoothing(光順)和Remeshing(網(wǎng)👄格重構)，爲了(le)讓葉輪在流(liu)體沖擊狀态(tai)下能夠繞着(zhe)👅旋轉軸旋轉(zhuǎn)，選擇SixDOF(六自由(you)度)來定義旋(xuan)轉部件的運(yun)動，使葉輪在(zài)受到外力情(qing)況下可以發(fa)生運動。
2.3仿真(zhēn)儀表系數預(yù)測方法
　　力矩(ju)平均值法通(tong)過提取若幹(gan)周期内的力(lì)矩系數，計算(suan)☎️其🏃‍♂️平均值，當(dāng)平均值的數(shù)量級低于設(shè)定值時，判定(ding)力矩基本☁️受(shòu)力平衡。但是(shì)此方法的局(jú)限在于所監(jian)測的力矩系(xi)數沒有達到(dao)理想範圍時(shí)，需要在計算(suàn)過程中不斷(duan)在邊界條件(jiàn)裏修改葉👈輪(lun)轉速o，這種方(fang)法具有一定(ding)程度的🔴試探(tàn)性，獲取數據(ju)過程繁瑣，增(zeng)加了後處理(lǐ)過程的成本(ben)。張永勝等17]提(ti)出🌂使用6DOF流體(ti)仿真模型，模(mo)拟葉輪在流(liú)體沖擊狀态(tai)下的真實工(gong)況。本文采用(yong)的😄6DOF模型實現(xian)了葉輪⭐被動(dong)旋轉，根據實(shí)際工況直接(jiē)對管道進口(kǒu)速度v進行設(she)置，計算♋之後(hòu)通過觀察實(shí)時的力矩系(xì)數和表面阻(zu)力變化🈲曲線(xian)，便可直接判(pan)斷渦輪♌流🍉量(liàng)計處于穩定(dìng)工況的⭐時刻(kè),從而獲取穩(wěn)定工況時的(de)轉速、力矩系(xi)數、表面阻力(lì)等數☂️據，.大大(dà)減少了計算(suàn)成💚本，并能🔴最(zuì)大程度💘保證(zheng)仿真的真實(shi)性與合理性(xing)。
　　當渦輪流量(liang)計達到穩定(dìng)工況時，流量(liang)的葉輪轉速(su)也應趨于一(yi)穩定值，進而(er)儀表系數K也(yě)趨于一穩定(dìng)值108]。在流量計(ji)的仿真過程(chéng)中，爲了得到(dào)穩定空工況(kuàng)🈚下的葉輪轉(zhuǎn)速，對葉輪的(de)旋轉軸進行(hang)力矩系數Cm和(hé)葉片表面阻(zu)力drag的監控。計(jì)算過程受到(dào)葉♻️輪本身的(de)結構特點影(ying)響，力矩系數(shù)Cm和葉片表面(mian)💋阻力drag的值都(dou)呈現周期性(xing)變👨‍❤️‍👨化，因此提(tí)取Cm和drag值波動(dòng)趨于平穩後(hòu)的6個周期内(nei)的變化數據(jù)，計算其周🌈期(qi)算數平均值(zhí)，當⁉️Cm的周期平(píng)均值值💔小于(yu)某一-量級最(zuì)大限度趨近(jin)于0時，則認爲(wèi)此時渦輪😍流(liú)量計🔞處于穩(wen)定工況。圖4爲(wei)仿真達到穩(wen)定狀态時截(jié)♋取的力矩系(xì)數變化圖。
 
3流(liú)場特性分析(xī)
　　通過圖5所示(shi)的流量計三(sān)維流場速度(du)矢量圖發現(xiàn)💋，流量計管💋道(dào)内部流場變(bian)化最複雜的(de)地方發生在(zài)葉輪下半部(bu)分與流體直(zhí)接沖擊的位(wei)置，流體高速(su)沖擊至🏒葉輪(lun)表面，在推動(dong)葉輪轉動的(de)同時，流體向(xiang)兩側邊緣和(hé)葉片頂🔴端流(liú)出，由于葉片(piàn)邊緣呈直角(jiao)✏️過度，在此處(chù)流體速度發(fā)🌈生小範圍的(de)急升，會對葉(yè)輪葉片邊緣(yuan)造成更大沖(chong)擊。
 
　　沿流量計(jì)内道方向設(she)定截面，以方(fang)便觀察流量(liàng)計管道内部(bù)的流場狀況(kuàng)。通過速度場(chǎng)雲圖可知，流(liu)體從圖片右(yòu)側管道入口(kou)流入，由于泥(ní)漿爲不可壓(yā)縮流體，所以(yi)在速度入口(kǒu)處不設置進(jìn)口壓力。在管(guan)道内壁處，由(you)🌂于流體本身(shen)存在粘性，會(huì)産生粘性邊(bian)界層，從圖6可(kě)以看出管道(dào)内流速由内(nei)壁向管道中(zhong)心✏️逐漸增大(dà)，而在旋轉域(yu)部分，即葉輪(lún)區域附近出(chū)的邊界層要(yào)相對厚一些(xiē)，但是由于葉(ye)輪本身的結(jie)構🈲特點，葉輪(lun)兩側距離壁(bì)面有較大空(kong)隙，邊界層不(bú)會對葉輪本(ben)身的轉動産(chan)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻生影響。
3.1速度(dù)場分析
　　在體(tǐ)積流量1.2m³/min、流體(tǐ)密度1250kg/m³流體條(tiáo)件下進行仿(páng)真計算。通過(guò)圖6所示的流(liu)場速度雲圖(tú)能夠發現流(liu)場分布比較(jiào)複雜的部🏃分(fèn)主👨‍❤️‍👨要集中在(zài)葉輪表面附(fu)近，尤其是葉(ye)輪結構直接(jiē)暴露在腔體(ti)管道中的部(bu)分。流體從右(you)側高速沖擊(jī)在葉輪葉片(pian)上，對葉輪葉(yè)片施加🔴壓力(li)，然後從葉片(piàn)兩邊和下方(fang)流出。然而在(zài)流體直接沖(chong)擊到的♻️葉💃片(piàn)頂部區域發(fā)♈生了速度場(chang)的突變,這是(shì)由切向式葉(ye)輪的結構特(te)性所決定的(de)。
　　能夠發現在(zài)相同條件下(xià),粘度65mPa·s下的葉(yè)輪附近最大(dà)速度爲👨‍❤️‍👨27.5m/s,略高(gāo)于粘度45mPas下的(de)26.5m/s,粘度的升高(gao)導緻了流場(chǎng)流速的整體(ti)升高。分析其(qí)原因爲粘度(dù)的升高使葉(ye)輪頂隙流體(tǐ)粘性阻力增(zeng)大，減小了間(jiān)隙中的流體(ti)流量，從而使(shǐ)葉片表面流(liu)量增加，導緻(zhi)葉輪轉速小(xiǎo)🔆幅上升。
 
3.2壓力(lì)場分析
　　通過(guo)圖7所示的流(liu)量計的截面(mian)壓力雲圖可(ke)知，渦輪流量(liàng)計正常作業(yè)時，整個腔體(tǐ)内的壓力分(fen)布較爲較爲(wei)均勻,壓力場(chǎng)變化較大的(de)地方發生在(zài)葉輪葉🚶片與(yǔ)流☔體發生沖(chong)擊的--側，最大(da)⚽壓力集中在(zai)葉片表面附(fu)近，粘🚶‍♀️度65mPa·s.條件(jiàn)下🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，葉輪表面(miàn)處的最大♈壓(yā)力達到0.256MPa，高于(yu)粘度45mPa·s條件下(xià)的0.195MPa，壓力從葉(yè)片表面向外(wài)逐漸較小。流(liu)體粘度的升(shēng)高使葉輪附(fu)近流體阻力(li)矩增大，導緻(zhi)作用在葉片(piàn)表面的推動(dong)力增大，從而(er)葉片受到的(de)壓力增大。
 
3.3葉(ye)片表面壓力(li)分析
　　通過圖(tu)8所示的葉片(pian)表面的壓力(li)分布圖可知(zhī)，在葉輪處于(yu)穩定工況力(li)矩平衡狀态(tài)下時，葉片上(shang)最大壓力主(zhu)要集中在葉(yè)片根部和葉(yè)片表面中心(xin)位置處，向着(zhe)葉片邊緣位(wèi)置逐漸減小(xiǎo)。這是由于葉(yè)片本身的平(píng)面結構所導(dǎo)緻，葉片表💞面(mian)壓力分布不(bú)均勻，無法對(duì)來流的沖擊(jī)做出🌈很好的(de)瞬時響應。
 
3.4仿(pang)真結果分析(xi)
　　設定流體密(mì)度1440kg/m³,粘度55mPa·s,流體(tǐ)體積流量範(fàn)圍爲0.21至4m³/min,其中(zhōng)0.2Im3/min爲該流體條(tiao)件下，流量計(jì)管道内層流(liu)與湍流的分(fen)🐇界流量，4m³/min爲流(liú)量計的量程(chéng)範圍上限。仿(páng)真結果如表(biǎo)1所示。
 
　　爲了探(tan)究更大粘度(dù)範圍内的流(liu)量計計量特(tè)性，在流體粘(zhan)度💜35-75mPas範圍内選(xuan)取35、45、55、65、75mPa:s五個粘度(du)點進行仿真(zhen)計算。圖9爲流(liú)量計儀表系(xì)數變化曲線(xiàn)圖，能夠發現(xiàn)整體儀表系(xi)🏃‍♂️數曲線呈現(xiàn)先減小後增(zeng)大的趨勢，符(fu)合渦輪流量(liang)計儀表系數(shù)曲線的一般(bān)特性。觀☁️察小(xiao)流量下的儀(yí)表系數曲線(xian)能夠發現，随(sui)着粘度減小(xiǎo)，儀表系數曲(qǔ)線呈現整體(ti)右移增大的(de)趨勢，而在大(da)🛀流量🔞下，能夠(gòu)明🔴顯看出在(zai)粘度35、45mPars下的儀(yí)表系數要高(gāo)于55、65、75mPa·s。原因主要(yào)是粘度減小(xiao)💚導緻流體阻(zǔ)力減小，從而(er)整體葉輪轉(zhuan)速随之增大(dà)，導緻儀表系(xi)數随之增大(da)。通過💰圖9還可(ke)發現在粘🛀度(du)35、45mPa:s粘度相對較(jiao)低時，儀表系(xi)數相較于粘(zhān)度時的變化(huà)要更爲平緩(huan)，線性度更高(gao):在粘🌏度55、65、75mPa·s情況(kuang)下，儀表系數(shù)随着流量增(zeng)大而增大的(de)趨勢更爲明(ming)顯，線性度降(jiàng)低。
 
　　圖10爲葉輪(lún)轉速随體積(ji)流量的變化(hua)關系圖，發現(xiàn)葉輪🌂轉速和(hé)體積流量呈(cheng)正比例增大(da)關系，受粘度(dù)變化影💃響較(jiào)小。
　　通過圖11發(fa)現，在流量計(jì)量程範圍内(nèi)，葉輪受到的(de)流體阻力随(suí)體🤞積流量Q的(de)增大而增大(da)，并呈現指數(shù)關🍓系。随着流(liu)體粘度的增(zeng)大💰，葉輪受到(dao)的阻力随之(zhī)增大，且在大(dà)流量⭐情況下(xià)，這種趨勢更(gèng)加明顯，而葉(yè)輪阻力會降(jiàng)低葉輪轉速(sù)以及儀表系(xi)數，同之前分(fèn)析🛀🏻結果保持(chi)一緻。
4固井實(shi)驗驗證
4.1固井(jing)實測條件
　　使(shǐ)用圖12所示的(de)切向式固井(jǐng)泥漿流量計(jì)在遼甯某油(yóu)田油🧡井進🌈行(háng)數據采集。
　　固(gu)井作業現場(chǎng)設備有水泥(ni)灰灌、固井水(shuǐ)罐車、固井🚶水(shuǐ)✔️泥車以及井(jing)口水泥泵。泥(ni)漿流量計安(an)裝在固井🏒注(zhù)水泥車和井(jǐng)口水泥泵之(zhi)間的管道之(zhi)間，水泥車✨将(jiāng)水泥灰和水(shuǐ)混合之後成(chéng)爲水泥漿注(zhu)入到井下。當(dang)水泥漿從管(guan)道流過時，沖(chòng)擊流量計葉(yè)輪并發生旋(xuán)轉，并産生脈(mò)沖信号，轉⭐化(hua)爲葉輪轉速(su)、瞬時體積流(liu)量等數據傳(chuan)輸至系統箱(xiāng)，即采集得到(dao)所需數據，用(yòng)來與仿真計(jì)算結果對比(bi)驗證。其中，泥(ní)漿流量計系(xì)統箱每12s記錄(lu)-次數據。
　　現場(chang)對泥漿粘度(du)的測量采用(yòng)六速旋轉粘(zhan)度計，六速旋(xuan)轉粘度計主(zhu)要用來測量(liang)固井作業中(zhong)水泥漿等流(liu)體流變參🏃‍♂️數(shù)，而固井作業(ye)所用水泥漿(jiang)粘度因油井(jing)的不同會👣有(yǒu)所變化。
　　所選(xuan)用進行實測(ce)的泥漿流量(liàng)計管道内徑(jing)爲50.8mm葉輪🔴半徑(jìng)18.5mm。油🐪田進行固(gu)井作業的兩(liǎng)口油井，實測(cè)注入的分别(bié)爲粘度54mPars、密🐪度(dù)1500kg/m³以及粘度50mPars、密(mi)度1380kg/m³的兩種水(shuǐ)泥泥漿。
4.2仿真(zhen)數據驗證
　　由(yóu)于實際固井(jing)作業中，穩定(dìng)工況下監測(ce)的泥漿瞬時(shí)流量的變化(hua)大緻呈階梯(tī)式上升或下(xià)降，記錄間隔(ge)太短的數據(jù)之間較爲接(jiē)近，不具有差(cha)異性和對比(bi)性。
　　根據現場(chǎng)作業情況，一(yī)次注入泥漿(jiāng)作業從開始(shǐ)至結束，流量(liang)計采集到的(de)大部分穩定(ding)工況泥漿瞬(shùn)時😄流量在1-2m³/min左(zuo)右範圍内，爲(wèi)了🥰在這一流(liu)量範圍内最(zui)大程度選取(qǔ)具有對比性(xing)💞的流量點，進(jin)行如下選取(qǔ):
(1)在粘度54mPas、密度(dù)約爲1500kg/m³條件下(xia)選用數據采(cǎi)集過程中采(cǎi)集到的瞬⛷️時(shi)流量1.66m³/min至1.98m³/min範圍(wéi)内變化最爲(wèi)明顯的5個流(liú)🔅量點作爲仿(pang)真計算的輸(shū)入條件，計算(suàn)結果如表2所(suǒ)🍓示。
(2)用同樣方(fāng)法選取粘度(du)50mPa·s、密度1380kg/m³條件下(xià)采集到的瞬(shùn)時🏃🏻流量1.05-2.15m/min範圍(wéi)🎯内💰的5個流量(liang)點，設定實際(ji)選用的流量(liàng)計🤟結構參數(shu)⭐以及流體參(cān)數❄️，計算結果(guo)如表3所示。
 
　　将(jiāng)實際固井作(zuo)業中采集到(dao)的兩組葉輪(lún)轉速數據和(hé)仿真結🌈果✏️進(jìn)行對比，最大(da)誤差爲2.9%，最小(xiǎo)誤差0.2%，平均誤(wu)差1.38%，仿真數據(jù)🈲和實測數據(jù)較爲接近，認(ren)爲所建立的(de)仿真模型具(jù)有精度。
5結論(lun)
　　針對固井工(gōng)程所用的切(qiē)向式渦輪流(liu)量計建立了(le)驅動力矩、阻(zǔ)力矩的數學(xue)模型，并在此(cǐ)基礎推導出(chū)儀表系數K的(de)數學模🐪型，發(fā)現粘度變化(huà)會對流量計(ji)儀表系數造(zao)成影響，使🚶固(gù)井工程流量(liang)計量作業有(yǒu)了理論依據(ju)。
　　建立6DOF流體仿(pang)真模型，對流(liú)量計體積流(liú)量0.21-4m³/min量程範圍(wei)内，流體粘度(dù)35、45、55、65、75mPa·s的流體條件(jiàn)分别進行仿(páng)真分析。發現(xiàn)随着粘度減(jian)小，儀表系數(shù)⭕曲線呈現整(zhěng)體右移增大(da)的趨勢，原因(yin)主要是粘度(du)減小導緻流(liú)體阻力減小(xiǎo)，從而整體🌈葉(ye)輪轉速和儀(yi)表系數随之(zhi)增大。且随着(zhe)👅粘度增大，儀(yí)表系數曲線(xiàn)線性度減小(xiao)。
　　通過實際固(gù)井工程作業(ye)采集的流量(liang)數據和仿真(zhen)🥰數據進行對(duì)比分析，最大(da)誤差爲2.9%，最小(xiǎo)誤差0.2%，平均誤(wu)差1.38%，驗證了仿(pang)真模型的正(zhèng)确性，爲固井(jing)泥漿流量計(jì)的研究提供(gòng)了依據。

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