摘要:固井(jing)泥漿流量(liang)計
是應用(yong)在油田固(gu)井工程中(zhong)進行泥漿(jiang)流量計量(liang)的⛱️儀器，屬(shu)于📐切🔞向式(shi)渦輪流量(liang)計
。爲探究(jiu)流體條件(jian)對其計量(liang)特性的影(ying)響機理，首(shou)先建立🐇流(liu)量計葉輪(lun)驅動力矩(ju)和阻力矩(ju)的數學模(mo)型💛，在此基(ji)礎上建立(li)儀表系數(shu)K的模型，并(bing)發現流體(ti)粘☎️度是影(ying)響因素之(zhi)一。其次，考(kao)慮到實際(ji)固井作業(ye)中，粘度對(dui)儀表計量(liang)特性的影(ying)響規律較(jiao)爲複雜，因(yin)此使用有(you)限元🧑🏾🤝🧑🏼分析(xi)軟件，建立(li)6DOF葉輪被動(dong)旋轉流體(ti)仿🎯真計算(suan)模型，對多(duo)種流體粘(zhan)度👣35、45、55、65、75mPas條件下(xia)的流場特(te)性以及儀(yi)表系數特(te)性進行仿(pang)真分析，總(zong)結粘度變(bian)化🏃對流量(liang)計計量特(te)性的影響(xiang)規律。最後(hou)📧通過實際(ji)采集的固(gu)井測量數(shu)據和仿真(zhen)數🚩據進行(hang)比較，平均(jun)誤差爲1.38%，驗(yan)證了建立(li)的仿真✨模(mo)型的有效(xiao)性💛。
0引言
随(sui)着社會生(sheng)産力的發(fa)展，在石油(you)氣、醫療衛(wei)生以及🚶♀️工(gong)業生産等(deng)衆多領域(yu)，對于流體(ti)介質的計(ji)量要求越(yue)來🔴越高。在(zai)油田固井(jing)工程中，固(gu)井質量直(zhi)接決定油(you)井在✉️後續(xu)作中的安(an)全性和可(ke)靠性，而在(zai)固井作業(ye)中，鑽井液(ye)、水泥漿等(deng)流體注⭕入(ru)的體積⁉️精(jing)度會直✔️接(jie)影響固井(jing)作業的質(zhi)量。
渦輪流(liu)量計爲固(gu)井工程中(zhong)進行流量(liang)計量的重(zhong)要裝置，渦(wo)輪流量計(ji)具有耐用(yong)、計量正确(que)、響應速度(du)快、計量範(fan)圍廣等特(te)點，分爲切(qie)向式渦輪(lun)流量計和(he)軸向式渦(wo)輪流量計(ji)，軸向🙇🏻式渦(wo)輪流量較(jiao)爲常用，其(qi)内部包含(han)前導流件(jian)、旋轉葉輪(lun)、後導流件(jian)以及電磁(ci)感應裝置(zhi)，尤其葉輪(lun)部分結構(gou)比較複雜(za)，這些結構(gou)特性使軸(zhou)向式渦輪(lun)流量計隻(zhi)能🔞夠計量(liang)純液體或(huo)氣體。而切(qie)向式渦輪(lun)流量計📧葉(ye)輪結構相(xiang)對簡單，能(neng)夠👌适應雜(za)質較多的(de)泥漿等流(liu)體的計量(liang)工作。實際(ji)固🔴井中分(fen)爲多個階(jie)段，需📞分别(bie)注入不同(tong)組分構成(cheng)的⭐鑽井液(ye)、替井液、水(shui)泥漿等流(liu)體介質，并(bing)且根據油(you)井的不同(tong)，注入的流(liu)體的密度(du)、粘度等參(can)數都在一(yi)定🐕範圍内(nei)波動，流體(ti)密度大緻(zhi)在1000-1800kg/m³,粘度大(da)緻在45-65mPas範圍(wei)内✏️波動，不(bu)同的流體(ti)條件會對(dui)計量結果(guo)産生較大(da)影響，并且(qie)流量計🌍的(de)結構尺寸(cun)也會對結(jie)果産生重(zhong)大🙇♀️影響。目(mu)前針對渦(wo)輪🈲流量計(ji)的研究重(zhong)點主要集(ji)中在通🐉過(guo)優化儀表(biao)系數K的數(shu)學模型化(hua)葉輪尺寸(cun)、改進結構(gou)材料等工(gong)作來提高(gao)計量精度(du)。
針對渦輪(lun)流量計的(de)理論研究(jiu)方法，國内(nei)外學者做(zuo)出了大量(liang)研究并且(qie)已經形成(cheng)完整的理(li)論體系。POPE[81基(ji)于Lee建立的(de)渦輪流量(liang)計數學模(mo)型進行擴(kuo)展，以考慮(lü)🙇♀️轉子上👣的(de)流體阻力(li)、軸承靜态(tai)阻力和軸(zhou)承粘性阻(zu)力。Ball9研究表(biao)明在層流(liu)段渦輪流(liu)量計K值随(sui)🥰雷諾數增(zeng)加而增加(jia)。
但是大部(bu)分理論模(mo)型都是針(zhen)對傳統軸(zhou)向式渦輪(lun)流量✊計所(suo)☁️建立，對于(yu)在油田固(gu)井工程中(zhong)的具有特(te)殊結構的(de)切向式渦(wo)輪流量計(ji)，并沒有針(zhen)對性的理(li)論模型。本(ben)文采用微(wei)元法對切(qie)向式葉輪(lun)進行流體(ti)🛀🏻沖擊下的(de)受力分析(xi)，并分析受(shou)到的流體(ti)阻力矩，建(jian)立針對性(xing)的切向式(shi)渦輪🌂流量(liang)計儀表系(xi)數模型。基(ji)于有限元(yuan)流體🔅仿真(zhen)軟件，在不(bu)😍同流體粘(zhan)度條件下(xia)，進行流量(liang)計内部🧑🏽🤝🧑🏻流(liu)場分🌏析，總(zong)結不同流(liu)體條件對(dui)流量計計(ji)量特性的(de)🏃♀️影響。
1儀表(biao)系數數學(xue)模型建立(li)
圖1爲切向(xiang)式固井泥(ni)漿流量計(ji)葉輪在流(liu)體沖擊狀(zhuang)态下的🌐力(li)矩分析圖(tu)。葉片上受(shou)到流體沖(chong)擊産生的(de)驅動力矩(ju)T，同時🎯由于(yu)在流量計(ji)腔體在工(gong)作狀态下(xia)充滿流體(ti)将整個葉(ye)輪👣包圍在(zai)其中，所以(yi)葉輪在轉(zhuan)動的同時(shi)會受到流(liu)體帶來的(de)流體阻力(li)矩Trf。由于研(yan)📧究所用的(de)切向式流(liu)量計葉輪(lun)和軸之間(jian)采用軸承(cheng)支撐，軸與(yu)軸承🤩之間(jian)存在縫隙(xi)🌈，在工作狀(zhuang)态下📧也會(hui)充滿流體(ti)産生縫隙(xi)間的液體(ti)粘性阻力(li)矩Tm。而葉輪(lun)頂⭕端在轉(zhuan)動時與流(liu)🌈量計内壁(bi)會形成⭕環(huan)形間隙，從(cong)而産生葉(ye)🌈片頂端與(yu)殼體内壁(bi)間的液體(ti)粘性♌阻力(li)矩T10]。感應元(yuan)件帶來的(de)電磁反應(ying)阻力矩可(ke)忽略不計(ji)🚶♀️。
根據動量(liang)矩定理，可(ke)以寫出葉(ye)輪的運動(dong)方程"，如式(shi)(1)
式中:J爲葉(ye)輪轉動慣(guan)量;o爲葉輪(lun)旋轉角速(su)度;
當渦輪(lun)流量計達(da)到穩定工(gong)況時,渦輪(lun)流量計受(shou)到🚶♀️的合力(li)㊙️矩趨近于(yu)0,葉輪旋轉(zhuan)的角加速(su)度也趨近(jin)于0,則有:
1.1驅(qu)動力矩
由(you)于葉輪受(shou)到的驅動(dong)力矩Tg是流(liu)體沖擊葉(ye)輪葉片産(chan)生的，使用(yong)微元法對(dui)葉輪上一(yi)個葉片進(jin)行分析，在(zai)葉片上取(qu)半徑爲r處(chu)葉🤞片微元(yuan)。半徑r處的(de)葉片微元(yuan)上所受到(dao)的驅動力(li)dF可表示爲(wei):
式中:ρ表示(shi)流體的密(mi)度,單位:Kg/m³;Q表(biao)示流體的(de)體積流量(liang)，單位:m³/min。
所以(yi)，半徑r處的(de)葉片微元(yuan)上所受到(dao)的驅動力(li)矩dTd可表示(shi)㊙️爲:
根據葉(ye)片結構，對(dui)葉片長度(du)範圍内進(jin)行積分得(de):
式中:v1爲流(liu)量計進口(kou)流體平均(jun)速度;v2爲傳(chuan)感器出口(kou)流體平均(jun)速度;a1爲v1與(yu)半徑r處的(de)圓周速度(du)u之間的夾(jia)角:a2爲以與(yu)半徑r處的(de)圓周速度(du)u之間的夾(jia)角。
流量計(ji)進口的平(ping)均速度v1表(biao)示爲:
式中(zhong):A爲流量計(ji)内流道橫(heng)截面積，單(dan)位:1m²。
根據流(liu)體出口速(su)度三角形(xing)關系可知(zhi):
式中:n爲單(dan)位時間内(nei)渦輪轉數(shu)，單位:r/s，則有(you):
代入式(5)得(de)到驅動力(li)矩表達式(shi):
式中:rh爲葉(ye)片頂端半(ban)徑，rk爲葉片(pian)底端半徑(jing)，rb爲葉輪伸(shen)出在流量(liang)計管道内(nei)部分的最(zui)小長度。
1.2流(liu)體阻力矩(ju)
在葉片轉(zhuan)動時，流體(ti)沖擊在葉(ye)輪上産生(sheng)相互作用(yong)，産📞生阻礙(ai)🔞葉💃🏻輪轉動(dong)的粘滞力(li)，根據以往(wang)對于渦輪(lun)🈚流量計流(liu)🈲體阻力矩(ju)的研👨❤️👨究，實(shi)際流體阻(zu)力矩與流(liu)體體積流(liu)量呈♻️現指(zhi)數關系。由(you)王振等121關(guan)于切向式(shi)流量計的(de)🔴研究，經過(guo)簡化得流(liu)⭐體流動阻(zu)力矩Trf:
式中(zhong):C爲隻與結(jie)構參數有(you)關的比例(li)系數。
1.3軸與(yu)軸承的粘(zhan)性摩擦阻(zu)力距
在研(yan)究所用切(qie)向式固井(jing)泥漿流量(liang)計的葉輪(lun)與軸之間(jian)采用軸承(cheng)鏈接，軸與(yu)軸承内徑(jing)之間存在(zai)一定🈲間隙(xi)💞，在流量計(ji)的工作狀(zhuang)态下，流量(liang)計腔體内(nei)充滿流體(ti)，從♻️而軸與(yu)葉輪内孔(kong)的間隙也(ye)會充滿流(liu)體，所以葉(ye)輪會受到(dao)流體與内(nei)孔表面間(jian)的粘🙇🏻性阻(zu)力矩🈲Tm。由于(yu)兩者之間(jian)的間隙很(hen)小，可以将(jiang)縫隙間的(de)液體❓流動(dong)狀态看作(zuo)是層流狀(zhuang)态，因此的(de)表達式如(ru)式(12)所示:
式(shi)中:L表示軸(zhou)與葉片參(can)與摩擦部(bu)分的長度(du)，單位爲m;.
v表(biao)示運動粘(zhan)度,單位爲(wei)mm2/s;
ɷ-角速度，單(dan)位:rad/s。
1.4葉輪頂(ding)端與殼體(ti)内壁間的(de)流體粘性(xing)阻力矩
在(zai)工作狀态(tai)下，葉輪在(zai)流體沖擊(ji)下産生高(gao)速旋轉，由(you)于研究所(suo)采用的渦(wo)輪流量計(ji)特有的内(nei)部結構，六(liu)片式的葉(ye)輪的上半(ban)部分被殼(ke)體内壁所(suo)包圍，而葉(ye)輪的下半(ban)部💰分暴露(lu)在流量計(ji)腔體👅的管(guan)道部分🚩内(nei)，而被包裹(guo)的部分在(zai)高速轉動(dong)下和殼體(ti)内壁形成(cheng)了半環形(xing)的區域，和(he)軸與葉輪(lun)間隙🔅産生(sheng)的環形區(qu)域類似，半(ban)環形區域(yu)内同樣充(chong)滿了流體(ti)，對葉輪産(chan)生了粘性(xing)阻力矩7b,但(dan)是由于葉(ye)輪其中一(yi)半結構不(bu)與殼體内(nei)壁産生環(huan)形區域，故(gu)葉輪頂部(bu)與殼體内(nei)壁間的流(liu)體粘性阻(zu)力矩本🐕文(wen)隻考慮半(ban)環形區域(yu)産生的液(ye)體粘性阻(zu)力矩。給出(chu)葉輪頂部(bu)與殼體🚶内(nei)壁間的流(liu)體粘性摩(mo)擦阻力距(ju)表達式。如(ru)式(13)所示。
1.5儀(yi)表系數K
儀(yi)表系數K是(shi)表征渦輪(lun)流量計測(ce)量特性最(zui)重要的參(can)數，通常将(jiang)傳感器輸(shu)出顯示的(de)脈沖信号(hao)率f和單位(wei)時間内☂️的(de)體積流量(liang)Q的比值定(ding)義爲K。
通過(guo)式(17)能夠看(kan)出，切向式(shi)泥漿流量(liang)計的儀表(biao)系數不僅(jin)受到葉輪(lun)結構尺寸(cun)的影響，在(zai)相同工況(kuang)和流量計(ji)結構尺寸(cun)♍下，也會受(shou)到流體運(yun)動粘度v變(bian)化的影響(xiang)，而當流體(ti)密度的相(xiang)同時，儀表(biao)系數則受(shou)到動力粘(zhan)度η的影響(xiang)。
運動粘度(du)以及動力(li)粘度的關(guan)系如式(18)所(suo)示:
式中:η表(biao)示動力粘(zhan)度，單位爲(wei)mPa·s;v表示運動(dong)粘度,單位(wei)爲mm2/s;p表示密(mi)🐉度🔴，單位爲(wei)kg/m3。
實際工況(kuang)下，粘度對(dui)渦輪流量(liang)計的影響(xiang)情況較爲(wei)✂️複雜，結合(he)上述理論(lun)分析結果(guo)，本文采用(yong)流體仿真(zhen)的方式對(dui)流體粘度(du)🔞和儀表系(xi)數變化之(zhi)間的關系(xi)進行探讨(tao)。
2流量計流(liu)場分析
2.1内(nei)流道三維(wei)模型建立(li)
計算流體(ti)力學(computationalfluiddynamics,CFD)是就(jiu)流量計流(liu)場特性最(zui)有效的方(fang)法之💁。GUO等1[13-14使(shi)用CFD仿真計(ji)算方法對(dui)不同流體(ti)粘度、葉片(pian)💰結構參數(shu)對流量計(ji)🌈計量影響(xiang)規律進行(hang)探究，證明(ming)了使用CFD方(fang)法的正确(que)率。
建立流(liu)量計内流(liu)道和旋轉(zhuan)葉輪的三(san)維模型，并(bing)進行計算(suan)區域劃分(fen)，如圖2所示(shi)。
對于靜止(zhi)區域采用(yong)2mm尺寸的網(wang)格,旋轉域(yu)和靜止域(yu)之♻️間采用(yong)✌️itereface接觸對進(jin)行連接,靜(jing)止域中近(jin)interface面處的網(wang)格尺寸設(she)爲1mm。對👈于旋(xuan)🌈轉域的網(wang)格進行細(xi)化，尤其是(shi)近葉輪壁(bi)面的位置(zhi)，以保證流(liu)❗體沖擊在(zai)葉片壁面(mian)上的計算(suan)精度，旋轉(zhuan)域的網格(ge)尺寸設置(zhi)爲1mm,旋轉域(yu)中近葉輪(lun)壁面部分(fen)的的網格(ge)尺寸設置(zhi)爲0.5mm。平均網(wang)格質量爲(wei)0.83左🐆右，滿足(zu)計算要求(qiu)。劃分後的(de)網格💚模型(xing)如圖3所示(shi)。
2.2計算條件(jian)設置
管道(dao)進口處設(she)爲速度進(jin)口(velocty-inlet),管道出(chu)口處設爲(wei)壓力出口(kou)(pressure-outlet)，旋轉🌂域和(he)靜止域連(lian)接的壁面(mian)設置3個interface接(jie)觸對，來實(shi)現旋㊙️轉域(yu)和靜止域(yu)♻️之間的數(shu)據交互，壁(bi)面附近采(cai)用标準壁(bi)面函數。選(xuan)用RNGk-ε湍流模(mo)型進行渦(wo)輪流量計(ji)的仿真分(fen)析。動網格(ge)更新✊方式(shi)選擇Smoothing(光順(shun))和Remeshing(網⚽格重(zhong)構)，爲了♋讓(rang)葉輪在流(liu)體沖擊狀(zhuang)态下能夠(gou)繞着旋轉(zhuan)軸旋轉‼️，選(xuan)🍉擇SixDOF(六自由(you)度)來定義(yi)旋轉部件(jian)🚩的運♉動，使(shi)葉輪㊙️在受(shou)到外力情(qing)🔴況下可以(yi)發生運動(dong)。
2.3仿真儀表(biao)系數預測(ce)方法
力矩(ju)平均值法(fa)通過提取(qu)若幹周期(qi)内的力矩(ju)系數，計算(suan)其平均值(zhi)，當平均值(zhi)的數量級(ji)低于設定(ding)值時，判定(ding)✍️力矩基本(ben)受力🏃🏻♂️平衡(heng)。但是此方(fang)法的局限(xian)在于所監(jian)測的力矩(ju)系數沒有(you)達到理想(xiang)範圍時，需(xu)要在計算(suan)過程中不(bu)斷在邊界(jie)條件💘裏修(xiu)改葉輪轉(zhuan)速o，這種方(fang)法具有一(yi)定程度的(de)🤩試探性，獲(huo)取數據過(guo)程繁㊙️瑣，增(zeng)加了後處(chu)理過程的(de)成本。張永(yong)勝等17]提出(chu)使用6DOF流體(ti)仿真模型(xing)，模拟葉輪(lun)在流體沖(chong)🔞擊狀态下(xia)的真實工(gong)況。本文采(cai)用的6DOF模型(xing)實現了葉(ye)輪被動旋(xuan)轉，根據實(shi)際工況直(zhi)接對管道(dao)進口👣速度(du)v進行設置(zhi)，計算之後(hou)通過觀察(cha)實時的力(li)矩系數和(he)表面阻力(li)變化曲線(xian)，便可直接(jie)判斷渦輪(lun)流量計處(chu)于穩定工(gong)況的時刻(ke),從而獲取(qu)穩定工況(kuang)時的轉速(su)、力矩系數(shu)、表面❤️阻力(li)等數🌍據，.大(da)大減少了(le)計算成本(ben)，并能最大(da)程度🆚保證(zheng)仿真的真(zhen)實性與合(he)理性。
當渦(wo)輪流量計(ji)達到穩定(ding)工況時，流(liu)量的葉輪(lun)轉速也應(ying)趨于一穩(wen)定值，進而(er)儀表系數(shu)K也趨于一(yi)穩定值108]。在(zai)♋流量計的(de)仿真過程(cheng)中，爲了得(de)到穩定空(kong)工況下的(de)葉輪轉速(su)，對葉輪的(de)旋轉軸進(jin)行🎯力矩系(xi)數Cm和葉片(pian)表面👈阻力(li)drag的監控。計(ji)算過程受(shou)到葉輪本(ben)身的結構(gou)特點影響(xiang)，力矩系數(shu)🐅Cm和葉片表(biao)面阻力drag的(de)值都呈現(xian)周期性變(bian)🐅化，因此提(ti)取Cm和♋drag值波(bo)動趨于平(ping)穩後⚽的6個(ge)周期内的(de)變化數據(ju)，計算其周(zhou)期算數平(ping)均值🌈，當Cm的(de)周期平均(jun)值值💜小于(yu)某一-量級(ji)最大限度(du)趨近于0時(shi)，則認爲此(ci)時渦輪🈲流(liu)量計處于(yu)穩定工況(kuang)。圖4爲仿真(zhen)達到穩定(ding)狀态時截(jie)取的力矩(ju)系數🎯變化(hua)圖。
3流場特(te)性分析
通(tong)過圖5所示(shi)的流量計(ji)三維流場(chang)速度矢量(liang)圖發現🐪，流(liu)量計管道(dao)内部流場(chang)變化最複(fu)雜的地方(fang)發生在葉(ye)輪📱下半部(bu)分🚶♀️與流體(ti)直♈接沖擊(ji)的位置，流(liu)體高速沖(chong)擊至葉輪(lun)表面，在推(tui)動葉輪♍轉(zhuan)動的同時(shi)，流體向兩(liang)側邊緣和(he)葉片頂端(duan)流出，由于(yu)葉片邊緣(yuan)呈直角♊過(guo)度，在此處(chu)流體速度(du)發❤️生小範(fan)圍的❓急升(sheng)，會對葉輪(lun)葉片邊緣(yuan)造成更大(da)沖擊。
沿流(liu)量計内道(dao)方向設定(ding)截面，以方(fang)便觀察流(liu)量計🌈管道(dao)内部的流(liu)場狀況。通(tong)過速度場(chang)雲圖可知(zhi)，流體從圖(tu)片右側管(guan)道入口流(liu)入，由于泥(ni)漿爲不可(ke)壓縮🚶♀️流體(ti)，所以在速(su)✨度入口處(chu)不設✍️置進(jin)口壓力。在(zai)管道内壁(bi)處，由于流(liu)體本身存(cun)在粘🚶♀️性，會(hui)産生粘性(xing)邊界⭕層，從(cong)圖6可以看(kan)出管道内(nei)流速由内(nei)壁🚩向管道(dao)中心㊙️逐漸(jian)增大，而在(zai)旋轉域部(bu)分，即葉輪(lun)區域附近(jin)✂️出的邊界(jie)層要相對(dui)厚❄️一些，但(dan)是由于葉(ye)輪本身的(de)結構🌈特點(dian)，葉輪兩側(ce)距離壁面(mian)有較大空(kong)隙，邊界層(ceng)不會對葉(ye)輪本🏃身的(de)轉動産生(sheng)影響。
3.1速度(du)場分析
在(zai)體積流量(liang)1.2m³/min、流體密度(du)1250kg/m³流體條件(jian)下進行仿(pang)真計算。通(tong)過🧑🏾🤝🧑🏼圖6所示(shi)的流場速(su)度雲圖能(neng)夠發現流(liu)場分布💞比(bi)較複雜❓的(de)部分主要(yao)集中在葉(ye)輪表面附(fu)近，尤其☎️是(shi)葉輪⛹🏻♀️結構(gou)直♉接暴露(lu)在腔體管(guan)道中的部(bu)分。流體♍從(cong)右側高速(su)沖擊在葉(ye)輪葉片上(shang)，對葉輪葉(ye)片施加⛹🏻♀️壓(ya)力，然後從(cong)🐆葉片兩邊(bian)和下方流(liu)出。然而在(zai)流體直接(jie)沖擊到的(de)葉🈲片頂部(bu)區域發生(sheng)了速度場(chang)的突變,這(zhe)是由切向(xiang)式葉輪的(de)結構特性(xing)所決定的(de)。
能夠發現(xian)在相同條(tiao)件下,粘度(du)65mPa·s下的葉輪(lun)附近最大(da)速度💰爲27.5m/s,略(lue)高于粘度(du)45mPas下的26.5m/s,粘度(du)的升高導(dao)緻了流場(chang)流速的整(zheng)🙇♀️體升高。分(fen)析其原因(yin)爲粘度的(de)升高使葉(ye)輪頂隙❓流(liu)體粘性阻(zu)力增大，減(jian)小了間隙(xi)中的流體(ti)流量，從而(er)✌️使葉片表(biao)面流量增(zeng)加，導緻葉(ye)輪轉速小(xiao)幅上升。
3.2壓(ya)力場分析(xi)
通過圖7所(suo)示的流量(liang)計的截面(mian)壓力雲圖(tu)可知，渦輪(lun)流量計正(zheng)❗常作業時(shi)，整個腔體(ti)内的壓力(li)分布較爲(wei)較爲均勻(yun),壓力♍場變(bian)化較大的(de)地方發生(sheng)在葉輪葉(ye)🈲片與流體(ti)發生♉沖擊(ji)的--側，最大(da)壓力集中(zhong)在葉片表(biao)面附近，粘(zhan)度65mPa·s.條件下(xia)，葉輪表面(mian)處的最大(da)壓力達到(dao)0.256MPa，高于粘度(du)45mPa·s條件下的(de)0.195MPa，壓力從葉(ye)片表面向(xiang)外逐漸較(jiao)小。流體粘(zhan)度的升高(gao)使葉輪附(fu)近流體阻(zu)力矩增大(da)🔞，導緻作用(yong)在葉片表(biao)面的推動(dong)力增📱大，從(cong)而葉片受(shou)到的壓力(li)增大。
3.3葉片(pian)表面壓力(li)分析
通過(guo)圖8所示的(de)葉片表面(mian)的壓力分(fen)布圖可知(zhi)，在葉輪處(chu)于穩定工(gong)況力矩平(ping)衡狀态下(xia)時，葉片上(shang)最大壓力(li)主要集中(zhong)在葉片根(gen)部和葉片(pian)表面中心(xin)位置🌈處，向(xiang)着葉片邊(bian)緣位置逐(zhu)漸減🈲小。這(zhe)是由于葉(ye)片本身的(de)平面結構(gou)所導緻，葉(ye)片表面壓(ya)力分❤️布不(bu)均勻💜，無法(fa)對來流的(de)沖擊做出(chu)很好的瞬(shun)時響應。
3.4仿(pang)真結果分(fen)析
設定流(liu)體密度1440kg/m³,粘(zhan)度55mPa·s,流體體(ti)積流量範(fan)圍爲0.21至4m³/min,其(qi)中0.2Im3/min爲該流(liu)體條件下(xia)，流量計管(guan)道内層流(liu)與湍流的(de)分界流量(liang)，4m³/min爲流量🚶計(ji)的量程範(fan)圍上限。仿(pang)真結果如(ru)表❗1所示。
爲(wei)了探究更(geng)大粘度範(fan)圍内的流(liu)量計計量(liang)特性，在流(liu)✉️體粘✊度35-75mPas範(fan)圍内選取(qu)35、45、55、65、75mPa:s五個粘度(du)點進行仿(pang)真計算。圖(tu)9爲流量計(ji)儀表系數(shu)變化曲線(xian)圖，能夠發(fa)現整體儀(yi)表系數曲(qu)線呈現先(xian)減小後🛀🏻增(zeng)大的趨勢(shi)，符合渦輪(lun)流量計儀(yi)表系數曲(qu)線的一般(ban)特性。觀察(cha)小流量下(xia)的儀表系(xi)數曲線能(neng)夠發現，随(sui)着粘✏️度減(jian)小，儀表系(xi)數曲線呈(cheng)🏃現整體右(you)移增大💚的(de)趨勢，而在(zai)大流量下(xia)，能夠明顯(xian)看出在粘(zhan)度35、45mPars下的儀(yi)表⭐系數要(yao)高于55、65、75mPa·s。原因(yin)🧡主要是粘(zhan)度減小導(dao)緻流體阻(zu)力減❓小，從(cong)而整體💋葉(ye)輪轉速随(sui)之增大，導(dao)緻儀表系(xi)數随之增(zeng)大❓。通過💘圖(tu)9還可發現(xian)在粘度35、45mPa:s粘(zhan)度🏃♂️相對較(jiao)低時，儀表(biao)系數相較(jiao)于粘度時(shi)的變化要(yao)更㊙️爲平緩(huan)，線性度更(geng)高:在粘度(du)55、65、75mPa·s情況下，儀(yi)表系數随(sui)着‼️流量增(zeng)大而增大(da)的趨勢🌈更(geng)爲明顯❓，線(xian)性度降低(di)。
圖10爲葉輪(lun)轉速随體(ti)積流量的(de)變化關系(xi)圖，發現葉(ye)輪轉速💜和(he)體積流量(liang)呈正比例(li)增大關系(xi)，受粘度變(bian)化影響較(jiao)小。
通過圖(tu)11發現，在流(liu)量計量程(cheng)範圍内，葉(ye)輪受到的(de)流體阻👅力(li)㊙️随體積流(liu)量Q的增大(da)而增大，并(bing)呈現指數(shu)關系。随着(zhe)流體粘度(du)的👅增大，葉(ye)輪受到的(de)阻力随之(zhi)增大，且在(zai)大流量情(qing)況下，這種(zhong)趨勢更加(jia)明顯，而葉(ye)輪阻力會(hui)降💃🏻低葉輪(lun)轉速以及(ji)儀表系數(shu)，同🐆之前分(fen)析結果保(bao)持一緻。
4固(gu)井實驗驗(yan)證
4.1固井實(shi)測條件
使(shi)用圖12所示(shi)的切向式(shi)固井泥漿(jiang)流量計在(zai)遼甯某油(you)🈚田油井進(jin)行數據采(cai)集。
固井作(zuo)業現場設(she)備有水泥(ni)灰灌、固井(jing)水罐車、固(gu)井水泥車(che)以及井口(kou)水泥泵。泥(ni)漿流量計(ji)安裝在固(gu)井注水泥(ni)車和井口(kou)水泥泵之(zhi)間的管道(dao)之間，水泥(ni)車将水泥(ni)🔴灰和水🐇混(hun)合之後成(cheng)爲水泥漿(jiang)注入到井(jing)下。當水泥(ni)漿從管道(dao)流過時，沖(chong)擊流量計(ji)葉輪并發(fa)生🏃♀️旋轉，并(bing)産生脈沖(chong)信号，轉化(hua)爲葉輪轉(zhuan)速、瞬時體(ti)積✍️流量等(deng)數據傳輸(shu)至系統箱(xiang)，即采集得(de)到所需數(shu)據，用來與(yu)仿真計算(suan)結果對☎️比(bi)驗證。其中(zhong)，泥漿流量(liang)計💔系統箱(xiang)每12s記錄-次(ci)數據。
現場(chang)對泥漿粘(zhan)度的測量(liang)采用六速(su)旋轉粘度(du)計，六速旋(xuan)轉粘度計(ji)主要用來(lai)測量固井(jing)作業中水(shui)泥漿等流(liu)體流變參(can)數，而固井(jing)作業所用(yong)水泥漿粘(zhan)度因油井(jing)的不同會(hui)有所變化(hua)。
所選用進(jin)行實測的(de)泥漿流量(liang)計管道内(nei)徑爲50.8mm葉輪(lun)半徑18.5mm。油田(tian)進行固井(jing)作業的兩(liang)口油井，實(shi)測注入的(de)👌分别爲粘(zhan)度54mPars、密✔️度1500kg/m³以(yi)及粘度50mPars、密(mi)度1380kg/m³的兩種(zhong)水泥泥漿(jiang)。
4.2仿真數據(ju)驗證
由于(yu)實際固井(jing)作業中，穩(wen)定工況下(xia)監測的泥(ni)漿瞬時流(liu)量的變化(hua)大緻呈階(jie)梯式上升(sheng)或下降，記(ji)錄間隔太(tai)💞短的數據(ju)之間較爲(wei)接近，不具(ju)有差異性(xing)和對比性(xing)。
根據現場(chang)作業情況(kuang)，一次注入(ru)泥漿作業(ye)從開始至(zhi)結束，流量(liang)計采集到(dao)的大部分(fen)穩定工況(kuang)泥漿瞬時(shi)流量在1-2m³/min左(zuo)右範圍内(nei)，爲了在這(zhe)一流量範(fan)圍内最大(da)程度選😘取(qu)具有㊙️對比(bi)性🈲的流量(liang)點，進行如(ru)下選取:
(1)在(zai)粘度54mPas、密度(du)約爲1500kg/m³條件(jian)下選用數(shu)據采集過(guo)程中采集(ji)到的瞬❓時(shi)流量1.66m³/min至1.98m³/min範(fan)圍内變化(hua)最爲明顯(xian)的5個流量(liang)點作爲🍓仿(pang)真計算✍️的(de)輸入條件(jian)，計算結果(guo)如表2所示(shi)。
(2)用同樣方(fang)法選取粘(zhan)度50mPa·s、密度1380kg/m³條(tiao)件下采集(ji)到的瞬時(shi)流量1.05-2.15m/min範🌈圍(wei)内🔞的5個流(liu)量點，設定(ding)實際選用(yong)的流量計(ji)結構參數(shu)以及流體(ti)參數，計算(suan)結果如表(biao)3所示。
将實(shi)際固井作(zuo)業中采集(ji)到的兩組(zu)葉輪轉速(su)數據🏒和仿(pang)🔴真結果進(jin)行對比，最(zui)大誤差爲(wei)2.9%，最小誤差(cha)0.2%，平均誤差(cha)1.38%，仿真♻️數據(ju)和實測數(shu)據較爲接(jie)近，認爲所(suo)建立🌏的仿(pang)真模型具(ju)有精度。
5結(jie)論
針對固(gu)井工程所(suo)用的切向(xiang)式渦輪流(liu)量計建立(li)了驅動力(li)♌矩、阻👄力矩(ju)的數學模(mo)型，并在此(ci)基礎推導(dao)出🈲儀表系(xi)數K的數學(xue)模型，發現(xian)粘度變化(hua)會對流量(liang)計儀表系(xi)數造成影(ying)響，使固井(jing)工程流量(liang)計量作業(ye)有了理論(lun)依據。
建立(li)6DOF流體仿真(zhen)模型，對流(liu)量計體積(ji)流量0.21-4m³/min量程(cheng)範圍内，流(liu)體粘度35、45、55、65、75mPa·s的(de)流體條件(jian)分别進行(hang)仿真分析(xi)。發現♍随着(zhe)粘度減小(xiao)，儀表系數(shu)曲線呈現(xian)整體右移(yi)增大的趨(qu)勢，原因主(zhu)要是粘度(du)減小導緻(zhi)流體阻力(li)減小‼️，從而(er)整體葉輪(lun)轉速和儀(yi)表系數随(sui)之增大。且(qie)随着粘度(du)增大，儀表(biao)系數曲線(xian)線性度減(jian)小。
通過實(shi)際固井工(gong)程作業采(cai)集的流量(liang)數據和仿(pang)真🌈數🚩據進(jin)行🌈對🔞比分(fen)析，最大誤(wu)差爲2.9%，最小(xiao)誤差0.2%，平均(jun)誤♌差1.38%，驗證(zheng)了仿真模(mo)型的正确(que)性，爲固井(jing)泥漿流量(liang)計的研究(jiu)提供了依(yi)據。