摘要(yao):固井(jing)泥漿(jiang)流量(liang)計 是(shi)應用(yong)在油(you)田固(gu)井工(gong)程中(zhong)進行(hang)泥漿(jiang)流量(liang)計量(liang)的儀(yi)器，屬(shu)于切(qie)向式(shi)渦輪(lun)流量(liang)計 。爲(wei)探究(jiu)流體(ti)條件(jian)對其(qi)計量(liang)特性(xing)的影(ying)響機(ji)理，首(shou)先建(jian)立❌流(liu)量🈲計(ji)👄葉輪(lun)驅動(dong)力矩(ju)和阻(zu)力矩(ju)的數(shu)學模(mo)型，在(zai)此基(ji)礎上(shang)建立(li)儀🧑🏽‍🤝‍🧑🏻表(biao)系數(shu)K的模(mo)型，并(bing)發現(xian)流體(ti)粘度(du)是影(ying)響因(yin)素之(zhi)一。其(qi)⚽次，考(kao)慮到(dao)實際(ji)🌍固井(jing)作業(ye)中，粘(zhan)度對(dui)儀表(biao)計量(liang)特性(xing)的影(ying)響規(gui)律較(jiao)爲👣複(fu)雜，因(yin)此㊙️使(shi)用有(you)限元(yuan)❗分析(xi)軟件(jian)，建立(li)6DOF葉輪(lun)被動(dong)旋轉(zhuan)流體(ti)仿真(zhen)計算(suan)模型(xing)，對多(duo)種流(liu)體粘(zhan)度35、45、55、65、75mPas條(tiao)件下(xia)的流(liu)場特(te)性以(yi)及儀(yi)表🔱系(xi)數特(te)性進(jin)行仿(pang)真分(fen)析，總(zong)結粘(zhan)度變(bian)化對(dui)流量(liang)計計(ji)量特(te)性✂️的(de)影響(xiang)規律(lü)。最後(hou)👨‍❤️‍👨通過(guo)實際(ji)采集(ji)的固(gu)井測(ce)量數(shu)據和(he)仿真(zhen)數據(ju)進行(hang)比較(jiao)，平均(jun)誤㊙️差(cha)爲1.38%，驗(yan)證了(le)建立(li)的仿(pang)真模(mo)型的(de)有效(xiao)性。
0引(yin)言
　　随(sui)着社(she)會生(sheng)産力(li)的發(fa)展，在(zai)石油(you)氣、醫(yi)療衛(wei)生以(yi)及✍️工(gong)業生(sheng)産等(deng)衆多(duo)領域(yu)，對于(yu)流體(ti)介質(zhi)的計(ji)量要(yao)求越(yue)來越(yue)高。在(zai)油田(tian)固井(jing)工程(cheng)中，固(gu)井質(zhi)量直(zhi)接決(jue)定🐆油(you)井在(zai)後續(xu)作中(zhong)的安(an)全性(xing)和🏃🏻可(ke)靠性(xing)，而在(zai)固井(jing)作業(ye)中，鑽(zuan)井液(ye)、水泥(ni)漿等(deng)流體(ti)注入(ru)的體(ti)積精(jing)度會(hui)直🚩接(jie)影響(xiang)固井(jing)作業(ye)的質(zhi)量。
　　渦(wo)輪流(liu)量計(ji)爲固(gu)井工(gong)程中(zhong)進行(hang)流量(liang)計量(liang)的重(zhong)要裝(zhuang)置，渦(wo)輪流(liu)量計(ji)具有(you)耐用(yong)、計量(liang)正确(que)、響應(ying)速度(du)快、計(ji)量範(fan)圍廣(guang)等特(te)點，分(fen)爲切(qie)向式(shi)渦輪(lun)流量(liang)計和(he)軸向(xiang)式渦(wo)輪流(liu)量計(ji)，軸向(xiang)式渦(wo)輪流(liu)量較(jiao)爲常(chang)用，其(qi)内部(bu)包含(han)前導(dao)流件(jian)、旋轉(zhuan)葉輪(lun)、後導(dao)流件(jian)以及(ji)電磁(ci)感💞應(ying)裝置(zhi)，尤其(qi)葉輪(lun)部分(fen)結構(gou)比較(jiao)複雜(za)，這些(xie)結構(gou)特♍性(xing)使軸(zhou)向式(shi)渦輪(lun)流量(liang)計隻(zhi)能夠(gou)計量(liang)純液(ye)體或(huo)氣體(ti)。而切(qie)向式(shi)渦輪(lun)流量(liang)計葉(ye)輪結(jie)構相(xiang)對簡(jian)單，能(neng)夠适(shi)☎️應雜(za)質較(jiao)多的(de)泥♻️漿(jiang)等流(liu)體的(de)計量(liang)工作(zuo)。實際(ji)固井(jing)中分(fen)爲多(duo)個階(jie)段，需(xu)分别(bie)注☂️入(ru)不同(tong)組分(fen)構👄成(cheng)的鑽(zuan)井液(ye)、替井(jing)液、水(shui)泥漿(jiang)等流(liu)體介(jie)質，并(bing)且🔴根(gen)據油(you)井的(de)不同(tong)，注入(ru)的流(liu)體的(de)密度(du)、粘度(du)等參(can)數都(dou)在一(yi)定💯範(fan)圍内(nei)波動(dong)，流體(ti)密度(du)大緻(zhi)在1000-1800kg/m³,粘(zhan)度大(da)緻在(zai)45-65mPas範圍(wei)内波(bo)動，不(bu)同的(de)流體(ti)條件(jian)會對(dui)計量(liang)結果(guo)産生(sheng)較大(da)影響(xiang)，并且(qie)流量(liang)計的(de)結構(gou)尺寸(cun)也會(hui)對結(jie)果産(chan)生重(zhong)大📞影(ying)響。目(mu)前針(zhen)對渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的🤞研(yan)究重(zhong)點主(zhu)要集(ji)中在(zai)通🙇🏻過(guo)優化(hua)儀表(biao)系數(shu)K的數(shu)學模(mo)型化(hua)葉🙇‍♀️輪(lun)尺寸(cun)、改♉進(jin)結構(gou)材料(liao)💛等工(gong)作來(lai)提高(gao)計⚽量(liang)精度(du)。
　　針對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)理論(lun)研究(jiu)方法(fa)，國内(nei)外學(xue)者做(zuo)出了(le)大量(liang)研🥰究(jiu)并且(qie)已經(jing)形成(cheng)完整(zheng)的理(li)論體(ti)系。POPE[81基(ji)于Lee建(jian)立的(de)渦輪(lun)流量(liang)計數(shu)學模(mo)型進(jin)行擴(kuo)展，以(yi)考慮(lü)轉子(zi)上的(de)流體(ti)阻力(li)、軸承(cheng)靜态(tai)🐪阻力(li)和軸(zhou)承粘(zhan)性阻(zu)力。Ball9研(yan)究表(biao)明在(zai)層流(liu)段渦(wo)輪流(liu)量計(ji)K值随(sui)雷諾(nuo)數增(zeng)加而(er)增加(jia)。
　　但是(shi)大部(bu)分理(li)論模(mo)型都(dou)是針(zhen)對傳(chuan)統軸(zhou)向式(shi)渦輪(lun)流量(liang)計所(suo)建立(li)，對于(yu)在油(you)田固(gu)井工(gong)程中(zhong)的具(ju)有特(te)殊結(jie)構的(de)切向(xiang)式渦(wo)輪流(liu)🌐量計(ji)，并沒(mei)有針(zhen)對性(xing)的理(li)論模(mo)型🤩。本(ben)文采(cai)用微(wei)元法(fa)對切(qie)向式(shi)葉輪(lun)進行(hang)流體(ti)沖擊(ji)下的(de)受力(li)分析(xi)🥵，并分(fen)析受(shou)到的(de)流體(ti)阻力(li)矩，建(jian)立針(zhen)對性(xing)的🆚切(qie)向式(shi)渦輪(lun)流量(liang)計儀(yi)表系(xi)數模(mo)型。基(ji)于有(you)限元(yuan)流體(ti)👄仿真(zhen)軟件(jian)，在不(bu)同流(liu)體粘(zhan)度條(tiao)💘件下(xia)，進行(hang)流量(liang)計内(nei)部流(liu)場分(fen)🔆析，總(zong)結不(bu)同流(liu)體條(tiao)件對(dui)流量(liang)計計(ji)量特(te)性的(de)影響(xiang)。
1儀表(biao)系數(shu)數學(xue)模型(xing)建立(li)
　　圖1爲(wei)切向(xiang)式固(gu)井泥(ni)漿流(liu)量計(ji)葉輪(lun)在流(liu)體沖(chong)擊狀(zhuang)态⭐下(xia)的力(li)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼矩分(fen)析圖(tu)。葉片(pian)上受(shou)到流(liu)體沖(chong)擊産(chan)生的(de)💃驅動(dong)力矩(ju)T，同時(shi)😍由于(yu)在流(liu)量計(ji)腔體(ti)在工(gong)作狀(zhuang)态下(xia)充滿(man)流📧體(ti)将整(zheng)個葉(ye)輪包(bao)圍在(zai)🏃🏻‍♂️其中(zhong)，所以(yi)葉輪(lun)在轉(zhuan)動的(de)同時(shi)會受(shou)到流(liu)體帶(dai)來的(de)流體(ti)阻力(li)矩Trf。由(you)于研(yan)♻️究所(suo)用的(de)切向(xiang)式流(liu)量計(ji)🌂葉輪(lun)和軸(zhou)之間(jian)采用(yong)軸承(cheng)💞支撐(cheng)，軸與(yu)軸承(cheng)之間(jian)存在(zai)縫隙(xi)，在工(gong)作狀(zhuang)态下(xia)也會(hui)充滿(man)流體(ti)📞産生(sheng)縫隙(xi)間的(de)液體(ti)粘性(xing)阻力(li)矩Tm。而(er)葉輪(lun)頂端(duan)在轉(zhuan)動時(shi)與流(liu)量計(ji)内壁(bi)會形(xing)成環(huan)形間(jian)隙，從(cong)而産(chan)生葉(ye)片頂(ding)端與(yu)殼體(ti)内壁(bi)間的(de)液體(ti)粘性(xing)阻力(li)矩T10]。感(gan)應元(yuan)件帶(dai)來的(de)電磁(ci)反應(ying)阻力(li)矩可(ke)忽略(lue)不計(ji)。
 
　　根據(ju)動量(liang)矩定(ding)理，可(ke)以寫(xie)出葉(ye)輪的(de)運動(dong)方程(cheng)"，如式(shi)(1)
 
式中(zhong):J爲葉(ye)輪轉(zhuan)動慣(guan)量;o爲(wei)葉輪(lun)旋轉(zhuan)角速(su)度;
　　當(dang)渦輪(lun)流量(liang)計達(da)到穩(wen)定工(gong)況時(shi),渦輪(lun)流量(liang)計受(shou)到🏒的(de)♌合力(li)矩趨(qu)近于(yu)0,葉輪(lun)旋轉(zhuan)的角(jiao)加速(su)度也(ye)趨近(jin)于👅0,則(ze)有:
 
1.1驅(qu)動力(li)矩
　　由(you)于葉(ye)輪受(shou)到的(de)驅動(dong)力矩(ju)Tg是流(liu)體沖(chong)擊葉(ye)輪葉(ye)片🏃産(chan)生的(de)，使用(yong)微元(yuan)法對(dui)葉輪(lun)上一(yi)個葉(ye)片進(jin)行分(fen)析，在(zai)葉片(pian)上取(qu)半徑(jing)爲✍️r處(chu)葉片(pian)微元(yuan)。半徑(jing)r處的(de)葉片(pian)微🧑🏾‍🤝‍🧑🏼元(yuan)上所(suo)受到(dao)的驅(qu)動力(li)dF可表(biao)示爲(wei):
 
式中(zhong):ρ表示(shi)流體(ti)的密(mi)度,單(dan)位:Kg/m³;Q表(biao)示流(liu)體的(de)體積(ji)流量(liang)，單🌈位(wei)🐅:m³/min。
所以(yi)，半徑(jing)r處的(de)葉片(pian)微元(yuan)上所(suo)受到(dao)的驅(qu)動力(li)矩dTd可(ke)表示(shi)爲:
 
根(gen)據葉(ye)片結(jie)構，對(dui)葉片(pian)長度(du)範圍(wei)内進(jin)行積(ji)分得(de):
 
　　式中(zhong):v1爲流(liu)量計(ji)進口(kou)流體(ti)平均(jun)速度(du);v2爲傳(chuan)感器(qi)出口(kou)流體(ti)平均(jun)速度(du);a1爲v1與(yu)半徑(jing)r處的(de)圓周(zhou)速度(du)u之間(jian)的夾(jia)角:a2爲(wei)以與(yu)半徑(jing)r處的(de)圓周(zhou)速度(du)u之間(jian)的夾(jia)角。
　　流(liu)量計(ji)進口(kou)的平(ping)均速(su)度v1表(biao)示爲(wei):
 
　　式中(zhong):A爲流(liu)量計(ji)内流(liu)道橫(heng)截面(mian)積，單(dan)位:1m²。
　　根(gen)據流(liu)體出(chu)口速(su)度三(san)角形(xing)關系(xi)可知(zhi):
 
　　式中(zhong):n爲單(dan)位時(shi)間内(nei)渦輪(lun)轉數(shu)，單位(wei):r/s，則有(you):
 
　　代入(ru)式(5)得(de)到驅(qu)動力(li)矩表(biao)達式(shi):
 
　　式中(zhong):rh爲葉(ye)片頂(ding)端半(ban)徑，rk爲(wei)葉片(pian)底端(duan)半徑(jing)，rb爲葉(ye)輪伸(shen)出在(zai)流量(liang)計管(guan)道内(nei)部分(fen)的最(zui)小長(zhang)度。
1.2流(liu)體阻(zu)力矩(ju)
　　在葉(ye)片轉(zhuan)動時(shi)，流體(ti)沖擊(ji)在葉(ye)輪上(shang)産生(sheng)相互(hu)作用(yong)，産生(sheng)阻礙(ai)葉輪(lun)轉動(dong)的粘(zhan)滞力(li)，根據(ju)以往(wang)對于(yu)渦輪(lun)流量(liang)計流(liu)體阻(zu)力矩(ju)的研(yan)究，實(shi)際流(liu)體阻(zu)力矩(ju)與流(liu)體體(ti)積流(liu)量呈(cheng)🏃‍♂️現指(zhi)數🧡關(guan)系。由(you)王振(zhen)等121關(guan)于切(qie)向式(shi)流量(liang)計的(de)研究(jiu)，經過(guo)㊙️簡化(hua)得流(liu)體流(liu)動阻(zu)力矩(ju)Trf:
式中(zhong):C爲隻(zhi)與結(jie)構參(can)數有(you)關的(de)比例(li)系數(shu)。
1.3軸與(yu)軸承(cheng)的粘(zhan)性摩(mo)擦阻(zu)力距(ju)
　　在研(yan)究所(suo)用切(qie)向式(shi)固井(jing)泥漿(jiang)流量(liang)計的(de)葉輪(lun)與軸(zhou)之間(jian)采用(yong)軸承(cheng)鏈接(jie)，軸與(yu)軸承(cheng)内徑(jing)之間(jian)存在(zai)一定(ding)間隙(xi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，在流(liu)量計(ji)的工(gong)作狀(zhuang)态下(xia)，流量(liang)計腔(qiang)體内(nei)充滿(man)流體(ti)，從而(er)軸與(yu)🏃葉輪(lun)内孔(kong)的間(jian)隙也(ye)會充(chong)滿流(liu)體，所(suo)💞以葉(ye)輪會(hui)受到(dao)流體(ti)與内(nei)孔表(biao)面間(jian)的粘(zhan)性阻(zu)力矩(ju)☂️Tm。由于(yu)兩者(zhe)之間(jian)的間(jian)隙很(hen)🌈小，可(ke)以将(jiang)縫隙(xi)間的(de)液體(ti)流動(dong)狀态(tai)看作(zuo)是層(ceng)流狀(zhuang)态，因(yin)此的(de)表達(da)式如(ru)式(12)所(suo)示:
 
　　式(shi)中:L表(biao)示軸(zhou)與葉(ye)片參(can)與摩(mo)擦部(bu)分的(de)長度(du)，單位(wei)爲m;.
v表(biao)示運(yun)動粘(zhan)度,單(dan)位爲(wei)mm2/s;
ɷ-角速(su)度，單(dan)位:rad/s。
1.4葉(ye)輪頂(ding)端與(yu)殼體(ti)内壁(bi)間的(de)流體(ti)粘性(xing)阻力(li)矩
　　在(zai)工作(zuo)狀态(tai)下，葉(ye)輪在(zai)流體(ti)沖擊(ji)下産(chan)生高(gao)速旋(xuan)轉，由(you)于研(yan)究所(suo)📞采用(yong)的渦(wo)輪流(liu)量計(ji)特有(you)的内(nei)部結(jie)構☂️，六(liu)片式(shi)的葉(ye)輪的(de)上半(ban)部🔴分(fen)被殼(ke)體内(nei)壁所(suo)包圍(wei)，而葉(ye)輪的(de)下半(ban)部分(fen)暴露(lu)在流(liu)量計(ji)腔體(ti)的管(guan)道部(bu)分❗内(nei)，而被(bei)包裹(guo)的部(bu)分在(zai)高速(su)轉動(dong)下和(he)殼體(ti)内壁(bi)形🌈成(cheng)了半(ban)環形(xing)的區(qu)域，和(he)軸🈚與(yu)葉輪(lun)間隙(xi)産生(sheng)的環(huan)形區(qu)域類(lei)似，半(ban)🔆環❌形(xing)區域(yu)内同(tong)樣充(chong)滿了(le)流體(ti)，對葉(ye)輪産(chan)生了(le)粘性(xing)阻力(li)矩7b,但(dan)是由(you)于葉(ye)輪其(qi)中一(yi)半結(jie)構不(bu)與殼(ke)體内(nei)壁産(chan)生環(huan)形區(qu)域，故(gu)葉輪(lun)頂部(bu)與殼(ke)體内(nei)壁間(jian)的流(liu)體粘(zhan)性阻(zu)力矩(ju)本文(wen)隻考(kao)慮半(ban)環🙇‍♀️形(xing)區域(yu)産生(sheng)的液(ye)體粘(zhan)✨性阻(zu)力🎯矩(ju)。給出(chu)葉輪(lun)頂部(bu)與殼(ke)體内(nei)壁間(jian)的流(liu)💛體粘(zhan)性摩(mo)擦阻(zu)力距(ju)表達(da)式。如(ru)式(13)所(suo)示。
 
1.5儀(yi)表系(xi)數K
　　儀(yi)表系(xi)數K是(shi)表征(zheng)渦輪(lun)流量(liang)計測(ce)量特(te)性最(zui)重要(yao)的參(can)數，通(tong)常将(jiang)傳感(gan)器輸(shu)出顯(xian)示的(de)脈沖(chong)信号(hao)率f和(he)單位(wei)時♊間(jian)内🍉的(de)體積(ji)流量(liang)Q的比(bi)值定(ding)義爲(wei)K。
 
　　通過(guo)式(17)能(neng)夠看(kan)出，切(qie)向式(shi)泥漿(jiang)流量(liang)計的(de)儀表(biao)系數(shu)不僅(jin)受到(dao)🌈葉輪(lun)結構(gou)尺寸(cun)的影(ying)響，在(zai)相同(tong)工況(kuang)和流(liu)量計(ji)結構(gou)尺寸(cun)下，也(ye)會受(shou)到流(liu)體運(yun)動粘(zhan)度v變(bian)化的(de)影響(xiang)，而當(dang)流體(ti)密度(du)的相(xiang)同時(shi)，儀表(biao)系數(shu)則受(shou)到動(dong)🎯力粘(zhan)度η的(de)⭐影響(xiang)。
運動(dong)粘度(du)以及(ji)動力(li)粘度(du)的關(guan)系如(ru)式(18)所(suo)示:
 
　　式(shi)中:η表(biao)示動(dong)力粘(zhan)度，單(dan)位爲(wei)mPa·s;v表示(shi)運動(dong)粘度(du),單位(wei)爲mm2/s;p表(biao)🐕示密(mi)度，單(dan)位爲(wei)kg/m3。
　　實際(ji)工況(kuang)下，粘(zhan)度對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)影響(xiang)情況(kuang)較爲(wei)複雜(za)，結合(he)上述(shu)理論(lun)分析(xi)結果(guo)，本文(wen)采用(yong)流體(ti)仿真(zhen)的方(fang)式對(dui)流體(ti)粘度(du)和儀(yi)表系(xi)數變(bian)化之(zhi)間的(de)關系(xi)🥵進行(hang)探讨(tao)。
2流量(liang)計流(liu)場分(fen)析
2.1内(nei)流道(dao)三維(wei)模型(xing)建立(li)
　　計算(suan)流體(ti)力學(xue)(computationalfluiddynamics,CFD)是就(jiu)流量(liang)計流(liu)場特(te)性最(zui)有效(xiao)的方(fang)法之(zhi)。GUO等1[13-14使(shi)用CFD仿(pang)真計(ji)算方(fang)法對(dui)不同(tong)流體(ti)粘度(du)、葉片(pian)㊙️結構(gou)⭐參數(shu)對流(liu)量計(ji)計量(liang)影響(xiang)規律(lü)進行(hang)探究(jiu)，證明(ming)🚶‍♀️了使(shi)用CFD方(fang)法的(de)正确(que)率。
建(jian)立流(liu)量計(ji)内流(liu)道和(he)旋轉(zhuan)葉輪(lun)的三(san)維模(mo)型，并(bing)進行(hang)💚計算(suan)區域(yu)🈲劃分(fen)，如圖(tu)2所示(shi)。
 
　　對于(yu)靜止(zhi)區域(yu)采用(yong)2mm尺寸(cun)的網(wang)格,旋(xuan)轉域(yu)和靜(jing)止域(yu)之間(jian)采用(yong)itereface接觸(chu)對進(jin)行連(lian)接,靜(jing)止域(yu)中近(jin)interface面處(chu)的網(wang)格尺(chi)寸設(she)爲1mm。對(dui)于旋(xuan)♈轉域(yu)的網(wang)格進(jin)行細(xi)化，尤(you)其是(shi)♻️近葉(ye)輪壁(bi)面的(de)✏️位置(zhi)，以保(bao)證流(liu)體沖(chong)擊✨在(zai)葉片(pian)壁面(mian)上的(de)計算(suan)精度(du)，旋轉(zhuan)域的(de)網格(ge)尺寸(cun)設置(zhi)💜爲1mm,旋(xuan)轉域(yu)中近(jin)葉輪(lun)壁面(mian)部分(fen)的的(de)網格(ge)尺寸(cun)設置(zhi)爲0.5mm。平(ping)均網(wang)格質(zhi)量爲(wei)0.83左右(you)，滿足(zu)計算(suan)要求(qiu)✏️。劃分(fen)後的(de)網格(ge)模型(xing)如圖(tu)3所示(shi)。
 
2.2計算(suan)條件(jian)設置(zhi)
　　管道(dao)進口(kou)處設(she)爲速(su)度進(jin)口(velocty-inlet),管(guan)道出(chu)口處(chu)設爲(wei)壓力(li)出口(kou)(pressure-outlet)，旋轉(zhuan)⛷️域和(he)靜止(zhi)域連(lian)接的(de)壁面(mian)設置(zhi)3個interface接(jie)觸對(dui)，來實(shi)現旋(xuan)轉域(yu)和靜(jing)㊙️止域(yu)之間(jian)的數(shu)據交(jiao)互，壁(bi)面附(fu)近采(cai)用标(biao)準壁(bi)🛀🏻面函(han)數。選(xuan)用RNGk-ε湍(tuan)流模(mo)型進(jin)行渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的仿(pang)真分(fen)析。動(dong)網格(ge)更新(xin)方式(shi)選擇(ze)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼Smoothing(光順(shun))和Remeshing(網(wang)格重(zhong)構)，爲(wei)了讓(rang)葉輪(lun)在流(liu)體沖(chong)擊狀(zhuang)态下(xia)能夠(gou)繞着(zhe)旋轉(zhuan)軸旋(xuan)轉☁️，選(xuan)擇SixDOF(六(liu)自由(you)度)來(lai)定義(yi)旋轉(zhuan)部件(jian)的運(yun)動，使(shi)葉輪(lun)在受(shou)到🐪外(wai)力情(qing)況下(xia)可以(yi)發生(sheng)運動(dong)。
2.3仿真(zhen)儀表(biao)系數(shu)預測(ce)方法(fa)
　　力矩(ju)平均(jun)值法(fa)通過(guo)提取(qu)若幹(gan)周期(qi)内的(de)力矩(ju)系數(shu)，計算(suan)其🔞平(ping)均值(zhi)，當平(ping)均值(zhi)的數(shu)量級(ji)低于(yu)設定(ding)值時(shi)，判定(ding)力矩(ju)基本(ben)受力(li)平衡(heng)。但是(shi)此方(fang)法的(de)局限(xian)在于(yu)所監(jian)測的(de)力矩(ju)系數(shu)沒有(you)達到(dao)🤩理想(xiang)範圍(wei)時，需(xu)要在(zai)計算(suan)過程(cheng)中不(bu)斷在(zai)🈲邊界(jie)條件(jian)裏修(xiu)改葉(ye)輪轉(zhuan)速o，這(zhe)🌈種方(fang)法具(ju)有一(yi)定程(cheng)度的(de)試探(tan)性，獲(huo)取數(shu)據過(guo)程繁(fan)👈瑣，增(zeng)加了(le)後處(chu)理過(guo)程的(de)成本(ben)🔆。張永(yong)勝等(deng)17]提出(chu)使用(yong)6DOF流體(ti)仿真(zhen)模型(xing)，模💃🏻拟(ni)葉輪(lun)🏃🏻‍♂️在流(liu)體沖(chong)擊狀(zhuang)态下(xia)的真(zhen)💯實工(gong)況。本(ben)文采(cai)用的(de)🛀🏻6DOF模型(xing)實現(xian)了葉(ye)輪被(bei)動旋(xuan)轉，根(gen)據實(shi)際工(gong)🤟況直(zhi)接對(dui)管🍉道(dao)進口(kou)速度(du)v進行(hang)設置(zhi)，計算(suan)之後(hou)通過(guo)觀察(cha)實時(shi)的力(li)矩系(xi)數和(he)表面(mian)阻力(li)變化(hua)🐪曲線(xian)，便可(ke)直接(jie)判斷(duan)渦輪(lun)流量(liang)計處(chu)于穩(wen)定工(gong)況的(de)時刻(ke),從而(er)獲取(qu)穩定(ding)工況(kuang)☁️時的(de)轉☎️速(su)、力矩(ju)系數(shu)、表面(mian)阻力(li)等數(shu)據，.大(da)大減(jian)少了(le)計算(suan)成本(ben)，并能(neng)最大(da)程度(du)保證(zheng)仿真(zhen)的真(zhen)實性(xing)與合(he)理性(xing)。
　　當渦(wo)輪流(liu)量計(ji)達到(dao)穩定(ding)工況(kuang)時，流(liu)量的(de)葉輪(lun)轉速(su)也應(ying)趨于(yu)☀️一穩(wen)定值(zhi)，進而(er)儀表(biao)系數(shu)K也趨(qu)于一(yi)穩定(ding)值108]。在(zai)流量(liang)計的(de)👅仿真(zhen)過程(cheng)中，爲(wei)了得(de)到穩(wen)定空(kong)工況(kuang)下的(de)葉輪(lun)轉速(su)，對葉(ye)輪的(de)旋轉(zhuan)💚軸進(jin)行♈力(li)矩系(xi)數Cm和(he)葉片(pian)表面(mian)♋阻力(li)drag的監(jian)控。計(ji)算過(guo)程受(shou)到葉(ye)輪本(ben)身的(de)✂️結構(gou)特點(dian)影響(xiang)，力矩(ju)系數(shu)Cm和葉(ye)片表(biao)面阻(zu)力drag的(de)值都(dou)呈現(xian)周期(qi)性變(bian)化，因(yin)此提(ti)取Cm和(he)drag值波(bo)動趨(qu)于平(ping)穩後(hou)的6個(ge)周期(qi)内的(de)變🤟化(hua)數據(ju)，計算(suan)其周(zhou)期算(suan)數平(ping)均值(zhi)，當Cm的(de)周期(qi)平均(jun)值值(zhi)🛀小于(yu)某一(yi)-量級(ji)最⭐大(da)限度(du)趨近(jin)于0時(shi)，則認(ren)爲此(ci)時渦(wo)輪流(liu)量計(ji)處于(yu)穩定(ding)工況(kuang)。圖4爲(wei)❗仿真(zhen)達到(dao)穩定(ding)狀态(tai)時截(jie)♈取的(de)力矩(ju)系數(shu)🐕變化(hua)圖。
 
3流(liu)場特(te)性分(fen)析
　　通(tong)過圖(tu)5所示(shi)的流(liu)量計(ji)三維(wei)流場(chang)速度(du)矢量(liang)圖發(fa)現，流(liu)量計(ji)管道(dao)👣内部(bu)流場(chang)變化(hua)最複(fu)雜的(de)地方(fang)發生(sheng)在葉(ye)輪下(xia)半⭐部(bu)分與(yu)流🔞體(ti)直接(jie)沖擊(ji)的位(wei)置，流(liu)體高(gao)速沖(chong)擊至(zhi)葉輪(lun)表🐉面(mian)，在推(tui)動葉(ye)輪轉(zhuan)動的(de)同時(shi)，流體(ti)向❓兩(liang)側邊(bian)緣和(he)葉片(pian)頂端(duan)流出(chu)，由于(yu)葉片(pian)邊🔆緣(yuan)呈直(zhi)角過(guo)度，在(zai)此處(chu)流體(ti)速度(du)發生(sheng)小範(fan)圍的(de)♈急升(sheng)，會對(dui)葉輪(lun)葉片(pian)邊緣(yuan)造成(cheng)更大(da)沖擊(ji)。
 
　　沿流(liu)量計(ji)内道(dao)方向(xiang)設定(ding)截面(mian)，以方(fang)便觀(guan)察流(liu)量計(ji)管道(dao)内🔆部(bu)🤩的流(liu)場狀(zhuang)況。通(tong)過速(su)度場(chang)雲圖(tu)可知(zhi)，流體(ti)從圖(tu)片右(you)🐆側管(guan)道入(ru)🌈口流(liu)入，由(you)于泥(ni)漿爲(wei)不可(ke)壓縮(suo)流體(ti)，所以(yi)在速(su)度入(ru)口處(chu)不設(she)❄️置進(jin)口🛀🏻壓(ya)力。在(zai)管道(dao)内壁(bi)處，由(you)于流(liu)體本(ben)身存(cun)在粘(zhan)性，會(hui)産生(sheng)粘性(xing)邊界(jie)層，從(cong)圖6可(ke)以看(kan)出管(guan)道内(nei)流速(su)由内(nei)壁向(xiang)管道(dao)中心(xin)逐漸(jian)增大(da)，而在(zai)旋轉(zhuan)域部(bu)分，即(ji)葉輪(lun)區域(yu)附近(jin)❗出的(de)💘邊界(jie)層要(yao)相對(dui)厚一(yi)些，但(dan)是由(you)于葉(ye)輪本(ben)身的(de)結構(gou)特點(dian)，葉輪(lun)兩側(ce)距離(li)🔴壁面(mian)有較(jiao)大空(kong)隙，邊(bian)界層(ceng)不會(hui)🔴對葉(ye)輪本(ben)⭐身的(de)轉動(dong)産🛀🏻生(sheng)影響(xiang)💋。
3.1速度(du)場分(fen)析
　　在(zai)體積(ji)流量(liang)1.2m³/min、流體(ti)密度(du)1250kg/m³流體(ti)條件(jian)下進(jin)行仿(pang)真計(ji)算。通(tong)過圖(tu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼6所示(shi)的流(liu)場速(su)度雲(yun)圖能(neng)夠發(fa)現流(liu)場分(fen)布比(bi)較複(fu)雜的(de)部分(fen)主要(yao)集中(zhong)在葉(ye)輪表(biao)面附(fu)近，尤(you)其是(shi)葉輪(lun)結構(gou)直接(jie)暴露(lu)在腔(qiang)體管(guan)道中(zhong)的部(bu)分。流(liu)體從(cong)右側(ce)高速(su)沖擊(ji)在葉(ye)輪葉(ye)片上(shang)，對葉(ye)輪葉(ye)片施(shi)加壓(ya)力，然(ran)後從(cong)葉片(pian)兩邊(bian)和下(xia)方流(liu)出。然(ran)而在(zai)流體(ti)直接(jie)沖擊(ji)到的(de)💰葉🏃🏻‍♂️片(pian)頂部(bu)區域(yu)發生(sheng)了速(su)度場(chang)的🔱突(tu)變,這(zhe)是由(you)切向(xiang)式葉(ye)輪的(de)結構(gou)特性(xing)所決(jue)定的(de)。
　　能夠(gou)發現(xian)在相(xiang)同條(tiao)件下(xia),粘度(du)65mPa·s下的(de)葉輪(lun)附近(jin)最大(da)速度(du)爲27.5m/s,略(lue)高于(yu)粘度(du)45mPas下的(de)26.5m/s,粘度(du)的升(sheng)高導(dao)緻了(le)流場(chang)流速(su)的整(zheng)體升(sheng)高。分(fen)析其(qi)原因(yin)爲粘(zhan)度的(de)升高(gao)使葉(ye)輪頂(ding)隙流(liu)體粘(zhan)性阻(zu)力增(zeng)大，減(jian)🛀🏻小了(le)間隙(xi)中的(de)流體(ti)流量(liang)，從而(er)使葉(ye)片表(biao)面流(liu)量增(zeng)加，導(dao)緻葉(ye)輪轉(zhuan)速小(xiao)幅上(shang)升。
 
3.2壓(ya)力場(chang)分析(xi)
　　通過(guo)圖7所(suo)示的(de)流量(liang)計的(de)截面(mian)壓力(li)雲圖(tu)可知(zhi)，渦輪(lun)流🐪量(liang)計正(zheng)常作(zuo)業時(shi)，整個(ge)腔體(ti)内的(de)壓力(li)分布(bu)較爲(wei)較爲(wei)均勻(yun),壓力(li)場變(bian)化較(jiao)👅大的(de)地方(fang)發生(sheng)在葉(ye)輪葉(ye)💋片與(yu)流體(ti)發生(sheng)沖擊(ji)的--側(ce)，最大(da)壓力(li)集✉️中(zhong)在葉(ye)片表(biao)面附(fu)近，粘(zhan)度65mPa·s.條(tiao)件下(xia)，葉輪(lun)表面(mian)💜處的(de)最大(da)壓力(li)達到(dao)0.256MPa，高于(yu)粘度(du)45mPa·s條件(jian)下的(de)0.195MPa，壓力(li)從葉(ye)片表(biao)面向(xiang)外逐(zhu)漸較(jiao)㊙️小。流(liu)體粘(zhan)度的(de)升高(gao)使葉(ye)輪附(fu)近流(liu)體阻(zu)力矩(ju)增大(da)，導緻(zhi)作用(yong)在葉(ye)片表(biao)面的(de)推動(dong)力增(zeng)大，從(cong)而葉(ye)片受(shou)到的(de)壓力(li)增大(da)。
 
3.3葉片(pian)表面(mian)壓力(li)分析(xi)
　　通過(guo)圖8所(suo)示的(de)葉片(pian)表面(mian)的壓(ya)力分(fen)布圖(tu)可知(zhi)，在葉(ye)輪處(chu)♊于穩(wen)定工(gong)況力(li)矩平(ping)衡狀(zhuang)态下(xia)時，葉(ye)片上(shang)最大(da)壓力(li)主要(yao)集中(zhong)🙇‍♀️在葉(ye)片根(gen)部和(he)葉片(pian)表面(mian)中心(xin)位置(zhi)處，向(xiang)着🔴葉(ye)片邊(bian)緣位(wei)置逐(zhu)漸減(jian)小。這(zhe)是由(you)于葉(ye)片本(ben)身的(de)平面(mian)結構(gou)所導(dao)緻，葉(ye)片表(biao)面壓(ya)力分(fen)🥵布不(bu)均勻(yun)🔴，無法(fa)對來(lai)流的(de)沖擊(ji)做出(chu)🥰很好(hao)的瞬(shun)時響(xiang)應。
 
3.4仿(pang)真結(jie)果分(fen)析
　　設(she)定流(liu)體密(mi)度1440kg/m³,粘(zhan)度55mPa·s,流(liu)體體(ti)積流(liu)量範(fan)圍爲(wei)0.21至4m³/min,其(qi)中0.2Im3/min爲(wei)該流(liu)體🔴條(tiao)件下(xia)，流量(liang)計管(guan)道内(nei)層流(liu)與湍(tuan)流的(de)分界(jie)流量(liang)，4m³/min爲流(liu)量計(ji)的量(liang)程範(fan)圍上(shang)限。仿(pang)真結(jie)果如(ru)表♉1所(suo)示。
 
　　爲(wei)了探(tan)究更(geng)大粘(zhan)度範(fan)圍内(nei)的流(liu)量計(ji)計量(liang)特性(xing)，在流(liu)👣體粘(zhan)度35-75mPas範(fan)圍内(nei)選取(qu)35、45、55、65、75mPa:s五個(ge)粘度(du)點進(jin)行仿(pang)真計(ji)算。圖(tu)9爲流(liu)量計(ji)儀表(biao)系數(shu)變化(hua)曲線(xian)圖，能(neng)夠發(fa)現整(zheng)體儀(yi)表系(xi)數曲(qu)線呈(cheng)現先(xian)減小(xiao)後🔴增(zeng)大的(de)趨勢(shi)，符合(he)渦輪(lun)流量(liang)計儀(yi)表系(xi)數曲(qu)線的(de)一般(ban)特性(xing)。觀🤟察(cha)小流(liu)量下(xia)的儀(yi)表系(xi)數曲(qu)線能(neng)夠發(fa)現，随(sui)着粘(zhan)度減(jian)小，儀(yi)表🧑🏽‍🤝‍🧑🏻系(xi)數曲(qu)線呈(cheng)現整(zheng)體右(you)移增(zeng)大的(de)趨勢(shi)，而在(zai)大🌈流(liu)量下(xia)，能夠(gou)明顯(xian)看出(chu)在粘(zhan)度35、45mPars下(xia)的儀(yi)表系(xi)數要(yao)高于(yu)55、65、75mPa·s。原因(yin)主要(yao)是粘(zhan)度減(jian)小導(dao)緻流(liu)體阻(zu)力減(jian)小，從(cong)而整(zheng)體💯葉(ye)輪轉(zhuan)速随(sui)之增(zeng)大，導(dao)緻儀(yi)表系(xi)數随(sui)之增(zeng)大。通(tong)過🐅圖(tu)9還可(ke)發現(xian)在粘(zhan)度35、45mPa:s粘(zhan)度🐅相(xiang)對較(jiao)低時(shi)，儀表(biao)系數(shu)相🙇🏻較(jiao)于粘(zhan)度時(shi)💜的變(bian)化要(yao)更☎️爲(wei)平緩(huan)，線性(xing)度更(geng)高:在(zai)粘📱度(du)55、65、75mPa·s情況(kuang)下，儀(yi)表系(xi)數随(sui)着流(liu)量增(zeng)大而(er)增大(da)的趨(qu)勢更(geng)爲明(ming)顯，線(xian)性度(du)降低(di)。
 
　　圖10爲(wei)葉輪(lun)轉速(su)随體(ti)積流(liu)量的(de)變化(hua)關系(xi)圖，發(fa)現葉(ye)輪👅轉(zhuan)速和(he)體積(ji)流量(liang)呈正(zheng)比例(li)增大(da)關系(xi)，受粘(zhan)度變(bian)化影(ying)響較(jiao)小。
　　通(tong)過圖(tu)11發現(xian)，在流(liu)量計(ji)量程(cheng)範圍(wei)内，葉(ye)輪受(shou)到的(de)流體(ti)阻力(li)⛷️随🌈體(ti)積流(liu)量Q的(de)增大(da)而增(zeng)大，并(bing)呈現(xian)指數(shu)關系(xi)。随着(zhe)流體(ti)粘♌度(du)的🔴增(zeng)大，葉(ye)輪受(shou)到的(de)阻力(li)随之(zhi)增大(da)，且在(zai)大流(liu)量情(qing)況下(xia)，這種(zhong)趨勢(shi)更加(jia)明顯(xian)，而葉(ye)輪阻(zu)力會(hui)降低(di)葉輪(lun)轉💞速(su)以及(ji)儀👌表(biao)系數(shu)，同之(zhi)前分(fen)析結(jie)果保(bao)持一(yi)緻。
4固(gu)井實(shi)驗驗(yan)證
4.1固(gu)井實(shi)測條(tiao)件
　　使(shi)用圖(tu)12所示(shi)的切(qie)向式(shi)固井(jing)泥漿(jiang)流量(liang)計在(zai)遼甯(ning)某油(you)田油(you)井進(jin)行數(shu)據采(cai)集。
　　固(gu)井作(zuo)業現(xian)場設(she)備有(you)水泥(ni)灰灌(guan)、固井(jing)水罐(guan)車、固(gu)井水(shui)泥🔅車(che)以✊及(ji)井口(kou)水泥(ni)泵。泥(ni)漿流(liu)量計(ji)安裝(zhuang)在固(gu)井注(zhu)水泥(ni)車和(he)井口(kou)水泥(ni)泵🥵之(zhi)間的(de)管道(dao)之間(jian)，水泥(ni)車将(jiang)水泥(ni)灰和(he)水混(hun)合之(zhi)後成(cheng)爲🏃水(shui)泥漿(jiang)注入(ru)到井(jing)下。當(dang)水泥(ni)漿🔞從(cong)管道(dao)流過(guo)時，沖(chong)擊😍流(liu)量計(ji)葉✨輪(lun)并發(fa)生旋(xuan)轉，并(bing)産生(sheng)脈沖(chong)信号(hao)，轉化(hua)爲葉(ye)輪轉(zhuan)速、瞬(shun)時體(ti)積流(liu)量等(deng)數據(ju)傳輸(shu)至系(xi)統箱(xiang)，即采(cai)集得(de)到所(suo)需數(shu)據，用(yong)來與(yu)仿真(zhen)計算(suan)結果(guo)對比(bi)驗證(zheng)。其中(zhong)，泥漿(jiang)流量(liang)計系(xi)統箱(xiang)每12s記(ji)錄-次(ci)數據(ju)。
　　現場(chang)對泥(ni)漿粘(zhan)度的(de)測量(liang)采用(yong)六速(su)旋轉(zhuan)粘度(du)計，六(liu)速旋(xuan)轉粘(zhan)度計(ji)主要(yao)用來(lai)測量(liang)固井(jing)作業(ye)中水(shui)泥漿(jiang)等流(liu)體流(liu)🌐變參(can)💚數，而(er)☔固井(jing)作業(ye)所用(yong)水泥(ni)漿粘(zhan)度因(yin)✔️油井(jing)的不(bu)同會(hui)有所(suo)變化(hua)。
　　所選(xuan)用進(jin)行實(shi)測的(de)泥漿(jiang)流量(liang)計管(guan)道内(nei)徑爲(wei)50.8mm葉輪(lun)半徑(jing)18.5mm。油田(tian)進行(hang)固井(jing)作業(ye)的兩(liang)口油(you)井，實(shi)測注(zhu)入的(de)分别(bie)爲粘(zhan)度54mPars、密(mi)度1500kg/m³以(yi)🏃及粘(zhan)度50mPars、密(mi)度1380kg/m³的(de)兩種(zhong)水泥(ni)泥漿(jiang)。
4.2仿真(zhen)數據(ju)驗證(zheng)
　　由于(yu)實際(ji)固井(jing)作業(ye)中，穩(wen)定工(gong)況下(xia)監測(ce)的泥(ni)漿瞬(shun)時流(liu)量的(de)變化(hua)大緻(zhi)呈階(jie)梯式(shi)上升(sheng)或下(xia)降，記(ji)錄間(jian)隔太(tai)短的(de)數據(ju)之間(jian)較爲(wei)接近(jin)，不具(ju)有差(cha)異性(xing)和對(dui)比性(xing)。
　　根據(ju)現場(chang)作業(ye)情況(kuang)，一次(ci)注入(ru)泥漿(jiang)作業(ye)從開(kai)始至(zhi)結束(shu)，流量(liang)計采(cai)集到(dao)的大(da)部分(fen)穩定(ding)工況(kuang)泥漿(jiang)瞬時(shi)流量(liang)🌐在1-2m³/min左(zuo)右範(fan)圍内(nei)，爲了(le)在這(zhe)一流(liu)量範(fan)圍内(nei)最大(da)程度(du)選取(qu)具有(you)對比(bi)性的(de)流量(liang)點，進(jin)行如(ru)下選(xuan)取:
(1)在(zai)粘度(du)54mPas、密度(du)約爲(wei)1500kg/m³條件(jian)下選(xuan)用數(shu)據采(cai)集過(guo)程中(zhong)采集(ji)到的(de)瞬❌時(shi)流量(liang)1.66m³/min至1.98m³/min範(fan)圍内(nei)變化(hua)最爲(wei)明顯(xian)的5個(ge)流量(liang)點作(zuo)爲仿(pang)真計(ji)算的(de)輸入(ru)條件(jian)，計算(suan)結果(guo)如表(biao)2所🈚示(shi)。
(2)用同(tong)樣方(fang)法選(xuan)取粘(zhan)度50mPa·s、密(mi)度1380kg/m³條(tiao)件下(xia)采集(ji)到的(de)瞬時(shi)流量(liang)1.05-2.15m/min範圍(wei)内🌍的(de)5個流(liu)量點(dian)，設定(ding)實際(ji)選用(yong)的流(liu)量計(ji)結構(gou)🛀🏻參數(shu)以及(ji)流體(ti)📐參數(shu)，計算(suan)結果(guo)如表(biao)3所示(shi)。
 
　　将實(shi)際固(gu)井作(zuo)業中(zhong)采集(ji)到的(de)兩組(zu)葉輪(lun)轉速(su)數據(ju)⭐和⭐仿(pang)真結(jie)果進(jin)行對(dui)比，最(zui)大誤(wu)差爲(wei)2.9%，最小(xiao)誤差(cha)0.2%，平均(jun)誤差(cha)♋1.38%，仿真(zhen)數據(ju)和實(shi)測數(shu)據較(jiao)爲接(jie)近，認(ren)爲所(suo)建立(li)的仿(pang)真💃模(mo)型具(ju)有精(jing)度。
5結(jie)論
　　針(zhen)對固(gu)井工(gong)程所(suo)用的(de)切向(xiang)式渦(wo)輪流(liu)量計(ji)建立(li)了驅(qu)🌏動力(li)矩、阻(zu)力矩(ju)的數(shu)學模(mo)型，并(bing)在此(ci)基礎(chu)推導(dao)出儀(yi)表系(xi)數K的(de)數學(xue)模型(xing)，發現(xian)粘度(du)變化(hua)會對(dui)流量(liang)計儀(yi)表系(xi)數造(zao)成影(ying)響，使(shi)固井(jing)工程(cheng)流量(liang)計量(liang)作業(ye)有👄了(le)理論(lun)依據(ju)。
　　建立(li)6DOF流體(ti)仿真(zhen)模型(xing)，對流(liu)量計(ji)體積(ji)流量(liang)0.21-4m³/min量程(cheng)範圍(wei)内，流(liu)體粘(zhan)度35、45、55、65、75mPa·s的(de)流體(ti)條件(jian)分别(bie)進行(hang)仿真(zhen)分析(xi)。發現(xian)随着(zhe)粘度(du)減小(xiao)，儀表(biao)系數(shu)曲線(xian)呈現(xian)整體(ti)右移(yi)增大(da)♌的趨(qu)勢，原(yuan)因主(zhu)🔞要是(shi)粘度(du)減小(xiao)導緻(zhi)流☂️體(ti)阻力(li)減小(xiao)，從而(er)整體(ti)葉輪(lun)轉速(su)🛀和儀(yi)表系(xi)數随(sui)之增(zeng)大。且(qie)随着(zhe)粘度(du)增大(da)，儀⛷️表(biao)系數(shu)曲線(xian)線性(xing)度減(jian)小。
　　通(tong)過實(shi)際固(gu)井工(gong)程作(zuo)業采(cai)集的(de)流量(liang)數據(ju)和仿(pang)真數(shu)據進(jin)⁉️行對(dui)比分(fen)析，最(zui)大誤(wu)差爲(wei)2.9%，最小(xiao)誤差(cha)0.2%，平均(jun)誤差(cha)1.38%，驗證(zheng)了仿(pang)真模(mo)型的(de)正💰确(que)性，爲(wei)固井(jing)泥漿(jiang)流量(liang)計的(de)研究(jiu)提供(gong)了依(yi)據。

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