摘(zhāi)要:固井(jǐng)泥漿流(liú)量計
是(shì)應用在(zài)油田固(gù)井工程(cheng)中進行(háng)泥漿流(liu)量計量(liàng)的儀🈲器(qì)🌏，屬👈于⁉️切(qie)向式渦(wo)輪流量(liang)計
。爲探(tan)究流體(ti)條件對(duì)其計量(liang)特性的(de)影響機(jī)理，首先(xiān)建立流(liu)量計葉(yè)輪驅動(dong)力矩和(he)阻力矩(jǔ)的數學(xue)模型，在(zài)此基礎(chǔ)上建立(li)儀🈲表系(xì)數K的模(mó)型，并發(fa)現流體(tǐ)粘度是(shì)影響因(yin)素之一(yī)。其次，考(kǎo)慮到實(shí)際固井(jing)作業中(zhōng)，粘度對(dui)儀表計(ji)量特性(xing)的影響(xiǎng)規律較(jiao)爲複雜(za)，因此使(shǐ)用有限(xian)元分析(xi)軟件，建(jiàn)立6DOF葉輪(lún)被動旋(xuan)轉流體(tǐ)仿真計(jì)算模型(xing)🈚，對多種(zhong)流體粘(zhān)度35、45、55、65、75mPas條件(jiàn)下的流(liú)場特性(xìng)以及儀(yí)表系數(shu)特性進(jin)行仿真(zhēn)分析，總(zong)結粘度(du)變化對(dui)流量計(jì)計量特(tè)性的影(yǐng)響規律(lü)。最後通(tōng)過實際(jì)采集的(de)固井測(ce)量數據(ju)和仿真(zhēn)數據進(jìn)行比較(jiào)，平均誤(wù)差爲1.38%，驗(yàn)證了建(jian)立的仿(páng)真模型(xíng)的有效(xiào)性。
0引言(yán)
随着社(she)會生産(chǎn)力的發(fa)展，在石(shí)油氣、醫(yī)療衛生(sheng)以及工(gōng)業生産(chǎn)等衆多(duō)領域，對(dui)于流體(ti)介質的(de)計量要(yao)求✏️越來(lái)越高。在(zai)油✌️田固(gù)井工程(chéng)中，固井(jing)質量直(zhí)接決定(ding)油井在(zài)後續作(zuo)中的安(an)✔️全性和(hé)可靠性(xìng)🔞，而在固(gu)井作業(ye)中，鑽井(jǐng)液、水泥(ní)漿等流(liu)體注入(rù)的體積(jī)精度會(hui)直接影(ying)響固井(jing)作業的(de)質量❓。
渦(wō)輪流量(liang)計爲固(gu)井工程(cheng)中進行(háng)流量計(jì)量的重(zhòng)要裝置(zhi)，渦輪👈流(liú)量計具(jù)有耐用(yong)、計量正(zhèng)确、響應(yīng)速度快(kuai)⚽、計量範(fàn)圍廣等(děng)特點，分(fen)爲切向(xiàng)式渦輪(lun)流量計(jì)和軸向(xiàng)式渦輪(lun)流量計(ji)，軸向式(shì)渦輪流(liu)量較爲(wèi)常用，其(qí)内部包(bāo)含前導(dǎo)流件、旋(xuan)轉葉輪(lun)、後導流(liú)件以及(jí)電磁感(gan)應裝置(zhì)，尤其♉葉(yè)輪部分(fen)結構比(bi)較複雜(zá)💋，這些結(jie)構特性(xing)使軸向(xiàng)式渦輪(lun)流量計(jì)隻能夠(gòu)計量純(chun)液體🤩或(huo)氣體。而(er)切向式(shì)渦輪🌈流(liu)量計🚶♀️葉(yè)輪結構(gou)相對簡(jiǎn)單，能夠(gòu)适應雜(za)質較多(duō)的泥漿(jiāng)等流體(tǐ)的計量(liang)工作。實(shi)際固井(jǐng)中分爲(wei)多個階(jiē)段，需☀️分(fèn)别注入(rù)不同組(zǔ)分構成(chéng)的♊鑽井(jǐng)液、替井(jǐng)液、水泥(ní)漿等流(liú)體介質(zhi)，并且根(gēn)據油井(jing)的不同(tóng)，注入的(de)流體的(de)密🥰度、粘(zhān)度等參(cān)數都在(zài)一定範(fan)圍内波(bō)動，流體(ti)密度大(da)緻在1000-1800kg/m³,粘(zhān)度大緻(zhì)在45-65mPas範圍(wei)内波動(dong)，不同🔞的(de)流體條(tiáo)件會對(duì)計量結(jie)果産生(sheng)較大影(ying)響，并且(qie)流量計(ji)的結構(gou)尺寸也(ye)會對結(jié)果産生(shēng)重大影(ying)響。目前(qian)針對渦(wo)輪流量(liàng)計的研(yán)究重點(diǎn)主要集(ji)中在通(tōng)過優化(hua)🎯儀表系(xi)數K的☁️數(shu)學模型(xíng)化葉🏃♀️輪(lún)尺寸、改(gǎi)進結構(gou)材料等(děng)工作來(lai)提高計(ji)量精度(du)。
針對渦(wō)輪流量(liàng)計的理(lǐ)論研究(jiū)方法，國(guo)内外學(xué)者做出(chu)了大量(liang)研究并(bing)且已經(jīng)形成完(wan)整的理(li)論體系(xì)。POPE[81基于Lee建(jiàn)立的渦(wo)輪流量(liang)計數學(xue)模型進(jin)行擴展(zhan)，以考慮(lü)轉子上(shàng)的流體(ti)阻力、軸(zhóu)承靜态(tài)阻力和(hé)⚽軸承粘(zhan)性阻力(li)。Ball9研究表(biao)明在層(céng)流段渦(wo)輪流量(liang)計K值随(sui)雷諾數(shu)增📧加而(er)增加。
但(dan)是大部(bu)分理論(lùn)模型都(dōu)是針對(dui)傳統軸(zhou)向式渦(wō)輪流🙇♀️量(liang)計🏃🏻所建(jiàn)立，對于(yu)在油田(tián)固井工(gong)程中的(de)具有特(tè)殊結構(gou)的切向(xiang)式渦輪(lún)流量計(ji)，并沒有(yǒu)針對性(xing)的理論(lùn)模型。本(běn)文采👄用(yong)微元法(fa)對切向(xiàng)式葉輪(lun)進行流(liu)體🛀🏻沖擊(jī)下的受(shòu)力分析(xi)，并分析(xi)受到的(de)流體⁉️阻(zǔ)力矩，建(jiàn)立針對(dui)性的♻️切(qie)向式渦(wō)輪流量(liang)計儀表(biao)系數模(mo)型。基于(yú)有限元(yuan)流體仿(pang)真軟件(jiàn)，在不🌐同(tong)流體粘(zhān)度條件(jiàn)下，進行(hang)流量計(jì)内部🈚流(liú)場分🏒析(xi)，總結不(bú)同流體(tǐ)條件對(duì)流量計(jì)計量特(tè)性的影(ying)響。
1儀表(biǎo)系數數(shu)學模型(xing)建立
圖(tu)1爲切向(xiang)式固井(jǐng)泥漿流(liu)量計葉(ye)輪在流(liu)體沖擊(jī)狀态㊙️下(xia)🚩的力矩(jǔ)分析圖(tú)。葉片上(shàng)受到流(liu)體沖擊(jī)産生的(de)驅動力(lì)矩T，同時(shi)由于在(zài)流🐕量計(jì)腔體在(zài)工作狀(zhuàng)态下⁉️充(chong)滿流🏃🏻♂️體(ti)将整個(gè)葉輪包(bao)圍在其(qi)中，所🙇♀️以(yǐ)葉輪在(zài)轉動的(de)同時會(hui)受到流(liu)體帶來(lái)的流體(ti)阻力矩(jǔ)Trf。由于研(yan)🙇🏻究所用(yong)的切向(xiàng)式流量(liang)計葉輪(lún)和軸之(zhi)💯間采用(yong)軸承🙇♀️支(zhi)撐，軸與(yǔ)軸承✔️之(zhī)間存在(zai)縫隙，在(zai)工作狀(zhuàng)态下也(ye)會充滿(man)流體産(chan)生縫隙(xi)間的液(yè)體粘性(xing)🈲阻力矩(ju)Tm。而葉輪(lun)頂端在(zài)轉動時(shi)與流量(liang)計内壁(bì)會形成(cheng)環形間(jiān)隙，從🏃而(ér)産生葉(yè)🈲片頂端(duan)與殼體(tǐ)内壁間(jiān)的液體(tǐ)粘性阻(zu)力矩T10]。感(gan)應元件(jian)帶來的(de)電磁❓反(fan)應阻力(li)矩可忽(hu)略不計(ji)。
根據動(dòng)量矩定(ding)理，可以(yi)寫出葉(ye)輪的運(yun)動方程(cheng)"，如式🛀(1)
式(shi)中:J爲葉(yè)輪轉動(dòng)慣量;o爲(wèi)葉輪旋(xuán)轉角速(sù)度;
當渦(wō)輪流量(liang)計達到(dao)穩定工(gōng)況時,渦(wo)輪流量(liàng)計受到(dào)🌐的合力(lì)矩趨近(jìn)于0,葉輪(lun)旋轉的(de)角加速(su)度也趨(qū)近于0,則(zé)有:
1.1驅動(dòng)力矩
由(yóu)于葉輪(lun)受到的(de)驅動力(li)矩Tg是流(liu)體沖擊(ji)葉輪葉(ye)片産生(sheng)的，使用(yòng)微元法(fǎ)對葉輪(lun)上一個(gè)葉片進(jin)行分析(xī)，在葉✊片(piàn)上取半(bàn)徑爲r處(chu)葉片微(wei)元。半徑(jìng)r處的葉(yè)片微元(yuán)上所受(shòu)到的驅(qu)動力㊙️dF可(kě)表示爲(wèi):
式中:ρ表(biao)示流體(ti)的密度(du),單位:Kg/m³;Q表(biǎo)示流體(ti)的體積(ji)流量，單(dan)位:m³/min。
所以(yǐ)，半徑r處(chu)的葉片(pian)微元上(shang)所受到(dao)的驅動(dòng)力矩dTd可(ke)表示爲(wei)🌐:
根據葉(ye)片結構(gou)，對葉片(piàn)長度範(fan)圍内進(jin)行積分(fen)得:
式中(zhōng):v1爲流量(liàng)計進口(kǒu)流體平(píng)均速度(du);v2爲傳感(gǎn)器出口(kǒu)流體🔴平(ping)均速度(du);a1爲v1與半(ban)徑r處的(de)圓周速(sù)度u之間(jiān)的夾角(jiǎo):a2爲以與(yǔ)♊半徑r處(chù)的圓周(zhou)速度u之(zhi)間的夾(jia)角。
流量(liang)計進口(kou)的平均(jun)速度v1表(biao)示爲:
式(shi)中:A爲流(liu)量計内(nèi)流道橫(heng)截面積(jī)，單位:1m²。
根(gen)據流體(ti)出口速(sù)度三角(jiao)形關系(xì)可知:
式(shi)中:n爲單(dan)位時間(jian)内渦輪(lún)轉數，單(dan)位:r/s，則有(yǒu):
代入式(shi)(5)得到驅(qu)動力矩(ju)表達式(shi):
式中:rh爲(wèi)葉片頂(ding)端半徑(jìng)，rk爲葉片(piàn)底端半(ban)徑，rb爲葉(ye)輪伸出(chu)在流量(liang)計管道(dao)内部分(fen)的最小(xiǎo)長度。
1.2流(liu)體阻力(lì)矩
在葉(yè)片轉動(dong)時，流體(ti)沖擊在(zài)葉輪上(shang)産生相(xiang)互作用(yòng)，産生🧑🏾🤝🧑🏼阻(zu)礙葉輪(lún)轉動的(de)粘滞力(li)，根據以(yi)往對于(yu)渦輪流(liu)量計流(liú)體阻力(li)矩的研(yan)究，實際(jì)流體阻(zǔ)力矩與(yu)流體體(ti)積流量(liang)呈現指(zhi)數關系(xi)。由王振(zhèn)等🤞121關于(yú)切向式(shì)流量計(jì)的㊙️研究(jiū)，經過簡(jiǎn)化得流(liu)體流動(dong)阻力矩(jǔ)Trf:
式中:C爲(wèi)隻與結(jie)構參數(shu)有關的(de)比例系(xi)數。
1.3軸與(yǔ)軸承的(de)粘性摩(mo)擦阻力(li)距
在研(yán)究所用(yòng)切向式(shi)固井泥(ni)漿流量(liàng)計的葉(ye)輪與軸(zhou)之間采(cai)用軸承(cheng)鏈接，軸(zhou)與軸承(cheng)内徑之(zhi)間存在(zài)一定👌間(jiān)隙，在流(liú)量計的(de)工作狀(zhuàng)♌态下，流(liu)量計腔(qiāng)體内充(chong)滿流體(ti)，從而軸(zhóu)與葉輪(lun)内孔的(de)間隙也(ye)會充滿(man)流體，所(suo)以葉輪(lun)會受到(dào)流體與(yǔ)内孔表(biao)面間的(de)粘性阻(zu)力矩Tm。由(yóu)于兩者(zhe)之間的(de)間隙很(hen)小，可以(yǐ)将縫隙(xì)間的液(yè)體流動(dong)狀态看(kàn)作是層(céng)流狀态(tài)，因💚此的(de)表達式(shì)如式(12)所(suǒ)🔴示:
式中(zhong):L表示軸(zhou)與葉片(piàn)參與摩(mo)擦部分(fèn)的長度(dù)，單位爲(wèi)m;.
v表示運(yun)動粘度(du),單位爲(wèi)mm2/s;
ɷ-角速度(du)，單位:rad/s。
1.4葉(ye)輪頂端(duan)與殼體(ti)内壁間(jiān)的流體(tǐ)粘性阻(zǔ)力矩
在(zài)工作狀(zhuang)态下，葉(yè)輪在流(liú)體沖擊(ji)下産生(shēng)高速旋(xuán)轉，由于(yú)研究📞所(suǒ)采用的(de)渦輪流(liú)量計特(te)有的内(nèi)部結構(gou)，六片式(shì)的💔葉輪(lún)的上半(bàn)部分被(bèi)殼體内(nei)壁所包(bāo)圍，而葉(yè)輪的下(xia)半部分(fen)暴露🔞在(zài)流量計(jì)腔體的(de)管道部(bù)分内，而(er)被包💃🏻裹(guo)的部分(fèn)㊙️在高速(su)轉✂️動下(xia)和殼體(tǐ)内壁形(xíng)成了半(ban)環形的(de)區域，和(he)軸✏️與葉(yè)輪間隙(xi)産生的(de)環形區(qu)域類似(si)，半環形(xíng)區域内(nei)同樣充(chōng)滿了流(liu)體，對葉(yè)輪💚産生(sheng)了粘性(xing)阻力矩(ju)7b,但是由(yóu)于葉輪(lun)♊其中一(yi)半結構(gòu)不與殼(ké)體内壁(bì)産生環(huan)形區域(yu)，故葉輪(lun)頂部與(yu)殼體内(nei)壁間的(de)流體粘(zhan)性阻力(li)矩本文(wén)隻考慮(lǜ)半環形(xing)區㊙️域産(chǎn)生的液(ye)體粘性(xìng)阻力矩(jǔ)。給出葉(yè)輪頂部(bù)與殼體(ti)🔴内壁間(jiān)的流體(tǐ)粘性摩(mo)擦♋阻👄力(li)距表達(dá)式。如式(shi)(13)所示。
1.5儀(yi)表系數(shù)K
儀表系(xi)數K是表(biao)征渦輪(lun)流量計(jì)測量特(te)性最重(zhong)要的㊙️參(can)💋數⭕，通常(chang)🐇将🌈傳感(gǎn)器輸出(chū)顯示的(de)脈沖信(xin)号率f和(he)單位時(shi)間内的(de)體積流(liú)量Q的比(bǐ)值定義(yì)爲K。
通過(guo)式(17)能夠(gou)看出，切(qie)向式泥(ní)漿流量(liàng)計的儀(yi)表系數(shu)不✨僅受(shòu)到葉♈輪(lun)結構尺(chǐ)寸的影(yǐng)響，在相(xiang)同工況(kuàng)和流量(liàng)計結構(gòu)🔱尺寸🐇下(xia)，也會受(shou)到流體(ti)運動粘(zhan)度v變化(huà)的♌影響(xiǎng)，而當流(liú)體密度(du)的相同(tong)時，儀表(biǎo)系數則(ze)受到動(dong)🌈力粘度(du)η的影響(xiǎng)。
運動粘(zhan)度以及(jí)動力粘(zhan)度的關(guān)系如式(shì)(18)所示:
式(shi)中:η表示(shi)動力粘(zhan)度，單位(wèi)爲mPa·s;v表示(shì)運動粘(zhan)度,單位(wei)爲mm2/s;p表示(shi)密度，單(dan)位爲kg/m3。
實(shí)際工況(kuàng)下，粘度(du)對渦輪(lun)流量計(jì)的影響(xiǎng)情況較(jiao)爲複雜(zá)🈚，結❄️合上(shàng)述理論(lun)分析結(jie)果，本文(wén)采用流(liú)體仿真(zhēn)的方⁉️式(shì)對☔流體(tǐ)粘度和(hé)儀表系(xì)數變化(huà)之間的(de)關系🐪進(jin)行探讨(tǎo)。
2流量計(jì)流場分(fen)析
2.1内流(liú)道三維(wei)模型建(jiàn)立
計算(suan)流體力(li)學(computationalfluiddynamics,CFD)是就(jiù)流量計(ji)流場特(tè)性最有(you)效的方(fang)🧑🏾🤝🧑🏼法之。GUO等(děng)❗1[13-14使用CFD仿(páng)真計算(suàn)方法對(dui)不同流(liú)體粘度(dù)、葉片結(jié)構參數(shù)對流💋量(liàng)計⛷️計量(liang)影響規(guī)律進行(háng)探究，證(zheng)明🌂了使(shi)用CFD方法(fǎ)的⭐正确(que)率。
建立(li)流量計(jì)内流道(dao)和旋轉(zhuǎn)葉輪的(de)三維模(mó)型，并進(jin)行💯計算(suan)區域✏️劃(hua)分，如圖(tú)2所示。
對(duì)于靜止(zhi)區域采(cai)用2mm尺寸(cun)的網格(ge),旋轉域(yu)和靜止(zhi)域🌈之間(jiān)采用🚩itereface接(jie)觸對進(jìn)行連接(jiē),靜止域(yu)中近interface面(miàn)處的網(wǎng)格尺寸(cùn)設爲1mm。對(duì)于旋🧑🏾🤝🧑🏼轉(zhuan)域的網(wǎng)格進行(hang)細化，尤(you)其是✉️近(jìn)葉輪壁(bì)面的位(wèi)置，以保(bǎo)證流體(tǐ)沖擊🌂在(zai)葉片壁(bì)面上的(de)計算精(jing)度，旋轉(zhuan)域的網(wang)格尺寸(cùn)設置爲(wei)1mm,旋轉域(yu)中近葉(ye)輪壁面(mian)部分的(de)的網格(gé)尺寸設(she)置爲0.5mm。平(ping)均網格(gé)質量爲(wei)0.83左右🌈，滿(man)足計算(suàn)要求。劃(huà)分後的(de)網格模(mo)型⚽如圖(tú)3所示。
2.2計(ji)算條件(jiàn)設置
管(guan)道進口(kou)處設爲(wei)速度進(jin)口(velocty-inlet),管道(dao)出口處(chù)設爲壓(ya)力出口(kou)🤟(pressure-outlet)，旋轉域(yù)和靜止(zhǐ)域連接(jie)的壁面(miàn)設置3個(gè)interface接觸對(duì)🔞，來實現(xian)旋轉域(yu)和靜止(zhi)域之間(jiān)的數據(jù)交互，壁(bi)面附近(jin)采用标(biāo)準壁💋面(mian)函數。選(xuan)用RNGk-ε湍流(liu)模型🏃♂️進(jin)行渦輪(lun)流量計(ji)的仿真(zhen)分析。動(dong)網格更(gèng)新方式(shi)選擇♋Smoothing(光(guang)順)和Remeshing(網(wǎng)💘格重構(gòu))，爲了讓(rang)葉輪在(zai)流👌體沖(chòng)擊狀态(tai)下能夠(gòu)繞着旋(xuán)轉軸旋(xuan)轉，選擇(zé)SixDOF(六自由(you)度)來定(ding)義旋轉(zhuan)部件的(de)運動，使(shǐ)葉輪在(zai)受到外(wai)力情況(kuàng)下可以(yǐ)發生運(yun)動。
2.3仿真(zhen)儀表系(xi)數預測(cè)方法
力(li)矩平均(jun1)值法通(tong)過提取(qǔ)若幹周(zhou)期内的(de)力矩系(xì)數，計算(suan)🔞其平均(jun)值，當平(píng)均值的(de)數量級(jí)低于設(she)定值時(shi)❄️，判定力(li)矩基本(běn)受力平(píng)衡。但是(shi)此方法(fa)的局限(xiàn)在于📞所(suo)監測的(de)力矩系(xi)數沒有(you)達到🏃🏻♂️理(li)想範圍(wéi)時，需要(yào)在計算(suan)過程中(zhong)不斷在(zai)邊界條(tiao)件裏修(xiu)改葉輪(lún)轉速o，這(zhe)種方法(fa)具有一(yī)定程度(dù)的試探(tan)性，獲取(qu)數據過(guò)程繁‼️瑣(suǒ)，增加了(le)後處理(lǐ)過程的(de)成本。張(zhang)永勝等(děng)17]提出使(shǐ)用6DOF流體(ti)仿真模(mo)型，模拟(ni)葉輪在(zài)流體沖(chong)擊狀态(tai)下的真(zhēn)實工況(kuàng)。本文采(cai)用的6DOF模(mo)型實現(xian)了葉輪(lún)被📞動旋(xuán)轉，根據(ju)實際工(gong)況直接(jiē)對管道(dào)進口速(su)度v進行(háng)設置，計(jì)算之後(hòu)通過觀(guan)察實😄時(shi)的力矩(ju)系數和(hé)表面阻(zu)力變化(hua)曲線，便(biàn)可直接(jiē)判斷渦(wō)輪流量(liàng)計處于(yu)穩定工(gong)況的☔時(shi)刻,從而(ér)獲取穩(wen)定工況(kuang)時的轉(zhuǎn)速、力矩(jǔ)系數、表(biǎo)面阻力(lì)等數據(jù)，.大大減(jiǎn)少了計(ji)算成本(ben)，并能最(zui)大程度(dù)保證仿(páng)真的真(zhen)實性與(yu)合理性(xing)。
當渦輪(lún)流量計(ji)達到穩(wěn)定工況(kuang)時，流量(liang)的葉輪(lún)轉速也(ye)應趨于(yú)一穩定(dìng)值，進而(ér)儀表系(xì)數K也趨(qu)于一穩(wen)定值108]。在(zai)流量計(jì)的仿真(zhen)過程中(zhōng)，爲了得(dé)到穩定(dìng)空工況(kuang)🙇🏻下的葉(yè)輪轉速(su)，對葉輪(lun)的旋轉(zhuǎn)🔱軸進行(hang)力矩系(xi)數Cm和葉(yè)片表面(miàn)💜阻力drag的(de)監控。計(ji)算過程(cheng)受到葉(yè)輪本身(shēn)的結構(gòu)特點影(ying)響，力矩(ju)系數Cm和(hé)葉片表(biao)面阻力(li)drag的值都(dōu)呈現周(zhōu)期性變(biàn)化，因此(cǐ)提取Cm和(hé)drag值波動(dong)趨于平(píng)穩後的(de)6個周期(qi)内的變(bian)化數據(ju)，計算其(qí)周期算(suan)數平均(jun)值🔞，當Cm的(de)周期平(píng)均值值(zhí)小于某(mou)一-量級(ji)最大♉限(xiàn)度趨近(jin)于0時，則(ze)認爲此(cǐ)時渦輪(lun)流量計(ji)處于穩(wen)定工況(kuang)。圖4爲仿(pang)真達到(dào)穩定狀(zhuang)态時截(jié)🍓取的力(lì)矩系數(shu)✉️變化圖(tú)。
3流場特(tè)性分析(xi)
通過圖(tú)5所示的(de)流量計(jì)三維流(liú)場速度(dù)矢量圖(tu)發現，流(liu)量計✉️管(guǎn)道内部(bù)流場變(bian)化最複(fú)雜的地(di)方發生(sheng)在葉輪(lún)下半部(bu)分與流(liu)♍體直接(jie)沖擊的(de)位置，流(liú)體高速(su)沖擊至(zhì)葉輪表(biǎo)面，在推(tui)動葉輪(lun)轉動的(de)同時，流(liu)體向兩(liang)側邊緣(yuan)和葉片(piàn)頂端流(liú)出，由于(yú)葉片邊(biān)緣呈直(zhí)角過度(du)，在此處(chu)流體速(sù)度發生(sheng)小範圍(wei)的急升(sheng)，會對葉(ye)輪葉片(piàn)邊緣🧑🏽🤝🧑🏻造(zào)成更大(da)沖擊。
沿(yan)流量計(ji)内道方(fang)向設定(dìng)截面，以(yǐ)方便觀(guan)察流量(liàng)計管道(dào)内部的(de)流場狀(zhuàng)況。通過(guò)速度場(chǎng)雲圖可(kě)知，流體(ti)從圖✔️片(pian)右側管(guan)道入口(kǒu)流入，由(you)于泥漿(jiāng)爲不可(kě)壓縮流(liú)體，所🙇🏻以(yi)在速度(du)入口處(chu)不設置(zhì)進口壓(ya)力。在管(guan)道内壁(bì)處，由于(yu)流體本(ben)身存在(zài)粘性，會(huì)産生粘(zhān)性邊界(jie)層，從圖(tu)6可以看(kàn)出管道(dao)内流速(sù)由内壁(bì)向管道(dao)中心逐(zhú)漸增大(dà)，而💃在旋(xuan)轉域部(bu)分，即⛹🏻♀️葉(ye)輪區域(yu)附近出(chu)的邊界(jiè)層要💋相(xiang)對厚一(yī)些，但是(shi)由于葉(yè)輪本身(shen)的結構(gou)特點，葉(ye)輪兩側(ce)距離壁(bi)面有較(jiào)大空隙(xi)，邊界層(céng)不會對(duì)葉輪本(ben)身的轉(zhuǎn)動産生(shēng)影響。
3.1速(sù)度場分(fen)析
在體(ti)積流量(liàng)1.2m³/min、流體密(mì)度1250kg/m³流體(tǐ)條件下(xia)進行仿(pang)真計算(suan)。通過圖(tu)6所示的(de)流場速(sù)度雲圖(tú)能夠發(fā)現流場(chang)分布比(bi)較♉複雜(za)的部分(fèn)主要集(ji)中在葉(yè)輪表面(mian)附近，尤(yóu)其是葉(yè)輪結構(gou)直🌈接暴(bào)露在腔(qiang)體管道(dào)中的部(bu)分。流體(tǐ)從右側(cè)高速沖(chong)擊在葉(ye)輪葉片(piàn)🏃🏻♂️上，對葉(yè)輪葉片(pian)施加壓(yā)力，然後(hòu)從🎯葉片(piàn)兩邊和(hé)下方流(liú)出。然而(er)在流體(ti)直🥵接沖(chong)擊到的(de)♋葉片頂(dǐng)部區域(yu)發生了(le)速度場(chang)的突變(bian)🈲,這是由(yóu)切向式(shi)葉輪的(de)結構特(tè)性所決(jué)定的。
能(neng)夠發現(xiàn)在相同(tóng)條件下(xià),粘度65mPa·s下(xia)的葉輪(lún)附近最(zui)大速度(dù)㊙️爲27.5m/s,略高(gao)于粘度(dù)45mPas下的26.5m/s,粘(zhān)度的升(sheng)高導緻(zhi)了流場(chǎng)流速的(de)整🐕體升(shēng)高。分析(xi)其原因(yīn)爲粘度(du)的升高(gāo)使葉輪(lún)頂隙流(liú)體粘性(xìng)阻力增(zeng)大，減小(xiao)了間隙(xì)中的流(liú)體流量(liang)，從而使(shi)葉片表(biao)面流量(liàng)增加，導(dǎo)緻葉輪(lún)轉速小(xiǎo)幅上升(shēng)。
3.2壓力場(chǎng)分析
通(tōng)過圖7所(suo)示的流(liu)量計的(de)截面壓(yā)力雲圖(tú)可知，渦(wo)輪流量(liàng)計㊙️正❤️常(cháng)作業時(shí)，整個腔(qiāng)體内的(de)壓力分(fen)布較爲(wei)較爲均(jun)勻,壓力(li)場變化(huà)較大的(de)地方發(fa)生在葉(ye)輪葉片(piàn)與流體(ti)發生沖(chòng)擊的--側(cè)，最大壓(yā)力集中(zhong)在葉片(pian)表面附(fù)近，粘度(du)65mPa·s.條件下(xia)，葉輪表(biao)面處的(de)最大壓(ya)力達到(dao)☂️0.256MPa，高于粘(zhān)度45mPa·s條件(jian)下的0.195MPa，壓(ya)力從葉(ye)片表面(miàn)向外逐(zhu)漸較小(xiǎo)。流體粘(zhan)度的升(shēng)高使葉(ye)輪附近(jin)流體阻(zu)力矩增(zēng)大，導緻(zhi)作用在(zai)葉片表(biao)面的推(tui)動力增(zēng)大，從而(ér)葉片受(shòu)到的壓(ya)力增大(da)。
3.3葉片表(biǎo)面壓力(li)分析
通(tōng)過圖8所(suo)示的葉(yè)片表面(mian)的壓力(lì)分布圖(tu)可知，在(zài)葉🔞輪❓處(chù)于🔞穩定(ding)工況力(lì)矩平衡(heng)狀态下(xià)時，葉片(pian)上最大(dà)👈壓力主(zhu)要集中(zhōng)在葉片(pian)根部和(he)葉片表(biǎo)面中心(xin)位置處(chu)，向着葉(yè)片邊緣(yuan)位置逐(zhu)漸減小(xiǎo)。這是由(yóu)于葉片(piàn)本🔴身的(de)平面結(jié)構所導(dǎo)緻，葉片(piàn)表面壓(ya)力分布(bu)不均勻(yun)，無法對(duì)來流的(de)沖擊做(zuò)出很好(hǎo)的瞬時(shi)響應。
3.4仿(páng)真結果(guo)分析
設(shè)定流體(tǐ)密度1440kg/m³,粘(zhan)度55mPa·s,流體(tǐ)體積流(liu)量範圍(wéi)爲0.21至4m³/min,其(qi)中0.2Im3/min爲該(gāi)流體條(tiáo)件下，流(liú)量計管(guǎn)道内層(céng)流與湍(tuān)流的分(fèn)界流量(liàng)，4m³/min爲流量(liang)計的量(liang)程範圍(wéi)上限。仿(pang)真結果(guǒ)如表1所(suo)示。
爲了(le)探究更(gèng)大粘度(du)範圍内(nèi)的流量(liàng)計計量(liàng)特性，在(zài)流體粘(zhān)度35-75mPas範圍(wéi)内選取(qǔ)35、45、55、65、75mPa:s五個粘(zhān)度點進(jin)行仿真(zhen)計算。圖(tú)9爲流量(liang)計儀表(biao)系數變(bian)🔞化曲線(xian)圖，能夠(gòu)發現整(zheng)體儀表(biao)系數曲(qǔ)線呈現(xiàn)先減小(xiǎo)後增大(dà)的🌍趨勢(shi)，符合渦(wō)輪流量(liang)計⛱️儀表(biao)系數曲(qu)線的一(yi)般特性(xìng)。觀察小(xiao)流量下(xià)的儀表(biǎo)系數曲(qu)線能夠(gòu)發現，随(sui)着粘度(dù)減小，儀(yi)表系數(shù)曲線呈(cheng)現整體(tǐ)右移增(zeng)大的趨(qū)勢，而在(zai)大🥵流量(liang)🌐下，能夠(gou)明顯看(kan)出在粘(zhān)度35、45mPars下的(de)儀表系(xi)數要高(gao)于55、65、75mPa·s。原因(yin)主要是(shi)粘度減(jian)小🤟導緻(zhì)流體阻(zǔ)力減小(xiǎo)，從而整(zhěng)體葉輪(lún)轉速🔱随(sui)之增大(dà)，導緻儀(yi)表☂️系數(shù)随之增(zēng)大。通過(guò)🍉圖9還可(kě)發現在(zài)粘🧑🏽🤝🧑🏻度35、45mPa:s粘(zhan)度相對(dui)較低時(shi)，儀表系(xì)數相較(jiao)于粘度(dù)時的變(biàn)化要更(gèng)爲平緩(huan)，線性度(du)更高:在(zài)粘❌度55、65、75mPa·s情(qíng)況下，儀(yí)表系數(shu)随着流(liú)量增大(dà)而增大(da)的趨勢(shì)更爲明(míng)顯✔️，線性(xing)度降低(dī)。
圖10爲葉(yè)輪轉速(sù)随體積(ji)流量的(de)變化關(guān)系圖，發(fa)現葉輪(lun)轉速和(he)體積流(liu)量呈正(zhèng)比例增(zeng)大關系(xi)，受粘度(du)變化影(yǐng)響較小(xiao)。
通過圖(tu)11發現，在(zài)流量計(jì)量程範(fan)圍内，葉(ye)輪受到(dao)的流體(ti)🌏阻力随(sui)🧡體積流(liu)量Q的增(zēng)大而增(zeng)大，并呈(chéng)現指數(shù)關系。随(suí)着流體(tǐ)粘度的(de)增大，葉(ye)輪受到(dào)的阻力(lì)随之增(zēng)大，且在(zài)🌈大流量(liang)情況下(xià)，這種趨(qū)勢更加(jia)明顯，而(er)葉輪阻(zu)力會降(jiang)低葉輪(lun)轉🥰速以(yi)及儀表(biǎo)系數，同(tong)之前分(fen)析結果(guǒ)保持一(yi)緻。
4固井(jǐng)實驗驗(yan)證
4.1固井(jing)實測條(tiao)件
使用(yong)圖12所示(shi)的切向(xiang)式固井(jǐng)泥漿流(liú)量計在(zai)遼甯某(mǒu)油田油(you)井進行(háng)數據采(cǎi)集。
固井(jing)作業現(xian)場設備(bei)有水泥(ni)灰灌、固(gu)井水罐(guan)車、固井(jing)🛀🏻水泥車(chē)以及井(jǐng)口水泥(ni)泵。泥漿(jiāng)流量計(jì)安裝在(zai)固井注(zhù)水泥車(chē)和井口(kǒu)水泥泵(bèng)之間的(de)管道之(zhī)間，水泥(ni)車将水(shui)泥灰和(hé)水混合(he)之後成(chéng)爲水泥(ní)漿注入(ru)到井下(xià)。當水泥(ní)漿從管(guǎn)道流♋過(guo)時，沖擊(ji)流量計(ji)葉輪并(bìng)發生旋(xuan)轉，并産(chǎn)生脈沖(chong)信号，轉(zhuǎn)化爲葉(yè)輪轉速(su)、瞬時體(tǐ)積流量(liàng)等數據(jù)傳輸至(zhì)系統箱(xiang)，即采集(ji)得到所(suǒ)需數據(ju)，用來與(yu)仿真計(ji)算結果(guǒ)對比驗(yan)證。其中(zhōng)，泥漿流(liú)量計✨系(xì)統箱每(měi)12s記錄-次(cì)數據。
現(xian)場對泥(ní)漿粘度(du)的測量(liang)采用六(liu)速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，六速旋(xuan)⛷️轉粘度(dù)計主要(yao)用來測(ce)量固井(jing)作業中(zhong)水泥漿(jiang)等流體(ti)流變參(can)數，而固(gu)井作業(ye)所用水(shuǐ)泥漿粘(zhān)度因✌️油(yóu)井的不(bu)同會有(yǒu)所變化(hua)。
所選用(yong)進行實(shi)測的泥(ni)漿流量(liàng)計管道(dào)内徑爲(wèi)50.8mm葉輪半(ban)徑💘18.5mm。油田(tian)進行固(gù)井作業(yè)的兩口(kǒu)油井，實(shi)測注入(ru)的分别(bié)爲粘🔱度(du)54mPars、密🈚度1500kg/m³以(yi)及粘度(du)50mPars、密度1380kg/m³的(de)兩種水(shuǐ)泥泥漿(jiang)。
4.2仿真數(shu)據驗證(zheng)
由于實(shi)際固井(jǐng)作業中(zhōng)，穩定工(gong)況下監(jian)測的泥(ni)漿瞬時(shi)流量🈲的(de)變💋化大(da)緻呈階(jiē)梯式上(shàng)升或下(xia)降，記錄(lù)間隔太(tai)短的數(shu)據之間(jiān)較爲👈接(jiē)近，不具(jù)有差異(yì)性和對(dui)比性。
根(gen)據現場(chǎng)作業情(qíng)況，一次(cì)注入泥(ni)漿作業(ye)從開始(shǐ)至結束(shu)，流㊙️量計(jì)采集到(dào)的大部(bu)分穩定(ding)工況泥(ni)漿瞬時(shí)流量☀️在(zai)1-2m³/min左㊙️右範(fan)圍内，爲(wèi)了㊙️在這(zhè)一流量(liàng)範圍内(nei)最大🐅程(cheng)度選取(qu)具有對(duì)比性🌈的(de)流量⚽點(dian)，進行如(rú)下選取(qǔ):
(1)在粘度(du)54mPas、密度約(yuē)爲1500kg/m³條件(jiàn)下選用(yòng)數據采(cai)集過程(chéng)中采集(ji)到的瞬(shùn)時流量(liang)1.66m³/min至1.98m³/min範圍(wéi)内變化(hua)最爲明(ming)顯的5個(ge)流量點(diǎn)作爲仿(páng)真計算(suàn)的輸入(ru)條件，計(ji)算結果(guo)如表2所(suǒ)🌈示。
(2)用同(tóng)樣方法(fa)選取粘(zhān)度50mPa·s、密度(dù)1380kg/m³條件下(xia)采集到(dao)的瞬時(shí)流量1.05-2.15m/min範(fan)圍内的(de)5個流量(liàng)點，設定(ding)實際選(xuan)用的流(liú)量計結(jié)構參數(shù)以及💔流(liú)體參數(shù)🌂，計算結(jié)果如表(biǎo)3所示。
将(jiang)實際固(gu)井作業(yè)中采集(ji)到的兩(liang)組葉輪(lún)轉速數(shù)據和仿(pang)真結果(guǒ)進行對(duì)比，最大(dà)誤差爲(wèi)2.9%，最小誤(wu)差0.2%，平均(jun)誤差1.38%，仿(pang)真數據(jù)和實測(ce)數🐇據較(jiào)爲接近(jìn)，認爲所(suǒ)建立的(de)仿真模(mó)型具有(yǒu)精度。
5結(jié)論
針對(duì)固井工(gōng)程所用(yong)的切向(xiang)式渦輪(lun)流量計(ji)建立了(le)驅㊙️動力(li)矩、阻力(lì)矩的數(shù)學模型(xing)，并在此(ci)基礎推(tuī)導出儀(yi)表💋系數(shu)K的數學(xue)模型，發(fa)現粘度(dù)變化會(huì)對流量(liàng)計儀表(biǎo)系數造(zao)成影響(xiang)，使固井(jing)工程流(liu)量計量(liang)作業有(you)💋了理論(lùn)依據。
建(jian)立6DOF流體(ti)仿真模(mo)型，對流(liú)量計體(ti)積流量(liàng)0.21-4m³/min量程範(fan)圍内，流(liú)體😘粘🈲度(dù)☎️35、45、55、65、75mPa·s的流體(ti)條件分(fèn)别進行(háng)仿真分(fèn)析。發現(xian)👌随着粘(zhān)度⁉️減小(xiao)，儀表系(xì)數曲線(xiàn)呈現整(zhěng)體右移(yí)增大的(de)趨勢，原(yuan)因主要(yào)是粘✌️度(du)減小🌍導(dao)緻流體(ti)阻力減(jian)小，從而(ér)整體葉(yè)輪轉速(su)和儀表(biǎo)系數随(sui)之增大(da)。且随着(zhe)🔞粘度增(zēng)大，儀表(biao)系數曲(qǔ)線線性(xing)度減小(xiǎo)✍️。
通過實(shí)際固井(jing)工程作(zuò)業采集(ji)的流量(liàng)數據和(hé)仿真數(shù)據❌進行(háng)🙇🏻對比分(fen)析，最大(da)誤差爲(wèi)2.9%，最小誤(wu)差0.2%，平均(jun)誤差1.38%，驗(yan)證了仿(pang)真㊙️模型(xíng)的正确(que)性，爲固(gu)井泥漿(jiāng)流量計(jì)的研究(jiu)提供了(le)依據。
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