摘要:固井(jing)泥漿流量(liang)計 是應用(yòng)在油田固(gu)井工程中(zhōng)進行泥漿(jiang)流量計量(liàng)的😘儀器🔆，屬(shǔ)于切向式(shì)渦輪流量(liang)計 。爲探究(jiū)流體條件(jiàn)對其計量(liàng)特性的影(ying)響機理，首(shǒu)先建立流(liu)量計葉輪(lun)驅動力矩(ju)和阻力矩(jǔ)的數學模(mó)型，在此基(ji)礎上建立(lì)儀表系🔴數(shù)K的模型，并(bìng)發現流體(ti)粘🏃‍♀️度是影(ying)響因素之(zhi)一。其次，考(kǎo)慮到實際(jì)固井作業(yè)中，粘度對(duì)儀表計量(liàng)特性的影(ying)響規律較(jiào)爲複雜，因(yīn)此使用有(yǒu)限元🐇分析(xi)軟件，建🐅立(li)6DOF葉輪被動(dòng)旋轉流體(ti)仿真計算(suan)模型，對多(duō)種流體粘(zhan)度35、45、55、65、75mPas條件下(xia)的流場特(tè)性以及儀(yi)表系數特(tè)性進行仿(pang)真分析，總(zong)結粘度變(biàn)化對流量(liang)計計量特(te)性的影響(xiǎng)規律。最後(hou)通🤞過實際(jì)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(yàn)證了建立(lì)的仿真模(mo)型的有效(xiào)性。
0引言
　　随(suí)着社會生(sheng)産力的發(fa)展，在石油(yóu)氣、醫療衛(wèi)生以及工(gōng)業生産等(deng)衆多領域(yù)，對于流體(tǐ)介質的計(jì)量要求越(yue)來越高。在(zai)油田固井(jǐng)工程中，固(gù)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(zài)固井作業(ye)中，鑽井液(yè)、水泥漿等(děng)流體注入(rù)的體積精(jīng)度會直接(jie)影響固井(jǐng)作業的質(zhì)量。
　　渦輪流(liú)量計爲固(gu)井工程中(zhōng)進行流量(liang)計量的重(zhòng)要裝置，渦(wo)輪流量計(jì)具有耐用(yòng)、計量正确(que)、響應速度(dù)快、計量範(fàn)圍廣等特(tè)點，分爲切(qiē)向式渦輪(lun)流量計和(hé)軸🐪向式渦(wo)輪流量計(jì)，軸向式渦(wō)輪🔞流量較(jiào)爲常用，其(qí)内部包含(han)前導流件(jian)、旋轉葉輪(lún)、後導流件(jian)以及電磁(cí)感應裝置(zhì)，尤其葉輪(lun)部分結構(gou)比較複雜(zá)，這些結構(gou)特性使軸(zhóu)向式渦輪(lún)流量計隻(zhi)能夠計量(liàng)純液體或(huò)氣體。而切(qie)向式渦輪(lun)流量計✂️葉(yè)輪結構相(xiàng)對簡單，能(néng)夠适❗應雜(zá)質較多的(de)泥漿等流(liu)體的計量(liàng)工作。實際(jì)固井中分(fen)爲多個階(jiē)段，需分别(bié)注入不同(tóng)組分構成(cheng)的🔅鑽井液(ye)、替井液、水(shui)泥漿等流(liú)體介質，并(bìng)且🤩根據油(you)井的不同(tóng)，注入的流(liú)體的密度(dù)⛷️、粘度等參(cān)數都在一(yī)定範圍内(nei)波動，流體(ti)密度大緻(zhì)在1000-1800kg/m³,粘度大(dà)緻在45-65mPas範圍(wei)内波動，不(bú)同✨的流體(ti)條件會對(dui)計量結果(guǒ)👣産生較大(dà)影⁉️響，并且(qie)流量計的(de)結🐅構尺寸(cun)也會對結(jié)果産生重(zhong)大影響。目(mu)前針對渦(wo)輪流量計(jì)的🌂研究重(zhong)點主要集(ji)中在通過(guo)優化儀表(biǎo)系數K的數(shu)學模型化(hua)葉輪尺寸(cùn)、改🔞進結構(gòu)材料等工(gōng)作來提高(gao)計量精度(du)。
　　針對渦輪(lún)流量計的(de)理論研究(jiū)方法，國内(nèi)外學者做(zuo)出了大量(liàng)研💋究并且(qie)已經形成(chéng)完整的理(lǐ)論體系。POPE[81基(jī)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(lǜ)轉子上的(de)流體🔴阻力(li)、軸承靜态(tài)㊙️阻力和軸(zhou)承粘性阻(zǔ)力。Ball9研究表(biǎo)明在層流(liú)段渦輪流(liu)量計K值随(suí)雷諾數增(zeng)❄️加而增加(jiā)。
　　但是大部(bu)分理論模(mó)型都是針(zhen)對傳統軸(zhóu)向式渦輪(lún)流量計所(suo)建立，對于(yu)在油田固(gu)井工程中(zhōng)的具有特(tè)殊結構的(de)🈲切向式渦(wo)輪流量計(jì)，并沒有針(zhēn)對性的理(lǐ)論模型。本(ben)文采用微(wēi)元法對切(qie)向式葉輪(lún)進行流體(tǐ)沖擊下的(de)受力分析(xi)🐉，并分析受(shou)到的流體(tǐ)阻力矩，建(jian)立針對性(xìng)的切向式(shi)渦輪流量(liàng)計儀表系(xi)數模型。基(jī)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(duì)流量計計(jì)量特性的(de)🎯影響。
1儀表(biao)系數數學(xue)模型建立(lì)
　　圖1爲切向(xiang)式固井泥(ní)漿流量計(ji)葉輪在流(liu)體沖擊狀(zhuang)态下♉的💚力(lì)矩分析圖(tu)。葉片上受(shou)到流體沖(chòng)擊産生的(de)驅動力矩(jǔ)T，同時由于(yú)🥵在流量計(jì)腔體在工(gōng)作狀态下(xia)🐉充滿流體(tǐ)将整個葉(ye)輪包圍在(zài)🌏其中，所以(yi)葉輪在轉(zhuan)動的同時(shí)會受到流(liú)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(lún)和軸之間(jiān)采用軸承(chéng)💜支撐，軸與(yǔ)軸承💚之間(jian)存在縫隙(xi)，在工作狀(zhuang)态下也會(huì)☀️充滿流體(ti)産生縫隙(xi)間的液體(tǐ)粘性阻力(lì)矩Tm。而葉輪(lun)☔頂端在轉(zhuan)動時與流(liú)量計内壁(bi)會形成環(huán)形間隙，從(cong)而産生葉(yè)片頂端與(yu)殼體内壁(bi)間的液體(tǐ)粘性阻力(lì)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼矩T10]。感應元(yuan)件帶來的(de)電磁反應(yīng)阻力矩可(kě)忽略不計(jì)。
 
　　根據動量(liàng)矩定理，可(ke)以寫出葉(yè)輪的運動(dòng)方程"，如式(shi)(1)
 
式中:J爲葉(ye)輪轉動慣(guàn)量;o爲葉輪(lun)旋轉角速(su)度;
　　當渦輪(lún)流量計達(dá)到穩定工(gong)況時,渦輪(lun)流量計受(shou)到的🈚合力(lì)矩趨近于(yu)0,葉輪旋轉(zhuan)的角加速(su)度也趨近(jìn)于💋0,則有:
 
1.1驅(qū)動力矩
　　由(yóu)于葉輪受(shou)到的驅動(dòng)力矩Tg是流(liu)體沖擊葉(yè)輪葉片産(chǎn)🚶‍♀️生的，使用(yòng)微元法對(dui)葉輪上一(yī)個葉片進(jìn)行分析，在(zài)葉片上取(qǔ)半徑爲r處(chù)葉♈片微元(yuán)。半徑r處的(de)葉片微元(yuán)上所受到(dao)的驅動力(lì)dF可表示爲(wei):
 
式中:ρ表示(shì)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(yuán)上所受到(dao)的驅動力(lì)矩dTd可表🧑🏽‍🤝‍🧑🏻示(shì)⛹🏻‍♀️爲:
 
根據葉(yè)片結構，對(dui)葉片長度(du)範圍内進(jìn)行積分得(de):
 
　　式中:v1爲流(liú)量計進口(kou)流體平均(jun1)速度;v2爲傳(chuan)感器出口(kǒu)流體平均(jun)速度;a1爲v1與(yǔ)半徑r處的(de)圓周速度(du)u之間的夾(jiá)角:a2爲以與(yu)半徑r處的(de)圓周速度(dù)u之間的夾(jiá)角。
　　流量計(jì)進口的平(píng)均速度v1表(biǎo)示爲:
 
　　式中(zhōng):A爲流量計(ji)内流道橫(heng)截面積，單(dān)位:1m²。
　　根據流(liú)體出口速(sù)度三角形(xíng)關系可知(zhi):
 
　　式中:n爲單(dan)位時間内(nèi)渦輪轉數(shu)，單位:r/s，則有(yǒu):
 
　　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(bàn)徑，rk爲葉片(pian)底端半徑(jing)，rb爲葉輪伸(shēn)出在流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量(liang)計管道内(nèi)部分的最(zuì)小長度。
1.2流(liú)體阻力矩(jǔ)
　　在葉片轉(zhuǎn)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(lì)，根據以往(wǎng)對于渦輪(lún)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(zhǐ)數關系。由(yóu)王振等121關(guān)于切向式(shì)流量計的(de)研究，經過(guo)簡化得流(liú)體流動阻(zǔ)力矩Trf:
式中(zhōng):C爲隻與結(jie)構參數有(yǒu)關的比例(li)系數。
1.3軸與(yu)軸承的粘(zhan)性摩擦阻(zǔ)力距
　　在研(yán)究所用切(qie)向式固井(jing)泥漿流量(liang)計的葉輪(lún)與軸之間(jian)采⭕用軸承(cheng)鏈接，軸與(yu)軸承内徑(jìng)之間存在(zai)一定間隙(xì)，在流量計(ji)的工作狀(zhuang)🈲态下，流量(liàng)計腔體内(nèi)充滿流體(tǐ)，從🎯而軸與(yǔ)葉輪内孔(kǒng)的間隙也(yě)會充滿流(liú)體，所以葉(yè)輪會🏃‍♂️受到(dào)流體與内(nei)孔表面間(jian)的粘✏️性阻(zu)力矩Tm。由于(yú)兩者之🔅間(jiān)的間隙很(hěn)小，可以将(jiāng)縫隙間的(de)液體🙇‍♀️流動(dòng)狀态看作(zuò)是層流狀(zhuàng)态，因此的(de)表達式如(rú)✌️式(12)所示:
 
　　式(shì)中:L表示軸(zhou)與葉片參(can)與摩擦部(bù)分的長度(dù)，單位爲m;.
v表(biao)示運動粘(zhān)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(xìng)阻力矩
　　在(zài)工作狀态(tài)下，葉輪在(zai)流體沖擊(ji)下産生高(gao)速旋轉，由(yóu)🌏于研💚究所(suǒ)采用的渦(wō)輪流量計(jì)特有的内(nèi)部結構，六(liu)片式的葉(yè)輪的上半(bàn)部分被殼(ké)體内壁所(suǒ)包圍，而‼️葉(yè)輪的下半(bàn)部分暴露(lu)在流量計(jì)腔體的管(guǎn)道部分内(nei)，而被包裹(guo)的部分在(zài)高速轉動(dong)下和殼體(tǐ)内壁形💯成(chéng)了半環形(xíng)🏒的區域，和(he)軸💃🏻與葉輪(lún)間隙🧑🏾‍🤝‍🧑🏼産生(shēng)的環形區(qū)域類似，半(bàn)環形區域(yù)内同樣充(chong)滿了流體(tǐ)，對葉輪産(chǎn)生了粘性(xìng)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(nèi)壁産生環(huán)形區域，故(gu)葉輪頂部(bù)與殼體内(nèi)壁間的流(liu)體粘性阻(zu)力矩本文(wen)隻考慮半(ban)環形區域(yù)産生的液(ye)體粘性阻(zǔ)力矩。給出(chu)葉輪頂部(bù)與殼體内(nèi)壁間的流(liu)體粘性摩(mó)擦🔞阻力距(jù)表達式。如(ru)式(13)所示🍓。
 
1.5儀(yi)表系數K
　　儀(yí)表系數K是(shi)表征渦輪(lún)流量計測(cè)量特性最(zuì)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(liàng)Q的比值定(dìng)義爲K。
 
　　通過(guo)式(17)能夠看(kan)出，切向式(shì)泥漿流量(liang)計的儀表(biao)系數不僅(jin)受💃到葉輪(lún)結構尺寸(cun)的影響，在(zài)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(biàn)化的影響(xiǎng)，而當流體(ti)密度的相(xiang)同時，儀表(biao)系數則受(shòu)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(guān)系如式(18)所(suǒ)示:
 
　　式中:η表(biao)示動力粘(zhān)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(kuàng)下，粘度對(dui)渦輪流量(liang)計的影響(xiang)情況較爲(wèi)複🔞雜，結合(he)☎️上述理論(lun)分析結果(guo)，本文采用(yòng)流體仿真(zhen)的方式對(duì)流體🔴粘度(dù)和儀表系(xi)數變化之(zhī)間的關系(xi)進行探讨(tǎo)。
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(tǐ)力學(computationalfluiddynamics,CFD)是就(jiu)流量計流(liú)場特性最(zui)有效的方(fang)🌈法💘之。GUO等🔱1[13-14使(shi)用CFD仿真計(jì)算方法對(duì)不同流體(tǐ)粘度、葉片(piàn)結構🥰參數(shu)對流量計(ji)計量影響(xiang)規律進行(háng)探究，證明(míng)了使用CFD方(fang)法的正确(què)率。
建立流(liu)量計内流(liu)道和旋轉(zhuǎn)葉輪的三(san)維模型，并(bìng)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(wǎng)格,旋轉域(yù)和靜止域(yu)之間🚶‍♀️采😍用(yòng)itereface接觸對進(jìn)行連接,靜(jing)止域中近(jìn)interface面處的網(wǎng)格尺寸設(shè)爲1mm。對于旋(xuán)轉域的網(wang)格進行細(xì)化，尤其是(shi)🈲近葉輪壁(bì)面的位置(zhi)，以保證流(liu)體沖擊在(zai)葉片壁面(miàn)上的計算(suàn)精度，旋轉(zhuǎn)域的網格(gé)尺寸設置(zhì)爲1mm,旋轉域(yù)♈中近葉輪(lun)壁面部分(fen)的的網格(gé)尺寸設置(zhì)爲0.5mm。平均網(wǎng)格質量爲(wèi)0.83左右，滿足(zú)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(jiàn)設置
　　管道(dao)進口處設(shè)爲速度進(jin)口(velocty-inlet),管道出(chu)口處設爲(wèi)壓力出口(kǒu)(pressure-outlet)，旋轉域和(hé)靜止域連(lian)接的壁面(miàn)設置3個interface接(jie)觸對，來實(shí)現旋轉域(yù)和靜止域(yù)之間的數(shù)據交互，壁(bi)面附近采(cai)用💋标準壁(bi)面函數。選(xuǎn)用RNGk-ε湍流模(mo)型進行渦(wō)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(shùn))和Remeshing(網📱格重(zhong)構)，爲了讓(ràng)葉輪在流(liú)體沖擊狀(zhuàng)态下能夠(gou)繞着💁旋轉(zhuan)軸旋轉，選(xuan)🛀擇SixDOF(六自由(yóu)度)來㊙️定義(yì)旋轉部件(jiàn)👉的運動，使(shi)葉輪在受(shou)到外力情(qing)況下可以(yǐ)發生運動(dòng)。
2.3仿真儀表(biǎo)系數預測(cè)方法
　　力矩(ju)平均值法(fǎ)通過提取(qǔ)若幹周期(qi)内的力矩(ju)系數，計算(suàn)其💞平😄均值(zhi)，當平均值(zhí)的數量級(jí)低于設定(ding)值時🐆，判定(dìng)力矩基本(ben)受力平衡(heng)。但是此方(fāng)法的局限(xiàn)在于所監(jian)測的力矩(jǔ)系數沒有(yǒu)達到♈理想(xiǎng)範圍時，需(xu)要在計算(suan)過程👌中不(bú)斷在邊界(jiè)條件💞裏修(xiu)改葉輪轉(zhuan)速o，這種方(fang)法具有一(yī)定程度的(de)⛱️試探性，獲(huò)取數據過(guò)程繁瑣，增(zēng)加了後處(chù)理過程的(de)成本☁️。張永(yǒng)勝等17]提出(chu)使用6DOF流體(ti)仿真模型(xíng)，模拟葉輪(lun)在流體沖(chòng)♍擊狀态下(xià)的真實🆚工(gong)況。本文采(cai)用的6DOF模型(xíng)實現了葉(ye)輪被動旋(xuán)轉，根據實(shí)際工👅況直(zhi)接對管🔴道(dao)進口速度(dù)v進行設置(zhì)，計算之後(hòu)通過觀察(cha)實時的力(li)矩系數和(he)表面阻力(lì)變化曲線(xiàn)，便可直接(jiē)判斷渦輪(lun)流量計處(chu)于穩定工(gōng)況的💰時刻(kè),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(dà)大減少了(le)計算成本(ben)，并能最大(dà)程度保證(zhèng)仿真的真(zhēn)實性與合(hé)理性。
　　當渦(wo)輪流量計(ji)達到穩定(ding)工況時，流(liú)量的葉輪(lún)轉速也應(yīng)趨🈲于一穩(wen)定值，進而(er)儀表系數(shù)K也趨于一(yi)穩定💛值108]。在(zài)流量計的(de)仿真過程(chéng)中，爲了得(dé)到穩定空(kōng)工況下的(de)葉輪轉速(sù)，對葉輪的(de)旋轉軸進(jìn)行力矩系(xi)數Cm和葉片(pian)表面阻力(li)drag的監控。計(jì)算過程受(shòu)到葉輪本(ben)身的結構(gòu)特點影響(xiang)，力矩系數(shù)💋Cm和葉片表(biao)面阻力drag的(de)值都🔴呈現(xiàn)周期性變(bian)🔴化，因此提(tí)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(jù)，計算其周(zhōu)🌂期算數平(ping)均值，當🌈Cm的(de)周期平均(jun1)值值⭐小于(yu)某一-量級(ji)最大限度(dù)趨近于0時(shí)，則認爲此(cǐ)時渦輪流(liú)量計處于(yú)穩定工況(kuàng)。圖4爲仿真(zhēn)達到穩定(ding)狀态時截(jie)取的力矩(ju)系數變化(huà)圖。
 
3流場特(te)性分析
　　通(tōng)過圖5所示(shì)的流量計(ji)三維流場(chǎng)速度矢量(liang)圖發現，流(liú)量計管道(dao)内部流場(chǎng)變化最複(fú)雜的地方(fang)發生在葉(ye)輪下半部(bu)分與流體(tǐ)直接沖擊(jī)的位置，流(liú)體高速沖(chong)擊至葉輪(lun)表🏃‍♀️面，在推(tuī)動葉輪轉(zhuan)動的同時(shi)，流體向兩(liang)側邊緣和(he)葉片頂端(duān)流出，由于(yú)葉片邊♊緣(yuan)呈直角🌈過(guò)度，在此處(chu)流體速度(dù)發生小範(fàn)圍的急升(shēng)，會對葉輪(lún)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(fāng)便觀察流(liu)量計管道(dào)内🍓部的流(liu)場狀況。通(tōng)過速度場(chǎng)雲圖可知(zhi)，流體♋從圖(tu)片右側管(guan)道入口流(liú)入，由于泥(ni)漿爲不可(kě)壓縮流體(ti)，所💞以在速(su)🍉度入口處(chu)不設置進(jìn)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(xìng)邊界層，從(cóng)圖6可以♈看(kan)出管道内(nèi)🏒流速由内(nei)壁⛱️向管道(dao)中心✂️逐漸(jian)增大，而🌏在(zai)💃旋轉域部(bù)分，即葉輪(lún)區域附近(jìn)出的🥰邊界(jie)層要👉相對(dui)厚🌍一些，但(dan)㊙️是由于葉(yè)輪本身的(de)結構特點(diǎn)，葉輪兩側(cè)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(dù)場分析
　　在(zài)體積流量(liang)1.2m³/min、流體密度(du)1250kg/m³流體條件(jian)下進行仿(páng)真計算。通(tong)過圖6所示(shi)的流場速(sù)度雲圖能(neng)夠發現流(liú)場分布比(bǐ)較複雜的(de)部分主要(yào)集💃🏻中在葉(ye)輪表面附(fù)近，尤其👄是(shi)葉輪結構(gou)直接暴露(lu)在腔體管(guǎn)道中的部(bù)分。流體從(cong)右側高速(su)沖擊在葉(ye)輪葉片上(shàng)，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(chǎng)的突變,這(zhe)是由切向(xiàng)式葉👨‍❤️‍👨輪的(de)結構特性(xing)所決定的(de)。
　　能夠發現(xiàn)在相同條(tiao)件下,粘度(du)65mPa·s下的葉輪(lún)附近最大(dà)速度爲27.5m/s,略(luè)高于粘度(du)45mPas下的26.5m/s,粘度(du)的升高導(dǎo)緻了流場(chang)流速的整(zheng)體升🌈高。分(fèn)析其原因(yīn)爲粘度的(de)升高使葉(ye)輪頂隙流(liú)體粘性阻(zu)力增大，減(jiǎn)小了間隙(xi)中的流體(tǐ)流量，從而(ér)使葉片表(biao)面流量增(zēng)加，導緻葉(yè)輪轉速小(xiao)幅上升。
 
3.2壓(yā)力場分析(xi)
　　通過圖7所(suo)示的流量(liang)計的截面(miàn)壓力雲圖(tu)可知，渦輪(lún)🍉流🌈量計正(zhèng)常作業時(shi)，整個腔體(tǐ)内的壓力(lì)分布較爲(wei)較爲均勻(yun),壓力場變(bian)化較大的(de)地方發生(shēng)在葉輪葉(yè)片與流體(tǐ)發生👨‍❤️‍👨沖擊(ji)的🔱--側，最大(da)💃壓力集中(zhōng)在葉片表(biao)面附近，粘(zhān)度65mPa·s.條件下(xia)，葉輪表面(mian)處的最大(dà)壓力達到(dao)0.256MPa，高于粘度(dù)45mPa·s條件下的(de)0.195MPa，壓力從葉(ye)片表面向(xiang)外逐漸較(jiào)小。流體粘(zhān)度的升高(gāo)使葉輪附(fu)近流體阻(zǔ)力矩增大(da)，導緻作用(yong)在葉片🔅表(biao)面的推動(dong)力增大，從(cóng)而葉片受(shòu)到的壓力(lì)增大。
 
3.3葉片(pian)表面壓力(lì)分析
　　通過(guò)圖8所示的(de)葉片表面(miàn)的壓力分(fèn)布圖可知(zhi)，在葉輪處(chù)㊙️于穩定工(gōng)況力矩平(píng)衡狀态下(xià)時，葉片上(shang)最大🤩壓力(lì)主要🐕集中(zhōng)在葉片根(gēn)⛷️部和葉片(piàn)表面中心(xīn)位置處，向(xiàng)着葉片邊(biān)緣位置逐(zhú)漸減👄小。這(zhe)是由于葉(ye)片本身的(de)平面💯結構(gòu)所導緻，葉(yè)片表面壓(yā)力分💯布不(bu)均勻，無法(fa)對來流的(de)沖擊做出(chu)☁️很好的瞬(shùn)時響應。
 
3.4仿(pang)真結果分(fèn)析
　　設定流(liu)體密度1440kg/m³,粘(zhān)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(guǎn)道内層流(liu)與湍流的(de)分界流量(liang)，4m³/min爲流量計(jì)的量程範(fàn)圍上限。仿(páng)真結果如(rú)表1所示。
 
　　爲(wei)了探究更(geng)大粘度範(fàn)圍内的流(liu)量計計量(liàng)特性，在流(liú)體粘度35-75mPas範(fàn)🔞圍内選取(qǔ)35、45、55、65、75mPa:s五個粘度(dù)點進行仿(páng)真計算。圖(tu)9爲流量計(ji)儀表系數(shù)變化曲線(xiàn)圖，能夠發(fa)現整體儀(yí)表系數曲(qu)線呈現先(xiān)☎️減小後增(zēng)大的趨勢(shi)，符合渦輪(lun)流量計儀(yi)表系數曲(qu)線的一般(bān)特性。觀察(cha)小流量下(xià)的儀表系(xì)☔數曲線能(néng)夠發現，随(sui)着粘度減(jian)小，儀表系(xì)數曲線呈(cheng)現🌈整體右(yòu)移增大的(de)趨勢，而在(zài)大流量下(xià)，能夠明顯(xian)看出在粘(zhan)度35、45mPars下的儀(yi)表📐系數要(yào)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(yè)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(xiàn)在粘度35、45mPa:s粘(zhan)度相對較(jiào)低時，儀表(biǎo)系數相較(jiao)于粘度時(shi)♍的變化要(yào)更❗爲平緩(huan)，線性度更(geng)高:在粘🏃度(dù)55、65、75mPa·s情況下，儀(yi)表系數随(sui)着流量增(zēng)大而增大(dà)的趨勢更(gèng)爲明顯，線(xian)性度降低(dī)。
 
　　圖10爲葉輪(lun)轉速随體(tǐ)積流量的(de)變化關系(xi)圖，發現葉(yè)🔴輪轉速和(he)體積流量(liang)呈正比例(lì)增大關系(xì)，受粘度變(bian)化影響較(jiào)小。
　　通過圖(tú)11發現，在流(liu)量計量程(chéng)範圍内，葉(ye)輪受到的(de)流體阻力(lì)随體積流(liu)量Q的增大(dà)而增大，并(bìng)呈現指數(shù)關✂️系。随☀️着(zhe)流體粘度(du)的增大，葉(yè)輪受到的(de)阻力随之(zhī)增大，且在(zài)大流量😄情(qing)況下，這種(zhǒng)趨勢更加(jia)明顯，而葉(yè)輪⁉️阻力會(hui)降低葉輪(lun)轉速以及(jí)儀表系數(shu)，同之前分(fèn)析🈲結果保(bao)持一🆚緻。
4固(gu)井實驗驗(yan)證
4.1固井實(shí)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(zài)遼甯某油(you)田油井🔞進(jìn)行數據采(cǎi)集。
　　固井作(zuò)業現場設(shè)備有水泥(ni)灰灌、固井(jing)水罐車、固(gù)井👣水泥車(che)以✂️及井口(kou)水泥泵。泥(ni)漿流量計(jì)安裝在固(gù)井注水泥(ní)車和井💘口(kou)水泥泵之(zhī)間的管道(dao)之間，水泥(ni)車将水泥(ní)灰和水混(hun)合之後成(chéng)爲水泥漿(jiāng)注入到井(jǐng)下。當水泥(ní)漿從管道(dào)流🐇過時，沖(chong)擊流量計(jì)葉輪并發(fā)生旋轉，并(bìng)産生脈沖(chong)信号，轉化(hua)爲葉輪轉(zhuǎn)🔴速、瞬時體(ti)積流量等(deng)數據傳輸(shu)至系統箱(xiang)，即采集得(dé)到所需數(shu)據，用來與(yǔ)仿真計算(suàn)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(cì)數據。
　　現場(chang)對泥漿粘(zhān)度的測量(liang)采用六速(sù)旋轉粘度(du)計，六速旋(xuán)轉粘度☎️計(jì)主要用來(lai)測量固井(jǐng)作業中水(shui)泥漿等流(liú)📧體流變參(can)數，而固井(jing)作業所用(yòng)水泥漿粘(zhān)度因😘油井(jǐng)的不同會(hui)有所變化(hua)。
　　所選用進(jìn)行實測的(de)泥漿流量(liàng)計管道内(nèi)徑爲50.8mm葉輪(lún)半🐇徑18.5mm。油田(tian)進行固井(jǐng)作業的兩(liǎng)口油井，實(shi)測注入的(de)分别♌爲粘(zhan)度54mPars、密😄度1500kg/m³以(yǐ)🏃及粘♌度50mPars、密(mi)度1380kg/m³的兩種(zhong)水泥泥漿(jiāng)。
4.2仿真數據(ju)驗證
　　由于(yú)實際固井(jing)作業中，穩(wěn)定工況下(xia)監測的泥(ní)漿瞬時流(liú)量的變化(huà)大緻呈階(jie)梯式上升(shēng)或下降，記(jì)錄間隔太(tài)🎯短的數據(ju)之間❄️較爲(wèi)接近，不具(jù)有差異性(xing)和對比性(xìng)。
　　根據現場(chǎng)作業情況(kuang)，一次注入(ru)泥漿作業(ye)從開始至(zhì)結束，流量(liang)🥰計采集到(dao)的大部分(fèn)穩定工況(kuàng)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(liàng)點，進行👄如(rú)下選取:
(1)在(zài)粘度54mPas、密度(dù)約爲1500kg/m³條件(jiàn)下選用數(shù)據采集過(guò)程中采集(jí)到🌈的瞬時(shi)流量1.66m³/min至1.98m³/min範(fan)圍内變化(huà)最爲明顯(xiǎn)的5個流量(liàng)點作爲仿(páng)真計算的(de)輸入條件(jian)，計算結果(guǒ)如表2所示(shì)。
(2)用同樣方(fang)法選取粘(zhān)度50mPa·s、密度1380kg/m³條(tiáo)件下采集(jí)到的瞬時(shí)流量💃1.05-2.15m/min範圍(wéi)内的5個流(liu)量點，設定(ding)實際選用(yòng)的流量計(jì)結構參數(shù)以及流體(ti)參數，計算(suan)結果如表(biao)3所示。
 
　　将實(shí)際固井作(zuo)業中采集(ji)到的兩組(zǔ)葉輪轉速(sù)數據🔞和仿(páng)真結果進(jìn)行對比，最(zuì)大誤差爲(wei)2.9%，最小誤差(chà)0.2%，平均❓誤差(cha)1.38%，仿真✌️數據(ju)和實測數(shù)據較爲接(jie)近，認爲所(suǒ)建立的仿(pang)真🏃🏻‍♂️模型具(jù)👅有精度。
5結(jie)論
　　針對固(gù)井工程所(suǒ)用的切向(xiàng)式渦輪流(liú)量計建立(lì)了驅動力(lì)矩、阻力矩(ju)的數學模(mo)型，并在此(cǐ)基礎推導(dǎo)出儀表🔞系(xi)數👈K的數學(xué)模型，發現(xiàn)粘度變化(hua)會對流量(liang)計🔴儀表系(xi)🏃🏻數造成✂️影(yǐng)響，使☎️固井(jing)工程流量(liàng)計量作業(yè)有了理論(lùn)依據。
　　建立(li)6DOF流體仿真(zhēn)模型，對流(liú)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(jiàn)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(lì)減小👅，從而(er)整體葉輪(lún)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(shí)際固井工(gōng)程作業采(cǎi)集的流量(liàng)數據和仿(páng)真數據♌進(jìn)🈲行㊙️對比分(fèn)析，最大誤(wù)差爲2.9%，最小(xiǎo)誤差0.2%，平均(jun)誤🐕差1.38%，驗證(zhèng)了仿真模(mo)型的正确(què)性，爲固井(jǐng)泥漿流量(liàng)計的研究(jiu)提供了依(yi)據。

本文來(lai)源于網絡(luò),如有侵權(quan)聯系即删(shan)除！