摘要:固(gu)井泥漿(jiang)流量計(ji) 是應用(yong)在油田(tian)固井工(gong)程中進(jin)行泥漿(jiang)流量計(ji)量的儀(yi)器，屬于(yu)切向式(shi)渦輪流(liu)量計 。爲(wei)探究流(liu)體條件(jian)對其計(ji)量特性(xing)的影響(xiang)機理，首(shou)先建㊙️立(li)流量🔞計(ji)葉輪驅(qu)動力矩(ju)和阻力(li)矩的數(shu)學模型(xing)，在此基(ji)礎上建(jian)立儀表(biao)系數K的(de)模型，并(bing)發現流(liu)體粘度(du)是影響(xiang)因素之(zhi)一。其次(ci)，考慮🈲到(dao)實際固(gu)井作業(ye)中，粘度(du)對儀表(biao)計量特(te)性的影(ying)響🔴規律(lü)較爲複(fu)雜，因此(ci)💔使用有(you)限元分(fen)析軟件(jian)，建立6DOF葉(ye)輪被動(dong)旋轉流(liu)體仿真(zhen)計算模(mo)型，對多(duo)種流體(ti)粘度35、45、55、65、75mPas條(tiao)件下的(de)流場特(te)性以及(ji)儀表系(xi)數特性(xing)進行仿(pang)真分析(xi)，總結粘(zhan)度變化(hua)對流量(liang)計計量(liang)特性的(de)影響規(gui)律。最後(hou)通過實(shi)際采集(ji)的固井(jing)測量數(shu)據和仿(pang)真數據(ju)進行比(bi)較，平均(jun)誤✨差爲(wei)1.38%，驗證了(le)建立的(de)仿真✉️模(mo)型的有(you)效性。
0引(yin)言
　　随着(zhe)社會生(sheng)産力的(de)發展，在(zai)石油氣(qi)、醫療衛(wei)生以及(ji)🤩工💃🏻業♋生(sheng)産等衆(zhong)多領域(yu)，對于流(liu)體介質(zhi)的計量(liang)要求越(yue)來越高(gao)♈。在油田(tian)固井工(gong)程中，固(gu)井質量(liang)直接決(jue)定油井(jing)在後續(xu)作🛀🏻中的(de)安全性(xing)和可靠(kao)性，而在(zai)固井作(zuo)業中，鑽(zuan)井👉液、水(shui)泥漿等(deng)流體注(zhu)入的體(ti)積🈲精度(du)會直接(jie)影響固(gu)井作業(ye)的質量(liang)。
　　渦輪流(liu)量計爲(wei)固井工(gong)程中進(jin)行流量(liang)計量的(de)重要⛹🏻‍♀️裝(zhuang)置，渦輪(lun)流量計(ji)具有耐(nai)用、計量(liang)正确、響(xiang)應速度(du)快、計量(liang)範圍廣(guang)等特點(dian)，分爲切(qie)向式渦(wo)輪流量(liang)計和軸(zhou)向式渦(wo)🏃‍♂️輪流量(liang)計，軸向(xiang)式渦輪(lun)流量較(jiao)爲常用(yong)，其内部(bu)包含前(qian)🐪導流件(jian)、旋轉葉(ye)輪、後導(dao)流件以(yi)及電磁(ci)感應裝(zhuang)置，尤其(qi)葉輪部(bu)分結構(gou)比較複(fu)雜💁，這些(xie)結構特(te)🔅性使軸(zhou)向式✔️渦(wo)輪流量(liang)計隻能(neng)夠計量(liang)純液體(ti)或氣✌️體(ti)。而切向(xiang)式渦輪(lun)流量計(ji)😘葉輪結(jie)構相對(dui)簡單，能(neng)夠适應(ying)雜質較(jiao)多的泥(ni)✨漿等流(liu)體的計(ji)量🔞工作(zuo)。實際固(gu)🐇井中分(fen)爲💋多個(ge)階段，需(xu)🍓分别注(zhu)入不同(tong)組分構(gou)成的鑽(zuan)井液、替(ti)井液、水(shui)泥漿等(deng)🏃🏻流體介(jie)質，并且(qie)根據油(you)井的不(bu)同，注入(ru)的流體(ti)的密度(du)、粘度等(deng)參數都(dou)在一定(ding)範圍内(nei)波動，流(liu)體密度(du)大🏃‍♂️緻在(zai)🐇1000-1800kg/m³,粘🔅度大(da)緻在45-65mPas範(fan)圍内波(bo)動，不同(tong)的流體(ti)條件會(hui)對計量(liang)結果産(chan)生較大(da)影響，并(bing)且流量(liang)計的結(jie)構尺寸(cun)也會對(dui)結果産(chan)生重💯大(da)♍影響。目(mu)前針對(dui)渦輪流(liu)量計的(de)研究重(zhong)點主要(yao)集中在(zai)通過優(you)化儀表(biao)系數K的(de)數學模(mo)型化葉(ye)輪尺寸(cun)、改進結(jie)構材料(liao)等工作(zuo)來提❓高(gao)計量精(jing)度。
　　針對(dui)渦輪流(liu)量計的(de)理論研(yan)究方法(fa)，國内外(wai)學者做(zuo)出🏃‍♀️了大(da)量研究(jiu)并且已(yi)經形成(cheng)完整的(de)理論體(ti)系。POPE[81基于(yu)Lee建立的(de)渦輪流(liu)量計數(shu)學模型(xing)進行擴(kuo)展，以考(kao)慮轉子(zi)上的流(liu)體阻力(li)、軸承靜(jing)态阻力(li)和軸承(cheng)粘性阻(zu)力。Ball9研究(jiu)表明在(zai)層流段(duan)渦輪流(liu)量計K值(zhi)随雷諾(nuo)數增加(jia)而增加(jia)。
　　但是大(da)部分理(li)論模型(xing)都是針(zhen)對傳統(tong)軸向式(shi)渦輪流(liu)量計🤟所(suo)建立，對(dui)于在油(you)田固井(jing)工程中(zhong)的具有(you)特🈲殊結(jie)構的切(qie)向式渦(wo)輪流量(liang)計，并沒(mei)有針對(dui)性的理(li)論模型(xing)。本文采(cai)用微元(yuan)法對切(qie)向式葉(ye)輪進行(hang)流體沖(chong)擊下的(de)受力分(fen)析，并分(fen)析受到(dao)的流體(ti)阻力矩(ju)，建立針(zhen)對性的(de)切向式(shi)渦輪流(liu)量計儀(yi)表系數(shu)模型。基(ji)于有限(xian)元流體(ti)仿真軟(ruan)件，在不(bu)🌈同流體(ti)粘度條(tiao)🛀🏻件下，進(jin)行流量(liang)🙇‍♀️計内部(bu)💁流場分(fen)析，總結(jie)不同流(liu)體條件(jian)對流量(liang)計計量(liang)特性的(de)影響。
1儀(yi)表系數(shu)數學模(mo)型建立(li)
　　圖1爲切(qie)向式固(gu)井泥漿(jiang)流量計(ji)葉輪在(zai)流體沖(chong)擊狀态(tai)下的力(li)矩分析(xi)圖。葉片(pian)上受到(dao)流體沖(chong)擊産生(sheng)的驅動(dong)力矩T，同(tong)時💘由于(yu)✊在流🈲量(liang)計腔體(ti)在工作(zuo)狀态下(xia)充滿流(liu)體将整(zheng)個葉輪(lun)📧包圍在(zai)其中，所(suo)以葉輪(lun)在轉動(dong)的同時(shi)會受到(dao)流體帶(dai)來的流(liu)體阻力(li)矩Trf。由于(yu)研🆚究所(suo)用的切(qie)向式流(liu)量計葉(ye)輪和軸(zhou)之間采(cai)用軸承(cheng)支撐，軸(zhou)與軸承(cheng)之間存(cun)在縫隙(xi)，在工作(zuo)狀态下(xia)也會📧充(chong)滿流體(ti)産生縫(feng)✊隙間的(de)液體粘(zhan)性🌈阻力(li)矩Tm。而葉(ye)輪頂端(duan)在轉動(dong)時與流(liu)量計内(nei)壁會形(xing)成環🌂形(xing)間隙，從(cong)而産生(sheng)葉片頂(ding)端與殼(ke)體内壁(bi)間的液(ye)體粘性(xing)阻力矩(ju)T10]。感應元(yuan)件帶來(lai)的電磁(ci)反應阻(zu)力矩可(ke)忽略不(bu)計。
 
　　根據(ju)動量矩(ju)定理，可(ke)以寫出(chu)葉輪的(de)運動方(fang)程"，如式(shi)(1)
 
式中:J爲(wei)葉輪轉(zhuan)動慣量(liang);o爲葉輪(lun)旋轉角(jiao)速度;
　　當(dang)渦輪流(liu)量計達(da)到穩定(ding)工況時(shi),渦輪流(liu)量計受(shou)到的合(he)力矩趨(qu)近于0,葉(ye)輪旋轉(zhuan)的角加(jia)速度也(ye)趨近于(yu)0,則有:
 
1.1驅(qu)動力矩(ju)
　　由于葉(ye)輪受到(dao)的驅動(dong)力矩Tg是(shi)流體沖(chong)擊葉輪(lun)葉片産(chan)生的🌈，使(shi)用微元(yuan)法對葉(ye)輪上一(yi)個葉片(pian)進行分(fen)析，在葉(ye)片上取(qu)半徑爲(wei)r處葉片(pian)微元。半(ban)徑r處的(de)葉片微(wei)元上所(suo)受到的(de)驅動力(li)dF可表示(shi)爲:
 
式中(zhong):ρ表示流(liu)體的密(mi)度,單位(wei):Kg/m³;Q表示流(liu)體的體(ti)積流量(liang)，單位:m³/min。
所(suo)以，半徑(jing)r處的葉(ye)片微元(yuan)上所受(shou)到的驅(qu)動力矩(ju)dTd可表示(shi)爲:
 
根據(ju)葉片結(jie)構，對葉(ye)片長度(du)範圍内(nei)進行積(ji)分得:
 
　　式(shi)中:v1爲流(liu)量計進(jin)口流體(ti)平均速(su)度;v2爲傳(chuan)感器出(chu)口流體(ti)平均速(su)度;a1爲v1與(yu)半徑r處(chu)的圓周(zhou)速度u之(zhi)間的夾(jia)角:a2爲以(yi)與半徑(jing)r處的圓(yuan)周速度(du)u之間的(de)夾角。
　　流(liu)量計進(jin)口的平(ping)均速度(du)v1表示爲(wei):
 
　　式中:A爲(wei)流量計(ji)内流道(dao)橫截面(mian)積，單位(wei):1m²。
　　根據流(liu)體出口(kou)速度三(san)角形關(guan)系可知(zhi):
 
　　式中:n爲(wei)單位時(shi)間内渦(wo)輪轉數(shu)，單位:r/s，則(ze)有:
 
　　代入(ru)式(5)得到(dao)驅動力(li)矩表達(da)式:
 
　　式中(zhong):rh爲葉片(pian)頂端半(ban)徑，rk爲葉(ye)片底端(duan)半徑，rb爲(wei)葉輪伸(shen)㊙️出在流(liu)量計管(guan)道内部(bu)分的最(zui)小長度(du)。
1.2流體阻(zu)力矩
　　在(zai)葉片轉(zhuan)動時，流(liu)體沖擊(ji)在葉輪(lun)上産生(sheng)相互作(zuo)用🔴，産生(sheng)阻礙葉(ye)輪轉動(dong)的粘滞(zhi)力，根據(ju)以往對(dui)于渦輪(lun)流量👅計(ji)流體阻(zu)力矩的(de)研究，實(shi)際流體(ti)阻力矩(ju)與流體(ti)體積⭕流(liu)量呈🤞現(xian)指數關(guan)系。由王(wang)振等121關(guan)于切向(xiang)式流量(liang)計的研(yan)究，經過(guo)簡化得(de)流體流(liu)動阻力(li)矩Trf:
式中(zhong):C爲隻與(yu)結構參(can)數有關(guan)的比例(li)系數。
1.3軸(zhou)與軸承(cheng)的粘性(xing)摩擦阻(zu)力距
　　在(zai)研究所(suo)用切向(xiang)式固井(jing)泥漿流(liu)量計的(de)葉輪與(yu)軸👄之間(jian)采用🍓軸(zhou)承鏈接(jie)，軸與軸(zhou)承内徑(jing)之間存(cun)在一定(ding)間隙，在(zai)流量計(ji)的工作(zuo)狀🔞态下(xia)，流量計(ji)腔體内(nei)充滿㊙️流(liu)體，從✂️而(er)軸與葉(ye)輪内孔(kong)的間隙(xi)也會充(chong)滿流體(ti)，所以葉(ye)輪會受(shou)到流體(ti)與内孔(kong)表面間(jian)的粘性(xing)阻力矩(ju)Tm。由于兩(liang)者之間(jian)的間隙(xi)很小，可(ke)以将縫(feng)隙間的(de)液體流(liu)動狀态(tai)看作是(shi)層流狀(zhuang)态，因此(ci)的表達(da)式如式(shi)(12)所🌈示:
 
　　式(shi)中:L表示(shi)軸與葉(ye)片參與(yu)摩擦部(bu)分的長(zhang)度，單位(wei)爲✉️m;.
v表示(shi)運動粘(zhan)度,單位(wei)爲mm2/s;
ɷ-角速(su)度，單位(wei):rad/s。
1.4葉輪頂(ding)端與殼(ke)體内壁(bi)間的流(liu)體粘性(xing)阻力矩(ju)
　　在工作(zuo)狀态下(xia)，葉輪在(zai)流體沖(chong)擊下産(chan)生高速(su)旋轉，由(you)🌐于研🔴究(jiu)所🙇🏻采用(yong)的渦輪(lun)流量計(ji)特有的(de)内部結(jie)構，六片(pian)式的🛀葉(ye)輪的上(shang)半部分(fen)被殼體(ti)内壁所(suo)包圍，而(er)葉輪的(de)下半部(bu)分暴露(lu)在流量(liang)計腔體(ti)的管道(dao)部分内(nei)，而被包(bao)裹的部(bu)分在高(gao)速轉動(dong)下和殼(ke)❗體内壁(bi)形成了(le)半環形(xing)的區域(yu)，和軸與(yu)葉輪間(jian)隙産生(sheng)的環形(xing)區域類(lei)似，半環(huan)形區域(yu)内同樣(yang)㊙️充滿了(le)流體，對(dui)葉輪産(chan)生了粘(zhan)性阻力(li)矩7b,但是(shi)👈由于葉(ye)輪⛱️其中(zhong)一半結(jie)構📞不與(yu)殼體内(nei)壁産生(sheng)㊙️環形區(qu)域，故葉(ye)輪頂部(bu)與殼體(ti)内壁間(jian)的📐流體(ti)粘性阻(zu)力矩本(ben)👣文隻考(kao)慮半環(huan)形區域(yu)産生的(de)液體粘(zhan)性阻力(li)矩。給出(chu)葉輪頂(ding)部與殼(ke)體内壁(bi)間的流(liu)體粘性(xing)摩擦阻(zu)🏒力距表(biao)達式。如(ru)式(13)所示(shi)。
 
1.5儀表系(xi)數K
　　儀表(biao)系數K是(shi)表征渦(wo)輪流量(liang)計測量(liang)特性最(zui)重要的(de)🐆參數，通(tong)🏒常🔴将傳(chuan)感器輸(shu)出顯示(shi)的脈沖(chong)信号率(lü)f和單位(wei)時間内(nei)的體積(ji)流🏃量Q的(de)🌈比值定(ding)義爲K。
 
　　通(tong)過式(17)能(neng)夠看出(chu)，切向式(shi)泥漿流(liu)量計的(de)儀表系(xi)數不僅(jin)🚶‍♀️受到葉(ye)輪結構(gou)尺寸的(de)影響，在(zai)相同工(gong)況和流(liu)量計結(jie)構尺寸(cun)下，也會(hui)受到流(liu)體運動(dong)粘度v變(bian)化的影(ying)響，而當(dang)流體密(mi)度的🙇‍♀️相(xiang)同時，儀(yi)表系⛱️數(shu)則受到(dao)動力粘(zhan)度η的影(ying)響。
運動(dong)粘度以(yi)及動力(li)粘度的(de)關系如(ru)式(18)所示(shi):
 
　　式中:η表(biao)示動力(li)粘度，單(dan)位爲mPa·s;v表(biao)示運動(dong)粘度,單(dan)位爲mm2/s;p表(biao)示密度(du)，單位爲(wei)kg/m3。
　　實際工(gong)況下，粘(zhan)度對渦(wo)輪流量(liang)計的影(ying)響情況(kuang)較爲複(fu)雜，結合(he)🧡上述理(li)論分析(xi)結果，本(ben)文采用(yong)流體仿(pang)真的方(fang)式對流(liu)體粘度(du)和儀表(biao)系數變(bian)化之間(jian)的關系(xi)進行探(tan)讨。
2流量(liang)計流場(chang)分析
2.1内(nei)流道三(san)維模型(xing)建立
　　計(ji)算流體(ti)力學(computationalfluiddynamics,CFD)是(shi)就流量(liang)計流場(chang)特性最(zui)有效的(de)方法之(zhi)。GUO等1[13-14使用(yong)CFD仿真計(ji)算方法(fa)對不同(tong)流體粘(zhan)度、葉片(pian)結構參(can)數對流(liu)量計計(ji)量影響(xiang)規律進(jin)行探究(jiu)，證明💃🏻了(le)使用⚽CFD方(fang)法的正(zheng)确率。
建(jian)立流量(liang)計内流(liu)道和旋(xuan)轉葉輪(lun)的三維(wei)模型，并(bing)進行計(ji)算區🐆域(yu)劃分，如(ru)圖2所示(shi)。
 
　　對于靜(jing)止區域(yu)采用2mm尺(chi)寸的網(wang)格,旋轉(zhuan)域和靜(jing)止域㊙️之(zhi)🔞間采用(yong)itereface接觸對(dui)進行連(lian)接,靜止(zhi)域中近(jin)interface面處的(de)網格尺(chi)寸設爲(wei)1mm。對于旋(xuan)轉域😄的(de)網格進(jin)行細化(hua)，尤其是(shi)近葉輪(lun)壁面的(de)位置，以(yi)保證流(liu)體沖擊(ji)在葉片(pian)壁面上(shang)的計算(suan)🈚精度，旋(xuan)轉域的(de)網格尺(chi)寸設置(zhi)🐪爲1mm,旋轉(zhuan)域中近(jin)葉輪壁(bi)面部分(fen)的的🌈網(wang)格尺寸(cun)設置爲(wei)0.5mm。平均網(wang)格質量(liang)爲0.83左右(you)，滿足計(ji)算要求(qiu)。劃分後(hou)的網格(ge)模型如(ru)圖3所示(shi)。
 
2.2計算條(tiao)件設置(zhi)
　　管道進(jin)口處設(she)爲速度(du)進口(velocty-inlet),管(guan)道出口(kou)處設爲(wei)壓力出(chu)口(pressure-outlet)，旋轉(zhuan)域和靜(jing)止域連(lian)接的壁(bi)面設置(zhi)3個interface接觸(chu)對🌈，來實(shi)現旋轉(zhuan)域😍和靜(jing)止域㊙️之(zhi)間的數(shu)據交互(hu)，壁面附(fu)💞近采用(yong)💁标準壁(bi)面函數(shu)。選用RNGk-ε湍(tuan)流模型(xing)進行渦(wo)輪流量(liang)計的仿(pang)真分析(xi)。動網格(ge)更新方(fang)式選擇(ze)Smoothing(光順)和(he)Remeshing(網格重(zhong)構)，爲了(le)讓葉輪(lun)在流🙇‍♀️體(ti)沖擊狀(zhuang)态下能(neng)夠繞着(zhe)旋轉軸(zhou)旋轉，選(xuan)擇SixDOF(六自(zi)由度)來(lai)定義旋(xuan)轉部件(jian)的運動(dong)，使葉輪(lun)在受到(dao)🍉外力情(qing)況下可(ke)以發生(sheng)運動。
2.3仿(pang)真儀表(biao)系數預(yu)測方法(fa)
　　力矩平(ping)均值法(fa)通過提(ti)取若幹(gan)周期内(nei)的力矩(ju)系數，計(ji)算🏒其平(ping)均值，當(dang)平均值(zhi)的數量(liang)級低于(yu)設定值(zhi)時，判定(ding)力矩基(ji)本受力(li)平衡。但(dan)是此方(fang)法的局(ju)限在于(yu)所監測(ce)⭐的力矩(ju)系數沒(mei)❌有達到(dao)理想範(fan)圍時，需(xu)要在計(ji)算過程(cheng)中不斷(duan)在邊界(jie)條件裏(li)修改葉(ye)⁉️輪轉速(su)o，這🧡種方(fang)法具有(you)一定程(cheng)度的試(shi)探性，獲(huo)取♉數據(ju)過程繁(fan)🈲瑣，增加(jia)了後處(chu)🚶理過程(cheng)的成本(ben)。張永勝(sheng)等17]提出(chu)使用6DOF流(liu)體仿真(zhen)模型，模(mo)拟葉輪(lun)在流體(ti)沖🐇擊狀(zhuang)态下的(de)真實工(gong)況。本文(wen)采用的(de)6DOF模型實(shi)現了葉(ye)輪被動(dong)旋轉，根(gen)據實際(ji)工況直(zhi)接對管(guan)道進口(kou)🐪速度v進(jin)行設置(zhi)🈚，計算之(zhi)後通過(guo)觀察實(shi)時的力(li)❓矩系數(shu)和表面(mian)阻力變(bian)化曲線(xian)，便可直(zhi)接判斷(duan)渦輪🏃🏻流(liu)量計處(chu)于穩定(ding)工況的(de)時刻,從(cong)而獲取(qu)穩定工(gong)況時的(de)轉速、力(li)矩系數(shu)、表面阻(zu)力等數(shu)據，.大大(da)減少了(le)計算成(cheng)本，并能(neng)最大程(cheng)度保證(zheng)仿真的(de)真👄實性(xing)與合理(li)性。
　　當渦(wo)輪流量(liang)計達到(dao)穩定工(gong)況時，流(liu)量的葉(ye)輪轉速(su)也應趨(qu)于一穩(wen)定值，進(jin)而儀表(biao)系數K也(ye)趨于一(yi)穩定值(zhi)108]。在流量(liang)計的仿(pang)真過程(cheng)中，爲了(le)得到穩(wen)定空工(gong)況下的(de)葉輪轉(zhuan)速，對葉(ye)輪的旋(xuan)轉💋軸進(jin)行力矩(ju)系數Cm和(he)葉片表(biao)面阻力(li)drag的監控(kong)。計算過(guo)🏃🏻‍♂️程受到(dao)葉輪本(ben)身的結(jie)構特點(dian)影響，力(li)矩系數(shu)Cm和葉片(pian)表面阻(zu)力drag的值(zhi)都呈現(xian)周期性(xing)變化，因(yin)此提取(qu)Cm和drag值波(bo)動趨于(yu)平穩後(hou)的6個周(zhou)期内的(de)變化數(shu)據，計算(suan)其周期(qi)算數平(ping)均值，當(dang)Cm的周期(qi)平均值(zhi)值小于(yu)某一-量(liang)級最大(da)限度趨(qu)近于0時(shi)，則認爲(wei)此時渦(wo)輪🌍流量(liang)計處于(yu)穩定工(gong)況。圖4爲(wei)仿真達(da)到穩定(ding)狀🈲态時(shi)截☀️取的(de)力矩系(xi)數變化(hua)圖。
 
3流場(chang)特性分(fen)析
　　通過(guo)圖5所示(shi)的流量(liang)計三維(wei)流場速(su)度矢量(liang)圖發現(xian)，流量計(ji)管🥵道内(nei)部流場(chang)變化最(zui)複雜的(de)地方發(fa)生在葉(ye)輪下半(ban)部分與(yu)流體直(zhi)接沖擊(ji)的位置(zhi)，流體高(gao)速沖擊(ji)至葉輪(lun)表面，在(zai)推動葉(ye)輪轉動(dong)的同時(shi)，流體向(xiang)兩側邊(bian)緣和葉(ye)片頂♌端(duan)流出，由(you)于葉片(pian)邊緣呈(cheng)直角🤩過(guo)度，在此(ci)處❓流體(ti)速度發(fa)‼️生小範(fan)圍的急(ji)升，會對(dui)葉輪葉(ye)片邊緣(yuan)造成更(geng)大沖擊(ji)。
 
　　沿流量(liang)計内道(dao)方向設(she)定截面(mian)，以方便(bian)觀察流(liu)量計管(guan)道内🐉部(bu)的流場(chang)狀況。通(tong)過速度(du)場雲圖(tu)可知，流(liu)體從圖(tu)片右側(ce)管道入(ru)口流✉️入(ru)，由于泥(ni)漿爲不(bu)可壓縮(suo)🤩流體，所(suo)以在速(su)度入口(kou)處不設(she)置進口(kou)壓力。在(zai)管道🌈内(nei)壁處，由(you)于流體(ti)本🌈身存(cun)在粘性(xing)，會産生(sheng)粘性邊(bian)界層，從(cong)圖6可以(yi)看出管(guan)道内☎️流(liu)速由内(nei)壁向管(guan)道中心(xin)逐漸增(zeng)大，而在(zai)旋轉域(yu)部分，即(ji)葉輪區(qu)域附近(jin)出的邊(bian)界層要(yao)相對厚(hou)一些，但(dan)是由于(yu)葉輪本(ben)身的結(jie)構特點(dian)，葉輪兩(liang)側距離(li)⛷️壁面有(you)較大空(kong)隙，邊界(jie)層不會(hui)♊對葉輪(lun)本身的(de)轉動産(chan)生影響(xiang)。
3.1速度場(chang)分析
　　在(zai)體積流(liu)量1.2m³/min、流體(ti)密度1250kg/m³流(liu)體條件(jian)下進行(hang)仿真計(ji)算。通過(guo)⛱️圖✔️6所示(shi)的流場(chang)速度雲(yun)圖能夠(gou)發現流(liu)場分布(bu)比較🌈複(fu)雜的部(bu)分主要(yao)集中在(zai)葉輪表(biao)面附近(jin)，尤其是(shi)葉輪結(jie)構直接(jie)暴露在(zai)腔體管(guan)道中的(de)部分。流(liu)體從右(you)側高速(su)沖擊在(zai)葉輪葉(ye)片上，對(dui)葉輪葉(ye)片施加(jia)🔆壓力，然(ran)後從葉(ye)片兩邊(bian)和下方(fang)流出。然(ran)💚而在流(liu)體直🏃🏻接(jie)沖擊到(dao)的🔱葉片(pian)頂部區(qu)域發生(sheng)了速度(du)場的突(tu)變,這是(shi)由切向(xiang)式葉輪(lun)的結構(gou)特性所(suo)決定的(de)。
　　能夠發(fa)現在相(xiang)同條件(jian)下,粘度(du)65mPa·s下的葉(ye)輪附近(jin)最大速(su)度爲27.5m/s,略(lue)高👈于粘(zhan)度45mPas下的(de)26.5m/s,粘度的(de)升高導(dao)緻了流(liu)場流速(su)的整體(ti)升🆚高。分(fen)析其原(yuan)因爲粘(zhan)度的升(sheng)高使葉(ye)輪頂隙(xi)流體粘(zhan)❗性阻力(li)增大，減(jian)小了間(jian)隙中的(de)流體⛱️流(liu)量，從而(er)使葉片(pian)表面流(liu)量增加(jia)，導緻葉(ye)輪轉速(su)小📐幅上(shang)升。
 
3.2壓力(li)場分析(xi)
　　通過圖(tu)7所示的(de)流量計(ji)的截面(mian)壓力雲(yun)圖可知(zhi)，渦輪流(liu)量計正(zheng)🐆常㊙️作業(ye)時，整個(ge)腔體内(nei)的壓力(li)分布較(jiao)爲較爲(wei)🔅均勻,壓(ya)力場變(bian)化較大(da)的地方(fang)發生在(zai)葉輪葉(ye)片與流(liu)體發生(sheng)沖擊的(de)🤞--側，最大(da)❌壓力集(ji)中在葉(ye)片表面(mian)附近，粘(zhan)度65mPa·s.條件(jian)下💰，葉輪(lun)表面處(chu)的最大(da)壓力達(da)到0.256MPa，高于(yu)粘度45mPa·s條(tiao)件下的(de)0.195MPa，壓力從(cong)葉片表(biao)面向外(wai)逐漸較(jiao)小。流體(ti)粘度的(de)升高使(shi)葉輪附(fu)⛷️近流體(ti)阻力矩(ju)增大，導(dao)緻作用(yong)👈在葉片(pian)表面的(de)推動力(li)增大，從(cong)而葉片(pian)受到的(de)壓力增(zeng)大。
 
3.3葉片(pian)表面壓(ya)力分析(xi)
　　通過圖(tu)8所示的(de)葉片表(biao)面的壓(ya)力分布(bu)圖可知(zhi)，在葉輪(lun)處于穩(wen)定工況(kuang)力矩平(ping)衡狀态(tai)下時，葉(ye)片上最(zui)大壓力(li)主要集(ji)中在葉(ye)‼️片根♈部(bu)和葉片(pian)表面中(zhong)心位置(zhi)🐆處，向着(zhe)葉片邊(bian)🐅緣位置(zhi)🛀🏻逐漸減(jian)👉小。這是(shi)由于葉(ye)片本身(shen)的平面(mian)結構所(suo)導🌂緻，葉(ye)片表👣面(mian)壓力分(fen)♻️布不均(jun)勻✉️，無法(fa)對來流(liu)的沖擊(ji)做出⛱️很(hen)好的瞬(shun)時響應(ying)。
 
3.4仿真結(jie)果分析(xi)
　　設定流(liu)體密度(du)1440kg/m³,粘度55mPa·s,流(liu)體體積(ji)流量範(fan)圍爲0.21至(zhi)4m³/min,其中0.2Im3/min爲(wei)該流🌈體(ti)條件下(xia)，流量計(ji)管道内(nei)層流與(yu)湍流的(de)分❓界流(liu)量，4m³/min爲✏️流(liu)量🐆計的(de)量程範(fan)圍上限(xian)。仿真結(jie)果如表(biao)1所示。
 
　　爲(wei)了探究(jiu)更大粘(zhan)度範圍(wei)内的流(liu)量計計(ji)量特性(xing)，在流體(ti)粘度35-75mPas範(fan)圍内選(xuan)取35、45、55、65、75mPa:s五個(ge)粘度點(dian)進行仿(pang)真計算(suan)。圖9爲流(liu)量計儀(yi)表系數(shu)變化曲(qu)線圖，能(neng)夠發現(xian)整體儀(yi)表系數(shu)曲線呈(cheng)現先減(jian)小後☎️增(zeng)大的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻趨(qu)勢，符合(he)渦輪流(liu)量計儀(yi)表系數(shu)曲線的(de)一般特(te)性。觀察(cha)小流量(liang)下的儀(yi)表系數(shu)曲線能(neng)夠發現(xian)，随着粘(zhan)度減小(xiao)，儀表系(xi)數曲線(xian)呈現整(zheng)體右移(yi)增大的(de)趨勢，而(er)在大流(liu)量下，能(neng)夠明顯(xian)看出在(zai)粘度㊙️35、45mPars下(xia)的儀表(biao)系數要(yao)高于55、65、75mPa·s。原(yuan)因主要(yao)是粘度(du)減小導(dao)緻流體(ti)阻力減(jian)💃小，從而(er)整體葉(ye)輪轉速(su)⭕随之增(zeng)大，導💚緻(zhi)儀表系(xi)數随之(zhi)增大。通(tong)過⭕圖9還(hai)可發現(xian)在粘度(du)35、45mPa:s粘度相(xiang)對較低(di)時，儀表(biao)系數相(xiang)✌️較于粘(zhan)度時的(de)變化要(yao)更爲平(ping)緩，線性(xing)度更高(gao):在粘度(du)55、65、75mPa·s情況下(xia)，儀表系(xi)數随着(zhe)流量增(zeng)大而增(zeng)大的趨(qu)勢更爲(wei)明顯，線(xian)性度降(jiang)低。
 
　　圖10爲(wei)葉輪轉(zhuan)速随體(ti)積流量(liang)的變化(hua)關系圖(tu)，發現葉(ye)輪轉⛱️速(su)🎯和🐅體💛積(ji)流量呈(cheng)正比例(li)增大關(guan)系，受粘(zhan)度變化(hua)影🧑🏽‍🤝‍🧑🏻響較(jiao)小。
　　通過(guo)圖11發現(xian)，在流量(liang)計量程(cheng)範圍内(nei)，葉輪受(shou)到的流(liu)體阻力(li)随體積(ji)流量Q的(de)增大而(er)增大，并(bing)呈現指(zhi)數關系(xi)。随🚶着流(liu)🔴體粘度(du)的增大(da)，葉輪受(shou)到的阻(zu)力随之(zhi)增🐇大，且(qie)在大流(liu)量🤞情況(kuang)下，這種(zhong)趨勢更(geng)加明顯(xian)，而葉輪(lun)阻力會(hui)降低葉(ye)輪轉速(su)以及儀(yi)表系數(shu)，同之前(qian)分析🤟結(jie)果保持(chi)一緻。
4固(gu)井實驗(yan)驗證
4.1固(gu)井實測(ce)條件
　　使(shi)用圖12所(suo)示的切(qie)向式固(gu)井泥漿(jiang)流量計(ji)在遼甯(ning)某油田(tian)油井進(jin)行數據(ju)采集。
　　固(gu)井作業(ye)現場設(she)備有水(shui)泥灰灌(guan)、固井水(shui)罐車、固(gu)井水泥(ni)車以及(ji)🈲井口水(shui)泥泵。泥(ni)漿流量(liang)計安裝(zhuang)在固井(jing)注水泥(ni)車和井(jing)口水泥(ni)泵之間(jian)的管道(dao)之間，水(shui)泥車将(jiang)水泥灰(hui)和水混(hun)合之後(hou)成爲😍水(shui)泥漿注(zhu)入到井(jing)下🥰。當水(shui)泥漿從(cong)管道流(liu)過時，沖(chong)擊流量(liang)計葉輪(lun)并發生(sheng)旋轉，并(bing)産生脈(mo)沖信号(hao)，轉化爲(wei)葉輪轉(zhuan)速、瞬時(shi)體積流(liu)量等數(shu)據傳👈輸(shu)至系統(tong)箱，即采(cai)集得到(dao)所需😘數(shu)據，用來(lai)與仿真(zhen)計算結(jie)果對比(bi)驗證。其(qi)♋中，泥漿(jiang)流量計(ji)系統箱(xiang)每12s記錄(lu)-次數據(ju)。
　　現場對(dui)泥漿粘(zhan)度的測(ce)量采用(yong)六速旋(xuan)轉粘度(du)計，六速(su)旋轉📞粘(zhan)度計主(zhu)要用來(lai)測量固(gu)井作業(ye)中水泥(ni)漿🌐等流(liu)體流變(bian)參數，而(er)固井作(zuo)業所用(yong)水泥漿(jiang)粘度因(yin)油井的(de)不同會(hui)🔱有所變(bian)化。
　　所選(xuan)用進行(hang)實測的(de)泥漿流(liu)量計管(guan)道内徑(jing)爲50.8mm葉輪(lun)半徑18.5mm。油(you)田進🏒行(hang)固井作(zuo)業的兩(liang)口油井(jing)，實測注(zhu)入的分(fen)别爲粘(zhan)度54mPars、密度(du)1500kg/m³以及粘(zhan)💁度50mPars、密度(du)1380kg/m³的兩種(zhong)水泥泥(ni)漿。
4.2仿真(zhen)數據驗(yan)證
　　由于(yu)實際固(gu)井作業(ye)中，穩定(ding)工況下(xia)監測的(de)泥漿瞬(shun)時流量(liang)的變化(hua)大緻呈(cheng)階梯式(shi)上升或(huo)下降，記(ji)錄間隔(ge)太短的(de)數據✊之(zhi)間較爲(wei)接近，不(bu)具有差(cha)異性和(he)對比性(xing)。
　　根據現(xian)場作業(ye)情況，一(yi)次注入(ru)泥漿作(zuo)業從開(kai)始至🔴結(jie)束，流量(liang)計⚽采集(ji)到的大(da)部分穩(wen)定工況(kuang)泥漿瞬(shun)時✌️流量(liang)在1-2m³/min左右(you)範圍内(nei)，爲了在(zai)這一流(liu)量範圍(wei)内最大(da)🔆程度選(xuan)取具有(you)對比性(xing)的流量(liang)點，進行(hang)如下選(xuan)取:
(1)在粘(zhan)度54mPas、密度(du)約爲1500kg/m³條(tiao)件下選(xuan)用數據(ju)采集過(guo)程中采(cai)集到的(de)瞬時流(liu)量1.66m³/min至1.98m³/min範(fan)圍内變(bian)化最爲(wei)明顯的(de)5個流量(liang)點作爲(wei)仿真計(ji)算的輸(shu)入條件(jian)，計算結(jie)果如表(biao)2所👨‍❤️‍👨示。
(2)用(yong)同樣方(fang)法選取(qu)粘度50mPa·s、密(mi)度1380kg/m³條件(jian)下采集(ji)到的瞬(shun)時流量(liang)1.05-2.15m/min範圍内(nei)的5個流(liu)量點，設(she)定實際(ji)選用的(de)流量計(ji)結構參(can)數以及(ji)流體參(can)數，計算(suan)結果如(ru)表3所示(shi)。
 
　　将實際(ji)固井作(zuo)業中采(cai)集到的(de)兩組葉(ye)輪轉速(su)數據和(he)仿真😄結(jie)果進行(hang)對比，最(zui)大誤差(cha)爲2.9%，最小(xiao)誤差0.2%，平(ping)均誤差(cha)1.38%，仿真數(shu)據和實(shi)測數據(ju)較爲接(jie)近，認爲(wei)所建立(li)的仿真(zhen)模型具(ju)有精度(du)。
5結論
　　針(zhen)對固井(jing)工程所(suo)用的切(qie)向式渦(wo)輪流量(liang)計建立(li)了驅動(dong)力矩♋、阻(zu)力矩的(de)數學模(mo)型，并在(zai)此基礎(chu)推導出(chu)儀表系(xi)數K的數(shu)學模型(xing)，發現粘(zhan)度變化(hua)會對流(liu)量計🛀🏻儀(yi)表系數(shu)造成影(ying)響，使固(gu)井工程(cheng)流量⭐計(ji)量作業(ye)有了理(li)論依據(ju)。
　　建立6DOF流(liu)體仿真(zhen)模型，對(dui)流量計(ji)體積流(liu)量0.21-4m³/min量程(cheng)範圍内(nei)，流體粘(zhan)☔度35、45、55、65、75mPa·s的流(liu)體條件(jian)分别進(jin)行仿真(zhen)分析。發(fa)現随着(zhe)粘度減(jian)小，儀表(biao)系數曲(qu)線呈現(xian)整體右(you)移增大(da)的趨勢(shi)，原因主(zhu)㊙️要是粘(zhan)♈度減小(xiao)🐉導緻流(liu)體阻力(li)減小，從(cong)而整體(ti)葉輪轉(zhuan)速🈲和儀(yi)表系數(shu)随之增(zeng)大。且随(sui)着粘度(du)增大，儀(yi)表系數(shu)曲線線(xian)性度減(jian)小。
　　通過(guo)實際固(gu)井工程(cheng)作業采(cai)集的流(liu)量數據(ju)和仿真(zhen)🔞數據進(jin)行對比(bi)分析，最(zui)大誤差(cha)爲2.9%，最小(xiao)誤差0.2%，平(ping)均誤差(cha)1.38%，驗證了(le)仿真模(mo)型的正(zheng)确性，爲(wei)固井泥(ni)漿流量(liang)計的研(yan)究提供(gong)了依據(ju)。

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