摘要:固井泥漿流量計(jì)是應(yīng)用在油田固井工程中進(jìn)行泥漿流量計(jì)量的儀器，屬于切向式渦輪流量計(jì)。為探究流體條件對(duì)其計(jì)量特性的影響機(jī)理，首先建立流量計(jì)葉輪驅(qū)動(dòng)力矩和阻力矩的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立儀表系數(shù)K的模型，并發(fā)現(xiàn)流體粘度是影響因素之一。其次，考慮到實(shí)際固井作業(yè)中，粘度對(duì)儀表計(jì)量特性的影響規(guī)律較為復(fù)雜，因此使用有限元分析軟件，建立6DOF葉輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)流體仿真計(jì)算模型，對(duì)多種流體粘度35、45、55、65、75mPas條件下的流場(chǎng)特性以及儀表系數(shù)特性進(jìn)行仿真分析，總結(jié)粘度變化對(duì)流量計(jì)計(jì)量特性的影響規(guī)律。最后通過(guò)實(shí)際采集的固井測(cè)量數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，平均誤差為1.38%，驗(yàn)證了建立的仿真模型的有效性。
0引言
隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，在石油氣、醫(yī)療衛(wèi)生以及工業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域，對(duì)于流體介質(zhì)的計(jì)量要求越來(lái)越高。在油田固井工程中，固井質(zhì)量直接決定油井在后續(xù)作中的安全性和可靠性，而在固井作業(yè)中，鉆井液、水泥漿等流體注入的體積精度會(huì)直接影響固井作業(yè)的質(zhì)量。
渦輪流量計(jì)為固井工程中進(jìn)行流量計(jì)量的重要裝置，渦輪流量計(jì)具有耐用、計(jì)量正確、響應(yīng)速度快、計(jì)量范圍廣等特點(diǎn)，分為切向式渦輪流量計(jì)和軸向式渦輪流量計(jì)，軸向式渦輪流量較為常用，其內(nèi)部包含前導(dǎo)流件、旋轉(zhuǎn)葉輪、后導(dǎo)流件以及電磁感應(yīng)裝置，尤其葉輪部分結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，這些結(jié)構(gòu)特性使軸向式渦輪流量計(jì)只能夠計(jì)量純液體或氣體。而切向式渦輪流量計(jì)葉輪結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠適應(yīng)雜質(zhì)較多的泥漿等流體的計(jì)量工作。實(shí)際固井中分為多個(gè)階段，需分別注入不同組分構(gòu)成的鉆井液、替井液、水泥漿等流體介質(zhì)，并且根據(jù)油井的不同，注入的流體的密度、粘度等參數(shù)都在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，流體密度大致在1000-1800kg/m³,粘度大致在45-65mPas范圍內(nèi)波動(dòng)，不同的流體條件會(huì)對(duì)計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，并且流量計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生重大影響。目前針對(duì)渦輪流量計(jì)的研究重點(diǎn)主要集中在通過(guò)優(yōu)化儀表系數(shù)K的數(shù)學(xué)模型化葉輪尺寸、改進(jìn)結(jié)構(gòu)材料等工作來(lái)提高計(jì)量精度。
針對(duì)渦輪流量計(jì)的理論研究方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做出了大量研究并且已經(jīng)形成完整的理論體系。POPE[81基于Lee建立的渦輪流量計(jì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擴(kuò)展，以考慮轉(zhuǎn)子上的流體阻力、軸承靜態(tài)阻力和軸承粘性阻力。Ball9研究表明在層流段渦輪流量計(jì)K值隨雷諾數(shù)增加而增加。
但是大部分理論模型都是針對(duì)傳統(tǒng)軸向式渦輪流量計(jì)所建立，對(duì)于在油田固井工程中的具有特殊結(jié)構(gòu)的切向式渦輪流量計(jì)，并沒(méi)有針對(duì)性的理論模型。本文采用微元法對(duì)切向式葉輪進(jìn)行流體沖擊下的受力分析，并分析受到的流體阻力矩，建立針對(duì)性的切向式渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)模型。基于有限元流體仿真軟件，在不同流體粘度條件下，進(jìn)行流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)分析，總結(jié)不同流體條件對(duì)流量計(jì)計(jì)量特性的影響。
1儀表系數(shù)數(shù)學(xué)模型建立
圖1為切向式固井泥漿流量計(jì)葉輪在流體沖擊狀態(tài)下的力矩分析圖。葉片上受到流體沖擊產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩T，同時(shí)由于在流量計(jì)腔體在工作狀態(tài)下充滿流體將整個(gè)葉輪包圍在其中，所以葉輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)受到流體帶來(lái)的流體阻力矩Trf。由于研究所用的切向式流量計(jì)葉輪和軸之間采用軸承支撐，軸與軸承之間存在縫隙，在工作狀態(tài)下也會(huì)充滿流體產(chǎn)生縫隙間的液體粘性阻力矩Tm。而葉輪頂端在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與流量計(jì)內(nèi)壁會(huì)形成環(huán)形間隙，從而產(chǎn)生葉片頂端與殼體內(nèi)壁間的液體粘性阻力矩T10]。感應(yīng)元件帶來(lái)的電磁反應(yīng)阻力矩可忽略不計(jì)。
根據(jù)動(dòng)量矩定理，可以寫(xiě)出葉輪的運(yùn)動(dòng)方程"，如式(1)
式中:J為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;o為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度;
當(dāng)渦輪流量計(jì)達(dá)到穩(wěn)定工況時(shí),渦輪流量計(jì)受到的合力矩趨近于0,葉輪旋轉(zhuǎn)的角加速度也趨近于0,則有:
1.1驅(qū)動(dòng)力矩
由于葉輪受到的驅(qū)動(dòng)力矩Tg是流體沖擊葉輪葉片產(chǎn)生的，使用微元法對(duì)葉輪上一個(gè)葉片進(jìn)行分析，在葉片上取半徑為r處葉片微元。半徑r處的葉片微元上所受到的驅(qū)動(dòng)力dF可表示為:
式中:ρ表示流體的密度,單位:Kg/m³;Q表示流體的體積流量，單位:m³/min。
所以，半徑r處的葉片微元上所受到的驅(qū)動(dòng)力矩dTd可表示為:
根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)，對(duì)葉片長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行積分得:
式中:v1為流量計(jì)進(jìn)口流體平均速度;v2為傳感器出口流體平均速度;a1為v1與半徑r處的圓周速度u之間的夾角:a2為以與半徑r處的圓周速度u之間的夾角。
流量計(jì)進(jìn)口的平均速度v1表示為:
式中:A為流量計(jì)內(nèi)流道橫截面積，單位:1m²。
根據(jù)流體出口速度三角形關(guān)系可知:
式中:n為單位時(shí)間內(nèi)渦輪轉(zhuǎn)數(shù)，單位:r/s，則有:
代入式(5)得到驅(qū)動(dòng)力矩表達(dá)式:
式中:rh為葉片頂端半徑，rk為葉片底端半徑，rb為葉輪伸出在流量計(jì)管道內(nèi)部分的最小長(zhǎng)度。
1.2流體阻力矩
在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，流體沖擊在葉輪上產(chǎn)生相互作用，產(chǎn)生阻礙葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的粘滯力，根據(jù)以往對(duì)于渦輪流量計(jì)流體阻力矩的研究，實(shí)際流體阻力矩與流體體積流量呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。由王振等121關(guān)于切向式流量計(jì)的研究，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化得流體流動(dòng)阻力矩Trf:
式中:C為只與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的比例系數(shù)。
1.3軸與軸承的粘性摩擦阻力距
在研究所用切向式固井泥漿流量計(jì)的葉輪與軸之間采用軸承鏈接，軸與軸承內(nèi)徑之間存在一定間隙，在流量計(jì)的工作狀態(tài)下，流量計(jì)腔體內(nèi)充滿流體，從而軸與葉輪內(nèi)孔的間隙也會(huì)充滿流體，所以葉輪會(huì)受到流體與內(nèi)孔表面間的粘性阻力矩Tm。由于兩者之間的間隙很小，可以將縫隙間的液體流動(dòng)狀態(tài)看作是層流狀態(tài)，因此的表達(dá)式如式(12)所示:
式中:L表示軸與葉片參與摩擦部分的長(zhǎng)度，單位為m;.
v表示運(yùn)動(dòng)粘度,單位為mm2/s;
ɷ-角速度，單位:rad/s。
1.4葉輪頂端與殼體內(nèi)壁間的流體粘性阻力矩
在工作狀態(tài)下，葉輪在流體沖擊下產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，由于研究所采用的渦輪流量計(jì)特有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，六片式的葉輪的上半部分被殼體內(nèi)壁所包圍，而葉輪的下半部分暴露在流量計(jì)腔體的管道部分內(nèi)，而被包裹的部分在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下和殼體內(nèi)壁形成了半環(huán)形的區(qū)域，和軸與葉輪間隙產(chǎn)生的環(huán)形區(qū)域類似，半環(huán)形區(qū)域內(nèi)同樣充滿了流體，對(duì)葉輪產(chǎn)生了粘性阻力矩7b,但是由于葉輪其中一半結(jié)構(gòu)不與殼體內(nèi)壁產(chǎn)生環(huán)形區(qū)域，故葉輪頂部與殼體內(nèi)壁間的流體粘性阻力矩本文只考慮半環(huán)形區(qū)域產(chǎn)生的液體粘性阻力矩。給出葉輪頂部與殼體內(nèi)壁間的流體粘性摩擦阻力距表達(dá)式。如式(13)所示。
1.5儀表系數(shù)K
儀表系數(shù)K是表征渦輪流量計(jì)測(cè)量特性最重要的參數(shù)，通常將傳感器輸出顯示的脈沖信號(hào)率f和單位時(shí)間內(nèi)的體積流量Q的比值定義為K。
通過(guò)式(17)能夠看出，切向式泥漿流量計(jì)的儀表系數(shù)不僅受到葉輪結(jié)構(gòu)尺寸的影響，在相同工況和流量計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸下，也會(huì)受到流體運(yùn)動(dòng)粘度v變化的影響，而當(dāng)流體密度的相同時(shí)，儀表系數(shù)則受到動(dòng)力粘度η的影響。
運(yùn)動(dòng)粘度以及動(dòng)力粘度的關(guān)系如式(18)所示:
式中:η表示動(dòng)力粘度，單位為mPa·s;v表示運(yùn)動(dòng)粘度,單位為mm2/s;p表示密度，單位為kg/m3。
實(shí)際工況下，粘度對(duì)渦輪流量計(jì)的影響情況較為復(fù)雜，結(jié)合上述理論分析結(jié)果，本文采用流體仿真的方式對(duì)流體粘度和儀表系數(shù)變化之間的關(guān)系進(jìn)行探討。
2流量計(jì)流場(chǎng)分析
2.1內(nèi)流道三維模型建立
計(jì)算流體力學(xué)(computationalfluiddynamics,CFD)是就流量計(jì)流場(chǎng)特性最有效的方法之。GUO等1[13-14使用CFD仿真計(jì)算方法對(duì)不同流體粘度、葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量計(jì)計(jì)量影響規(guī)律進(jìn)行探究，證明了使用CFD方法的正確率。
建立流量計(jì)內(nèi)流道和旋轉(zhuǎn)葉輪的三維模型，并進(jìn)行計(jì)算區(qū)域劃分，如圖2所示。
對(duì)于靜止區(qū)域采用2mm尺寸的網(wǎng)格,旋轉(zhuǎn)域和靜止域之間采用itereface接觸對(duì)進(jìn)行連接,靜止域中近interface面處的網(wǎng)格尺寸設(shè)為1mm。對(duì)于旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，尤其是近葉輪壁面的位置，以保證流體沖擊在葉片壁面上的計(jì)算精度，旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1mm,旋轉(zhuǎn)域中近葉輪壁面部分的的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5mm。平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.83左右，滿足計(jì)算要求。劃分后的網(wǎng)格模型如圖3所示。
2.2計(jì)算條件設(shè)置
管道進(jìn)口處設(shè)為速度進(jìn)口(velocty-inlet),管道出口處設(shè)為壓力出口(pressure-outlet)，旋轉(zhuǎn)域和靜止域連接的壁面設(shè)置3個(gè)interface接觸對(duì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)域和靜止域之間的數(shù)據(jù)交互，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。選用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行渦輪流量計(jì)的仿真分析。動(dòng)網(wǎng)格更新方式選擇Smoothing(光順)和Remeshing(網(wǎng)格重構(gòu))，為了讓葉輪在流體沖擊狀態(tài)下能夠繞著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，選擇SixDOF(六自由度)來(lái)定義旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)，使葉輪在受到外力情況下可以發(fā)生運(yùn)動(dòng)。
2.3仿真儀表系數(shù)預(yù)測(cè)方法
力矩平均值法通過(guò)提取若干周期內(nèi)的力矩系數(shù)，計(jì)算其平均值，當(dāng)平均值的數(shù)量級(jí)低于設(shè)定值時(shí)，判定力矩基本受力平衡。但是此方法的局限在于所監(jiān)測(cè)的力矩系數(shù)沒(méi)有達(dá)到理想范圍時(shí)，需要在計(jì)算過(guò)程中不斷在邊界條件里修改葉輪轉(zhuǎn)速o，這種方法具有一定程度的試探性，獲取數(shù)據(jù)過(guò)程繁瑣，增加了后處理過(guò)程的成本。張永勝等17]提出使用6DOF流體仿真模型，模擬葉輪在流體沖擊狀態(tài)下的真實(shí)工況。本文采用的6DOF模型實(shí)現(xiàn)了葉輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)實(shí)際工況直接對(duì)管道進(jìn)口速度v進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算之后通過(guò)觀察實(shí)時(shí)的力矩系數(shù)和表面阻力變化曲線，便可直接判斷渦輪流量計(jì)處于穩(wěn)定工況的時(shí)刻,從而獲取穩(wěn)定工況時(shí)的轉(zhuǎn)速、力矩系數(shù)、表面阻力等數(shù)據(jù)，.大大減少了計(jì)算成本，并能最大程度保證仿真的真實(shí)性與合理性。
當(dāng)渦輪流量計(jì)達(dá)到穩(wěn)定工況時(shí)，流量的葉輪轉(zhuǎn)速也應(yīng)趨于一穩(wěn)定值，進(jìn)而儀表系數(shù)K也趨于一穩(wěn)定值108]。在流量計(jì)的仿真過(guò)程中，為了得到穩(wěn)定空工況下的葉輪轉(zhuǎn)速，對(duì)葉輪的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行力矩系數(shù)Cm和葉片表面阻力drag的監(jiān)控。計(jì)算過(guò)程受到葉輪本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)影響，力矩系數(shù)Cm和葉片表面阻力drag的值都呈現(xiàn)周期性變化，因此提取Cm和drag值波動(dòng)趨于平穩(wěn)后的6個(gè)周期內(nèi)的變化數(shù)據(jù)，計(jì)算其周期算數(shù)平均值，當(dāng)Cm的周期平均值值小于某一-量級(jí)最大限度趨近于0時(shí)，則認(rèn)為此時(shí)渦輪流量計(jì)處于穩(wěn)定工況。圖4為仿真達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)截取的力矩系數(shù)變化圖。
3流場(chǎng)特性分析
通過(guò)圖5所示的流量計(jì)三維流場(chǎng)速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，流量計(jì)管道內(nèi)部流場(chǎng)變化最復(fù)雜的地方發(fā)生在葉輪下半部分與流體直接沖擊的位置，流體高速?zèng)_擊至葉輪表面，在推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，流體向兩側(cè)邊緣和葉片頂端流出，由于葉片邊緣呈直角過(guò)度，在此處流體速度發(fā)生小范圍的急升，會(huì)對(duì)葉輪葉片邊緣造成更大沖擊。
沿流量計(jì)內(nèi)道方向設(shè)定截面，以方便觀察流量計(jì)管道內(nèi)部的流場(chǎng)狀況。通過(guò)速度場(chǎng)云圖可知，流體從圖片右側(cè)管道入口流入，由于泥漿為不可壓縮流體，所以在速度入口處不設(shè)置進(jìn)口壓力。在管道內(nèi)壁處，由于流體本身存在粘性，會(huì)產(chǎn)生粘性邊界層，從圖6可以看出管道內(nèi)流速由內(nèi)壁向管道中心逐漸增大，而在旋轉(zhuǎn)域部分，即葉輪區(qū)域附近出的邊界層要相對(duì)厚一些，但是由于葉輪本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，葉輪兩側(cè)距離壁面有較大空隙，邊界層不會(huì)對(duì)葉輪本身的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生影響。
3.1速度場(chǎng)分析
在體積流量1.2m³/min、流體密度1250kg/m³流體條件下進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)圖6所示的流場(chǎng)速度云圖能夠發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)分布比較復(fù)雜的部分主要集中在葉輪表面附近，尤其是葉輪結(jié)構(gòu)直接暴露在腔體管道中的部分。流體從右側(cè)高速?zèng)_擊在葉輪葉片上，對(duì)葉輪葉片施加壓力，然后從葉片兩邊和下方流出。然而在流體直接沖擊到的葉片頂部區(qū)域發(fā)生了速度場(chǎng)的突變,這是由切向式葉輪的結(jié)構(gòu)特性所決定的。
能夠發(fā)現(xiàn)在相同條件下,粘度65mPa·s下的葉輪附近最大速度為27.5m/s,略高于粘度45mPas下的26.5m/s,粘度的升高導(dǎo)致了流場(chǎng)流速的整體升高。分析其原因?yàn)檎扯鹊纳呤谷~輪頂隙流體粘性阻力增大，減小了間隙中的流體流量，從而使葉片表面流量增加，導(dǎo)致葉輪轉(zhuǎn)速小幅上升。
3.2壓力場(chǎng)分析
通過(guò)圖7所示的流量計(jì)的截面壓力云圖可知，渦輪流量計(jì)正常作業(yè)時(shí)，整個(gè)腔體內(nèi)的壓力分布較為較為均勻,壓力場(chǎng)變化較大的地方發(fā)生在葉輪葉片與流體發(fā)生沖擊的--側(cè)，最大壓力集中在葉片表面附近，粘度65mPa·s.條件下，葉輪表面處的最大壓力達(dá)到0.256MPa，高于粘度45mPa·s條件下的0.195MPa，壓力從葉片表面向外逐漸較小。流體粘度的升高使葉輪附近流體阻力矩增大，導(dǎo)致作用在葉片表面的推動(dòng)力增大，從而葉片受到的壓力增大。
3.3葉片表面壓力分析
通過(guò)圖8所示的葉片表面的壓力分布圖可知，在葉輪處于穩(wěn)定工況力矩平衡狀態(tài)下時(shí)，葉片上最大壓力主要集中在葉片根部和葉片表面中心位置處，向著葉片邊緣位置逐漸減小。這是由于葉片本身的平面結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致，葉片表面壓力分布不均勻，無(wú)法對(duì)來(lái)流的沖擊做出很好的瞬時(shí)響應(yīng)。
3.4仿真結(jié)果分析
設(shè)定流體密度1440kg/m³,粘度55mPa·s,流體體積流量范圍為0.21至4m³/min,其中0.2Im3/min為該流體條件下，流量計(jì)管道內(nèi)層流與湍流的分界流量，4m³/min為流量計(jì)的量程范圍上限。仿真結(jié)果如表1所示。
為了探究更大粘度范圍內(nèi)的流量計(jì)計(jì)量特性，在流體粘度35-75mPas范圍內(nèi)選取35、45、55、65、75mPa:s五個(gè)粘度點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算。圖9為流量計(jì)儀表系數(shù)變化曲線圖，能夠發(fā)現(xiàn)整體儀表系數(shù)曲線呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，符合渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)曲線的一般特性。觀察小流量下的儀表系數(shù)曲線能夠發(fā)現(xiàn)，隨著粘度減小，儀表系數(shù)曲線呈現(xiàn)整體右移增大的趨勢(shì)，而在大流量下，能夠明顯看出在粘度35、45mPars下的儀表系數(shù)要高于55、65、75mPa·s。原因主要是粘度減小導(dǎo)致流體阻力減小，從而整體葉輪轉(zhuǎn)速隨之增大，導(dǎo)致儀表系數(shù)隨之增大。通過(guò)圖9還可發(fā)現(xiàn)在粘度35、45mPa:s粘度相對(duì)較低時(shí)，儀表系數(shù)相較于粘度時(shí)的變化要更為平緩，線性度更高:在粘度55、65、75mPa·s情況下，儀表系數(shù)隨著流量增大而增大的趨勢(shì)更為明顯，線性度降低。
圖10為葉輪轉(zhuǎn)速隨體積流量的變化關(guān)系圖，發(fā)現(xiàn)葉輪轉(zhuǎn)速和體積流量呈正比例增大關(guān)系，受粘度變化影響較小。
通過(guò)圖11發(fā)現(xiàn)，在流量計(jì)量程范圍內(nèi)，葉輪受到的流體阻力隨體積流量Q的增大而增大，并呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。隨著流體粘度的增大，葉輪受到的阻力隨之增大，且在大流量情況下，這種趨勢(shì)更加明顯，而葉輪阻力會(huì)降低葉輪轉(zhuǎn)速以及儀表系數(shù)，同之前分析結(jié)果保持一致。
4固井實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
4.1固井實(shí)測(cè)條件
使用圖12所示的切向式固井泥漿流量計(jì)在遼寧某油田油井進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
固井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有水泥灰灌、固井水罐車、固井水泥車以及井口水泥泵。泥漿流量計(jì)安裝在固井注水泥車和井口水泥泵之間的管道之間，水泥車將水泥灰和水混合之后成為水泥漿注入到井下。當(dāng)水泥漿從管道流過(guò)時(shí)，沖擊流量計(jì)葉輪并發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)化為葉輪轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)體積流量等數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)箱，即采集得到所需數(shù)據(jù)，用來(lái)與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。其中，泥漿流量計(jì)系統(tǒng)箱每12s記錄-次數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泥漿粘度的測(cè)量采用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)主要用來(lái)測(cè)量固井作業(yè)中水泥漿等流體流變參數(shù)，而固井作業(yè)所用水泥漿粘度因油井的不同會(huì)有所變化。
所選用進(jìn)行實(shí)測(cè)的泥漿流量計(jì)管道內(nèi)徑為50.8mm葉輪半徑18.5mm。油田進(jìn)行固井作業(yè)的兩口油井，實(shí)測(cè)注入的分別為粘度54mPars、密度1500kg/m³以及粘度50mPars、密度1380kg/m³的兩種水泥泥漿。
4.2仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證
由于實(shí)際固井作業(yè)中，穩(wěn)定工況下監(jiān)測(cè)的泥漿瞬時(shí)流量的變化大致呈階梯式上升或下降，記錄間隔太短的數(shù)據(jù)之間較為接近，不具有差異性和對(duì)比性。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，一次注入泥漿作業(yè)從開(kāi)始至結(jié)束，流量計(jì)采集到的大部分穩(wěn)定工況泥漿瞬時(shí)流量在1-2m³/min左右范圍內(nèi)，為了在這一流量范圍內(nèi)最大程度選取具有對(duì)比性的流量點(diǎn)，進(jìn)行如下選取:
(1)在粘度54mPas、密度約為1500kg/m³條件下選用數(shù)據(jù)采集過(guò)程中采集到的瞬時(shí)流量1.66m³/min至1.98m³/min范圍內(nèi)變化最為明顯的5個(gè)流量點(diǎn)作為仿真計(jì)算的輸入條件，計(jì)算結(jié)果如表2所示。
(2)用同樣方法選取粘度50mPa·s、密度1380kg/m³條件下采集到的瞬時(shí)流量1.05-2.15m/min范圍內(nèi)的5個(gè)流量點(diǎn)，設(shè)定實(shí)際選用的流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及流體參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。
將實(shí)際固井作業(yè)中采集到的兩組葉輪轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最大誤差為2.9%，最小誤差0.2%，平均誤差1.38%，仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，認(rèn)為所建立的仿真模型具有精度。
5結(jié)論
針對(duì)固井工程所用的切向式渦輪流量計(jì)建立了驅(qū)動(dòng)力矩、阻力矩的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)推導(dǎo)出儀表系數(shù)K的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)粘度變化會(huì)對(duì)流量計(jì)儀表系數(shù)造成影響，使固井工程流量計(jì)量作業(yè)有了理論依據(jù)。
建立6DOF流體仿真模型，對(duì)流量計(jì)體積流量0.21-4m³/min量程范圍內(nèi)，流體粘度35、45、55、65、75mPa·s的流體條件分別進(jìn)行仿真分析。發(fā)現(xiàn)隨著粘度減小，儀表系數(shù)曲線呈現(xiàn)整體右移增大的趨勢(shì)，原因主要是粘度減小導(dǎo)致流體阻力減小，從而整體葉輪轉(zhuǎn)速和儀表系數(shù)隨之增大。且隨著粘度增大，儀表系數(shù)曲線線性度減小。
通過(guò)實(shí)際固井工程作業(yè)采集的流量數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，最大誤差為2.9%，最小誤差0.2%，平均誤差1.38%，驗(yàn)證了仿真模型的正確性，為固井泥漿流量計(jì)的研究提供了依據(jù)。
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