渦輪流量計(jì)在低流速條件下的線性特征

實(shí)驗(yàn)平臺包括管路系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)渦輪流量計(jì)和高速攝像觀測裝置，該平臺可簡單模擬井下儀器流道內(nèi)的流動(dòng)情況。

　　    管路采用直徑20 mm的有機(jī)玻璃管組成。在3 m高處放置帶有溢流堰的穩(wěn)壓水箱，可以提供穩(wěn)定的壓力源，使低流量時(shí)流速保持穩(wěn)定，管路經(jīng)過彎曲后自下而上流過約0. 5 m的穩(wěn)定段通過待測渦輪流量計(jì)。在管路的末端采用節(jié)流閥控制流速。

　　    實(shí)驗(yàn)渦輪流量計(jì)采用大慶油田普遍使用的直徑19 mm的鋁制渦輪和直徑20 mm的有機(jī)玻璃管制成。在實(shí)際測井中，該渦輪通常的測量范圍是1 ^-80 mj/d。

　　    采用量筒和秒表測量管道內(nèi)的流速，該方法在低流量條件下測量相對誤差小于1.5%。同時(shí)，使用Casio公司生產(chǎn)的EX-Fl型高速相機(jī)對渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況進(jìn)行直接拍攝。與通常的磁感應(yīng)采集方式不同，高速攝影記錄方式可以得到渦輪流量計(jì)在低流量條件下的響應(yīng)情況，包括磁感應(yīng)難以采集到的低轉(zhuǎn)速和單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的情況。采用分析高速攝影視頻的方法測量渦輪轉(zhuǎn)速，其測量精度隨轉(zhuǎn)速的降低而升高，在1  r/ s時(shí)，誤差為0. 300，10 r/s時(shí)誤差不大于2000

　　    實(shí)驗(yàn)用水為自來水，采用聚丙烯酞胺(PAM)溶于水配制不同粘度的溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，聚丙烯酞胺是三次開采中使用zui廣泛的聚合物。PAM溶液密度測量采用體積質(zhì)量法，測量誤差為士100。測量不同配比的PAM溶液，與水密度差別在2%以內(nèi)。可以通過控制其配比改變?nèi)芤赫扯?，粘度測量采用NDf-1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，其表觀粘度測量誤差為士5%。

　　    通過在上述低流量實(shí)驗(yàn)平臺中使用PAM溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以對實(shí)際測井中遇到的低流量不同粘度的情況進(jìn)行模擬和觀測。

　    　2多粘度響應(yīng)結(jié)果

　　    采用水和PAM溶液，在上述實(shí)驗(yàn)平臺上對渦輪流量計(jì)在。-10 mj /d的范圍內(nèi)的響應(yīng)情況進(jìn)行觀察。通過調(diào)整配比，得到了純水、8. 2, 14, 20. 5,57. 5 cSt和87 cSt等6種不同表觀粘度的流體并觀察了直徑19 mm的渦輪流量計(jì)對其響應(yīng)的情況。

渦輪流量計(jì)

　　   圖1反映了渦輪流量計(jì)在低流量條件下對不同粘度的流體的響應(yīng)情況。從圖1可見，隨著粘度的增加，渦輪流量計(jì)的K值下降，且線性度也變差。對圖1中各粘度條件下的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)中測量到的啟動(dòng)排量進(jìn)行比較得到表1所示數(shù)據(jù)。

渦輪流量計(jì)

　　圖1渦輪流量計(jì)對不同茹度條件的響應(yīng)轉(zhuǎn)速圖和K值

　　    隨著粘度升高，渦輪流量計(jì)響應(yīng)曲線斜率逐步下降，渦輪流量計(jì)啟動(dòng)排量也隨之下降。在流體為單相純水時(shí)，渦輪流量計(jì)可以觀察到的zui慢轉(zhuǎn)速為0. 6 r/s，而在粘度為57. 5 cSt和87 cSt時(shí)，通過拍攝可以測量到到渦輪流量計(jì)低于0. O1 r/s的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。特別是在粘度為87 cSt條件時(shí)，難以觀察到渦輪流量計(jì)無響應(yīng)的情況，只要管路內(nèi)有流動(dòng)，就伴隨有渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。在測井中使用的渦輪流量計(jì)所能采集到的轉(zhuǎn)速一般不低于0. sr/ s，過低的轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致磁感應(yīng)信號難以超過闌值而不會被采集到或者脈沖長度較長無法被識別。

　　 由于渦輪偏心和機(jī)械摩擦阻力矩微小變化的影響，渦輪流量計(jì)在同一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)會發(fā)生周期性的轉(zhuǎn)速變化，這也使得渦輪很難出現(xiàn)極低的轉(zhuǎn)速，因?yàn)榇藭r(shí)極易受擾動(dòng)而停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因而實(shí)際使用中，當(dāng)粘度較小時(shí)，渦輪流量計(jì)啟動(dòng)后zui低轉(zhuǎn)速一般在0. sr/s以上。但當(dāng)流體粘度提高之后，渦輪流量計(jì)在極低轉(zhuǎn)速時(shí)鉆性阻力矩就會超過機(jī)械摩擦阻力矩，成為主要的阻礙力矩，而鉆性阻力矩的大小是與渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)速成正比的，此時(shí)就會形成一種負(fù)反饋機(jī)制。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速降低時(shí)，鉆性阻力矩就會下降，驅(qū)動(dòng)力矩上升，使渦輪轉(zhuǎn)速升高，反之依然。因而渦輪流量計(jì)的響應(yīng)會變得較為穩(wěn)定，啟動(dòng)排量會降低，可以觀察到極低的轉(zhuǎn)速。同時(shí)，同一周期內(nèi)渦輪流量計(jì)的不穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)情況也會減弱。

　　 作為一種速度式流量計(jì)，渦輪流量計(jì)受人日速度分布影響較大，而人日速度分布情況是受雷諾數(shù)影響決定的。實(shí)驗(yàn)中得到的渦輪流量計(jì)K值與雷諾數(shù)的關(guān)系見圖2。

渦輪流量計(jì)

　　    圖2表明，在雷諾數(shù)低于2 000(即層流)的條件下，渦輪流量計(jì)的K值受雷諾數(shù)影響顯著。從圖2中可以看出，K值與雷諾數(shù)之間有相關(guān)性，隨著雷諾數(shù)的增加呈現(xiàn)3個(gè)階段:當(dāng)雷諾數(shù)極低(小于20)時(shí)，渦輪流量計(jì)近似保持一個(gè)固定的K值;隨著雷諾數(shù)的增加(雷諾數(shù)在20 ^-1 000) ,渦輪流量計(jì)的K值與雷諾數(shù)近似呈指數(shù)關(guān)系;當(dāng)雷諾數(shù)較高時(shí)(大于1 000),渦輪流量計(jì)進(jìn)人線性響應(yīng)，K值穩(wěn)定不變。同Funress}'}的結(jié)果相比，在K值與雷諾數(shù)的指數(shù)關(guān)系段，本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果與指數(shù)關(guān)系(圖2中粗實(shí)線)有一定的偏差。本文實(shí)驗(yàn)采用的聚合物溶液不同于Funress實(shí)驗(yàn)采用的油，聚合物溶液是非牛頓流體，在不同剪切率條件下，其表觀粘度不同[1a7。隨著剪切率(在本文實(shí)驗(yàn)中流速是剪切率的主要影響因素)的上升，其表觀鉆性系數(shù)會下降。對比圖2曲線，以聚合物粘度為8. 2 cSt的響應(yīng)曲線為例，曲線的起始段低于指數(shù)關(guān)系，是由于流速較慢剪切率較低，其表觀粘度較大，實(shí)際雷諾數(shù)應(yīng)該稍低，圖2中曲線應(yīng)向左稍稍平移;流速較高的響應(yīng)點(diǎn)K值高于指數(shù)關(guān)系直線則是由于剪切率較高時(shí)，表觀粘度減小，實(shí)際雷諾數(shù)更大，需將響應(yīng)點(diǎn)向右平移。因而實(shí)際的雷諾數(shù)與K值的關(guān)系，需結(jié)合聚合物溶液的表觀粘度變化情況進(jìn)行修正。

渦輪流量計(jì)

　　    3與理論模型的對比與討論

　　    采用Thompson等00提出的理論模型，人日速度設(shè)置為層流，對實(shí)驗(yàn)中的工況進(jìn)行模擬。將求解后得到的K值與雷諾數(shù)的關(guān)系繪制在圖3中。

　　    比較圖2與圖3可看出，理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在前文所述的K值指數(shù)增長階段與穩(wěn)定階段基本相符，極低雷諾數(shù)條件下穩(wěn)定的小K值難以通過傳統(tǒng)的理論方法進(jìn)行模擬。理論方法可以作為低流量條件下渦輪流量計(jì)在粘度不超過50 cSt的鉆性流體中響應(yīng)情況的快速計(jì)算分析手段。通過理論和實(shí)驗(yàn)表明，在渦輪流量計(jì)進(jìn)人線性段K值穩(wěn)定之前，渦輪K值與雷諾數(shù)呈指數(shù)關(guān)系。不過需要指出的圖3理論模擬K值與雷諾數(shù)關(guān)系是，在低流量條件下，渦輪流量計(jì)在啟動(dòng)時(shí)葉片相對于來流攻角較大，會產(chǎn)生流動(dòng)分離的現(xiàn)象，此時(shí)會使得渦輪流量計(jì)的響應(yīng)有一定的波動(dòng)和偏差。因而，采用粘度較高的鉆性流體，在不同雷諾數(shù)條件下進(jìn)行標(biāo)定之后，就可以對該渦輪對于不同鉆性流體的響應(yīng)情況進(jìn)行分析和計(jì)算。

　　4結(jié)論與建議

　　    (l)隨著粘度的增大，渦輪流量計(jì)的啟動(dòng)排量會降低，同時(shí)響應(yīng)的zui低轉(zhuǎn)速也會下降。

　　    (2)隨著粘度的提升，渦輪流量計(jì)的K值會下降，同時(shí)線性度也會變差。

　　    (3)在進(jìn)人渦輪響應(yīng)的線性段前，K值持續(xù)升高，且隨流量計(jì)人日雷諾數(shù)呈指數(shù)增長關(guān)系。

　　    (4)對于產(chǎn)出液粘度較高的低產(chǎn)井，宜采用采集系統(tǒng)更敏感的渦輪使其能地采集低轉(zhuǎn)速(小于0. O1 r/s)的信號。

　　    (5)用于測量不同鉆性流體的渦輪流量計(jì)，只進(jìn)行一次在高粘度條件下來流雷諾數(shù)不同的標(biāo)定，即可近似得到該渦輪流量計(jì)K值與雷諾數(shù)的關(guān)系，并反推出該渦輪對不同鉆性流體的響應(yīng)曲線