摘要:固井(jing)泥漿流量計(ji) 是應用在油(yóu)田固井工程(chéng)中進行泥漿(jiāng)流量計量的(de)儀💃🏻器，屬于切(qie)👈向式渦輪流(liú)量計 。爲探究(jiū)流體條件對(dui)其計量特性(xing)的影響機理(lǐ)，首先建立流(liú)量🎯計葉輪驅(qū)動力矩和阻(zǔ)力矩的數學(xué)模型，在此基(jī)礎上建立儀(yi)☎️表系數K的模(mo)型，并發現流(liu)體粘度是影(ying)📱響因素之一(yi)。其次，考慮到(dao)實際固井作(zuo)業中，粘度對(duì)儀表計量特(tè)性的影響🤟規(gui)律較爲複雜(za)，因此使用有(you)限元分析軟(ruan)件，建立6DOF葉輪(lún)被動旋轉流(liú)體仿真計算(suàn)模型，對多種(zhong)流體粘度35、45、55、65、75mPas條(tiao)件下的流場(chǎng)特性以及儀(yí)表系數特🏃‍♀️性(xìng)進行仿真分(fen)析❤️，總結粘度(du)變化對😍流量(liàng)計計量特性(xìng)的影響規律(lǜ)。最後♈通過實(shí)際采集的固(gù)井測量數據(ju)和仿真數據(ju)進行比較，平(píng)均誤🔱差爲1.38%，驗(yàn)證了建立的(de)仿真模型的(de)有效性。
0引言(yan)
　　随着社會生(shēng)産力的發展(zhan)，在石油氣、醫(yī)療衛生以及(ji)工業生産等(deng)衆多領域，對(duì)于流體介質(zhi)的計量要求(qiú)🈲越來越高。在(zai)油田固井工(gōng)程中，固井質(zhì)量直接決定(ding)油井在後續(xu)作🈲中的安全(quán)性和♉可靠性(xìng)，而在固井作(zuò)業中，鑽井‼️液(ye)、水泥漿等流(liu)體注⭐入的體(tǐ)積精度會直(zhí)💋接影響固井(jing)作業的質量(liàng)。
　　渦輪流量計(ji)爲固井工程(cheng)中進行流量(liàng)計量的重要(yao)裝🐕置，渦輪流(liú)✨量計具有耐(nài)用、計量正确(què)、響應速度快(kuài)、計量範圍廣(guǎng)等特點，分爲(wei)切向式渦輪(lun)流量計和軸(zhou)向式渦輪流(liú)量🏃🏻‍♂️計，軸向式(shi)渦輪流量較(jiào)爲常用，其内(nèi)部包含前導(dǎo)流件、旋轉葉(yè)輪、後☀️導流件(jian)以🏃🏻‍♂️及電磁感(gan)🏒應裝置，尤其(qi)葉輪部分結(jie)構比較複雜(za)，這些結構特(tè)性使軸向式(shi)渦❌輪流量計(jì)隻能夠計量(liang)純液體或氣(qì)體。而切向✉️式(shi)渦輪流量計(jì)葉輪結構相(xiàng)對簡單，能夠(gòu)适應雜質較(jiao)多的泥📞漿等(děng)流體的計量(liàng)工作。實際固(gu)⁉️井中分爲多(duō)個階段，需分(fen)别注🌈入不同(tong)組分構📞成的(de)📐鑽井液、替井(jǐng)液、水💘泥漿等(děng)流體介質，并(bìng)且🌈根據油井(jǐng)的不同，注入(rù)的流體的密(mì)度、粘度等參(can)數都在一定(ding)✏️範圍内波動(dòng)，流體密度大(dà)緻在🔞1000-1800kg/m³,粘度大(dà)緻在45-65mPas範圍内(nei)波動，不同💞的(de)流體條件會(huì)對計量㊙️結果(guo)産生較大影(ying)響，并且流量(liang)計的結構尺(chǐ)寸也會對結(jie)果産生重大(da)💯影響。目前針(zhēn)對渦輪流量(liàng)計的研究重(zhòng)🐆點主要集中(zhong)在通過優化(huà)儀表系數K的(de)📐數學模型化(huà)葉輪尺寸、改(gǎi)進結構材料(liào)等工作來提(ti)高計量精度(du)。
　　針對渦輪流(liu)量計的理論(lùn)研究方法，國(guo)内外學者做(zuo)出🈲了大量研(yan)究并且已經(jīng)形成完整的(de)理論體系。POPE[81基(jī)于Lee建立的渦(wō)輪流量計數(shu)學模型進行(hang)擴展，以考慮(lǜ)轉子上的流(liú)體阻力、軸承(chéng)靜态阻力和(hé)軸承粘性阻(zu)力。Ball9研究表明(míng)在層流段渦(wō)輪流量計K值(zhí)随雷諾數增(zeng)🌂加而增加。
　　但(dan)是大部分理(li)論模型都是(shì)針對傳統軸(zhóu)向式渦輪流(liú)量計所建立(lì)，對于在油田(tián)固井工程中(zhōng)的具有特殊(shu)結🔆構的切向(xiàng)式渦輪流量(liàng)計，并沒有針(zhēn)對性的理論(lun)模型。本文采(cǎi)用微元法對(dui)切向式葉輪(lun)進行流體沖(chòng)擊下的受力(lì)分析，并分析(xi)受🛀到的流體(ti)阻力矩，建🔴立(li)針對性的切(qiē)向式渦輪流(liú)量計儀表系(xi)數模型。基于(yu)有限元流體(tǐ)仿真軟件，在(zài)不同流體粘(zhan)度條件下，進(jin)行流量計内(nèi)部流場分析(xi)，總結不同流(liu)體條件對流(liú)量計計量特(tè)性的♋影響。
1儀(yi)表系數數學(xue)模型建立
　　圖(tú)1爲切向式固(gu)井泥漿流量(liang)計葉輪在流(liú)體沖擊狀态(tai)下的力矩😍分(fen)析圖。葉片上(shàng)受到流體沖(chong)擊産生的🈲驅(qu)動力矩T，同時(shí)由于在流量(liang)計腔體在工(gōng)作狀态下充(chōng)滿流體将整(zhěng)個葉輪包圍(wéi)在其中，所以(yǐ)葉輪在轉動(dòng)的同時會受(shòu)到流💘體帶來(lái)的流體阻力(lì)矩Trf。由于研❄️究(jiū)所用的切向(xiàng)式流量計葉(ye)輪和軸之間(jiān)采用軸承📐支(zhī)撐，軸與軸承(chéng)之間存在縫(féng)隙，在工作狀(zhuàng)态下也會充(chong)滿流體♍産生(sheng)縫隙間的液(yè)體粘性🧑🏾‍🤝‍🧑🏼阻力(li)矩Tm。而葉輪頂(dǐng)端在轉動時(shí)與流🍉量計内(nei)壁會形成環(huán)形間隙，從而(er)産生葉片頂(ding)端與殼💃體内(nèi)壁間的液體(tǐ)粘性阻力矩(ju)T10]。感應元件帶(dài)來的電磁反(fǎn)應阻力矩可(kě)忽略不計。
 
　　根(gēn)據動量矩定(ding)理，可以寫出(chū)葉輪的運動(dòng)方程"，如式👣(1)
 
式(shi)中:J爲葉輪轉(zhuan)動慣量;o爲葉(yè)輪旋轉角速(sù)度;
　　當渦輪流(liú)量計達到穩(wěn)定工況時,渦(wō)輪流量計受(shòu)到的合力矩(jǔ)趨近于0,葉輪(lún)旋轉的角加(jiā)速度也趨近(jin)于0,則有:
 
1.1驅動(dong)力矩
　　由于葉(ye)輪受到的驅(qū)動力矩Tg是流(liú)體沖擊葉輪(lun)葉片産生的(de)🔞，使用微元法(fǎ)對葉輪上一(yī)個葉片進行(háng)分析，在葉片(piàn)上取半☂️徑爲(wei)r處葉片微元(yuan)。半徑r處的葉(ye)片微元上所(suo)🍉受到的驅動(dong)力dF可表示爲(wèi):
 
式中:ρ表示流(liú)體的密度,單(dān)位:Kg/m³;Q表示流體(ti)的體積流量(liàng)，單位:m³/min。
所以，半(ban)徑r處的葉片(piàn)微元上所受(shòu)到的驅動力(li)矩dTd可表示爲(wei):
 
根據葉片結(jie)構，對葉片長(zhǎng)度範圍内進(jìn)行積分得:
 
　　式(shì)中:v1爲流量計(ji)進口流體平(píng)均速度;v2爲傳(chuán)感器出口流(liu)體平均速🔞度(dù);a1爲v1與半徑r處(chù)的圓周速度(du)u之間的夾角(jiao):a2爲以與半徑(jìng)r處的圓周💯速(sù)度u之間的夾(jia)角。
　　流量計進(jin)口的平均速(sù)度v1表示爲:
 
　　式(shi)中:A爲流量計(jì)内流道橫截(jié)面積，單位:1m²。
　　根(gen)據流體出口(kou)速度三角形(xing)關系可知:
 
　　式(shi)中:n爲單位時(shi)間内渦輪轉(zhuǎn)數，單位:r/s，則有(yǒu):
 
　　代入式(5)得到(dao)驅動力矩表(biǎo)達式:
 
　　式中:rh爲(wei)葉片頂端半(bàn)徑，rk爲葉片底(di)端半徑，rb爲葉(yè)輪伸出在流(liu)量計管道内(nèi)部分的最小(xiao)長度。
1.2流體阻(zǔ)力矩
　　在葉片(pian)轉動時，流體(tǐ)沖擊在葉輪(lun)上産生相互(hù)作用，産生阻(zǔ)礙💛葉👣輪轉動(dong)的粘滞力，根(gen)據以往對于(yu)渦輪流量計(ji)流體阻力矩(jǔ)的研究，實際(ji)流體阻力矩(ju)與流體體積(ji)流量呈現指(zhǐ)數🚶‍♀️關系。由王(wang)振等121關于切(qie)向式流量計(jì)的研究，經過(guò)❤️簡化得流體(ti)流動阻力矩(jǔ)Trf:
式中:C爲隻與(yu)結構參數有(you)關的比例系(xì)數。
1.3軸與軸承(chéng)的粘性摩擦(ca)阻力距
　　在研(yan)究所用切向(xiàng)式固井泥漿(jiang)流量計的葉(ye)輪與軸之間(jiān)采用軸承鏈(liàn)接，軸與軸承(cheng)内徑之間存(cun)在一定🏃🏻間隙(xì)🔞，在流量計🙇‍♀️的(de)工作狀态下(xià)，流量計腔體(ti)内充滿流體(tǐ)，從而軸與葉(ye)輪内孔的間(jian)隙也會充滿(mǎn)流體，所👅以葉(ye)輪會受到流(liú)體與内孔表(biǎo)面間的粘❤️性(xing)阻力矩Tm。由于(yu)兩者之間的(de)間隙很小，可(ke)以将縫隙間(jiān)的液體流動(dòng)狀态看🈚作是(shì)層流狀态，因(yīn)此的表達式(shi)如式(12)所示:
 
　　式(shi)中:L表示軸與(yǔ)葉片參與摩(mo)擦部分的長(zhang)度，單位爲m;.
v表(biǎo)示運動粘度(dù),單位爲mm2/s;
ɷ-角速(sù)度，單位:rad/s。
1.4葉輪(lún)頂端與殼體(tǐ)内壁間的流(liu)體粘性阻力(li)矩
　　在工作狀(zhuang)态下，葉輪在(zai)流體沖擊下(xià)産生高速旋(xuan)轉🔞，由于研究(jiu)⭕所采用的渦(wō)輪流量計特(tè)有的内部結(jie)構🏃🏻‍♂️，六片式的(de)葉輪的上半(bàn)部㊙️分被殼體(ti)内壁所包圍(wei)，而💞葉輪的下(xià)半部分暴露(lu)在流量計腔(qiang)體的管道部(bù)分内，而被包(bao)裹的部分在(zai)高速轉🔞動下(xia)和殼體内壁(bi)形成了半環(huan)形的區域，和(hé)軸與葉輪間(jiān)隙産生的環(huán)形🔴區域類似(sì)，半🔴環形區域(yu)内同樣充滿(man)了流體，對葉(ye)輪産生了粘(zhan)性阻力矩7b,但(dàn)是❄️由于葉輪(lun)其中一半結(jié)構不與殼體(tǐ)内壁産生環(huán)形區域，故葉(ye)輪頂部與殼(ké)體🔱内壁間的(de)流體粘性阻(zu)力矩本文隻(zhi)考慮半環形(xing)區域産生的(de)液體粘性阻(zǔ)力矩。給出葉(yè)輪頂部與殼(ke)體内壁間的(de)流體粘性摩(mo)擦阻力距表(biao)達式。如式(13)所(suǒ)示。
 
1.5儀表系數(shù)K
　　儀表系數K是(shi)表征渦輪流(liú)量計測量特(tè)性最重要的(de)參數🔞，通常将(jiang)傳感器輸出(chū)顯示的脈沖(chòng)信号率f和單(dan)位時間内㊙️的(de)體積流量Q的(de)🐆比值定義爲(wèi)K。
 
　　通過式(17)能夠(gòu)看出，切向式(shi)泥漿流量計(ji)的儀表系數(shu)不僅受到葉(ye)輪結構尺寸(cun)的影響，在相(xiang)同工況和流(liu)💋量計結構尺(chi)寸下，也會受(shòu)到流體運動(dong)粘度v變化的(de)影響，而當流(liu)體密度的相(xiang)同時，儀表系(xì)數則受到動(dong)力粘度η的影(yǐng)響。
運動粘度(du)以及動力粘(zhan)度的關系如(ru)式(18)所示:
 
　　式中(zhong):η表示動力粘(zhan)度，單位爲mPa·s;v表(biao)示運動粘度(dù),單位爲mm2/s;p表示(shi)密度，單位爲(wei)kg/m3。
　　實際工況下(xià)，粘度對渦輪(lun)流量計的影(yǐng)響情況較爲(wèi)複🔞雜，結合上(shang)述理論分析(xi)結果，本文采(cǎi)用流體仿真(zhēn)的方式對流(liu)體粘度👅和儀(yí)㊙️表系數變化(hua)之間的關系(xi)進行探讨。
2流(liú)量計流場分(fen)析
2.1内流道三(sān)維模型建立(li)
　　計算流體力(li)學(computationalfluiddynamics,CFD)是就流量(liàng)計流場特性(xing)最有效的方(fāng)♊法之🔴。GUO等1[13-14使用(yòng)CFD仿真計算方(fang)法對不同流(liu)體粘度、葉片(pian)結構參數對(duì)流量計計量(liàng)🚶影響規律進(jìn)行探究，證明(ming)了使用CFD方法(fa)的正确率💚。
建(jian)立流量計内(nèi)流道和旋轉(zhuǎn)葉輪的三維(wei)模型，并進行(hang)☀️計算區域劃(huà)分，如圖2所示(shi)。
 
　　對于靜止區(qū)域采用2mm尺寸(cun)的網格,旋轉(zhuǎn)域和靜止域(yù)之間🤟采用itereface接(jie)觸對進行連(lian)接,靜止域中(zhong)近interface面處的網(wang)格尺寸設爲(wèi)1mm。對于旋轉域(yu)的網格進行(háng)細化，尤其是(shi)近葉輪壁面(miàn)的位置，以保(bao)證流體沖擊(jī)在葉片壁面(miàn)上的計算精(jing)度，旋轉域的(de)網格尺寸設(she)置爲1mm,旋轉域(yu)中近葉輪壁(bì)面部分的的(de)網格尺寸設(shè)置爲0.5mm。平均網(wang)格質量爲0.83左(zuǒ)右，滿足計算(suàn)要求。劃分後(hòu)的網格模型(xing)如圖3所示。
 
2.2計(ji)算條件設置(zhi)
　　管道進口處(chù)設爲速度進(jìn)口(velocty-inlet),管道出口(kou)處設爲壓力(li)出口(pressure-outlet)，旋轉域(yu)和靜止域連(lián)接的壁面設(she)置3個interface接觸對(duì)，來實現旋轉(zhuǎn)域和靜止域(yu)之間的數據(ju)交互，壁面附(fu)㊙️近采用标準(zhun)壁面函數。選(xuan)用RNGk-ε湍流模型(xíng)進行渦輪流(liú)量計的仿真(zhen)分析。動網格(ge)更新方式選(xuan)擇🐇Smoothing(光順)和Remeshing(網(wang)㊙️格重構)，爲了(le)讓葉輪在流(liú)🔱體沖擊狀态(tai)下能夠繞着(zhe)旋轉軸旋轉(zhuan)，選擇SixDOF(六自由(you)度)來🚩定義旋(xuán)轉部件的運(yùn)動，使葉輪在(zài)受到㊙️外力情(qíng)況下可以發(fa)生運動。
2.3仿真(zhen)儀表系數預(yu)測方法
　　力矩(ju)平均值法通(tong)過提取若幹(gan)周期内的力(li)矩系數㊙️，計算(suàn)其平均值，當(dāng)平均值的數(shu)量級低于設(shè)定值時，判定(dìng)力矩🙇‍♀️基本受(shou)力平衡。但是(shì)此方法的局(ju)限在于所監(jian)測🌍的力矩系(xì)數沒有達到(dào)☎️理想範圍時(shí)，需要在⛱️計算(suan)過程中不斷(duàn)在邊界條件(jiàn)裏修改葉輪(lún)轉速o，這👅種方(fāng)法具有💁一定(dìng)程度的試探(tan)性，獲取數據(ju)過程繁瑣，增(zēng)加了後處🈚理(li)過程的成本(ben)。張永勝等17]提(tí)出使用6DOF流體(tǐ)仿真模型，模(mo)拟葉輪🈲在流(liú)體沖擊狀态(tai)下的真實工(gong)況。本文采用(yong)的🔞6DOF模型實現(xian)了葉輪被動(dong)旋轉，根據實(shi)際工況直接(jiē)對管道進口(kou)速度v進行設(shè)置，計算之後(hou)通過觀察實(shi)時的力✉️矩系(xì)數和表面阻(zǔ)力變化曲線(xiàn)，便可直接判(pan)斷渦輪流量(liàng)計處于穩定(ding)工況的時刻(ke),從而獲取穩(wen)定工況✊時的(de)轉速、力矩系(xi)數、表面阻力(li)等數據，.大大(dà)減少了計算(suan)成本，并能✔️最(zuì)大程度保證(zheng)仿真的真實(shi)性與合理性(xìng)。
　　當渦輪流量(liàng)計達到穩定(ding)工況時，流量(liang)的葉輪轉速(sù)也應‼️趨于一(yī)穩定值，進而(er)儀表系數K也(ye)趨于一穩定(ding)值108]。在💜流量計(jì)的☎️仿真過程(cheng)中，爲了得到(dào)穩定空工況(kuang)下的葉輪轉(zhuǎn)速，對葉輪的(de)旋轉軸進行(hang)力矩系數Cm和(hé)葉片表面♊阻(zǔ)力drag的監💰控。計(ji)算過📱程受到(dao)葉輪本身的(de)♋結構特點影(yǐng)響，力矩系數(shù)Cm和葉片表面(mian)阻力drag的值都(dōu)呈現周期性(xing)🐪變化，因此提(tí)取Cm和drag值波動(dong)趨于平穩後(hòu)的6個周期内(nei)的變化數據(ju)，計算其周期(qī)算數平均值(zhi)，當🔞Cm的周期平(ping)均值值小于(yu)某一-量級最(zuì)大限度趨近(jìn)于0時，則認爲(wei)此時渦輪流(liú)量計處于穩(wen)定工況。圖4爲(wei)仿真達到穩(wěn)定狀态時截(jie)㊙️取的力矩系(xì)數🏒變化圖。
 
3流(liu)場特性分析(xi)
　　通過圖5所示(shi)的流量計三(san)維流場速度(dù)矢量圖發現(xian)，流量計管道(dào)内部流場變(biàn)化最複雜的(de)地方發生在(zài)葉輪下半部(bù)分與流體直(zhí)接沖擊的位(wei)置，流體高速(su)沖擊至葉輪(lún)表面，在推動(dong)葉輪轉動的(de)同時，流體向(xiàng)兩側邊緣和(hé)葉片頂端流(liú)出，由于葉片(pian)邊緣呈直角(jiao)過度，在此處(chù)🐆流體速度發(fa)生小範圍的(de)急升，會對葉(yè)輪葉片邊緣(yuan)造㊙️成更大沖(chòng)擊。
 
　　沿流量計(ji)内道方向設(shè)定截面，以方(fang)便觀察流量(liang)計管道🏒内部(bù)🆚的🤟流場狀況(kuàng)。通過速度場(chang)雲圖可知，流(liú)體👄從圖片右(yòu)🏃🏻‍♂️側管道入口(kǒu)流🙇‍♀️入，由于泥(ni)漿爲不可壓(ya)縮流體，所♈以(yi)在速度入口(kǒu)處不設置進(jìn)口壓力。在管(guǎn)道内壁處，由(you)❓于流體本身(shen)存在粘性，會(hui)産生粘性邊(bian)界層，從圖6可(kě)以看出管道(dào)内✨流速由内(nei)壁✨向管道中(zhong)心🔞逐漸增大(dà)，而在旋轉域(yù)部分，即葉輪(lun)區域附近出(chū)的邊界層要(yào)相對厚一些(xiē)，但是由于葉(yè)輪本身的結(jié)構特點，葉輪(lún)兩側距離壁(bi)面有較大空(kong)隙⭕，邊界層不(bu)會對葉輪本(běn)身的轉動産(chǎn)生影響。
3.1速度(du)場分析
　　在體(ti)積流量1.2m³/min、流體(ti)密度1250kg/m³流體條(tiao)件下進行仿(páng)真計算。通過(guò)圖6所示的流(liú)場速度雲圖(tú)能夠發現流(liú)場分布比較(jiao)🏃‍♀️複雜的部分(fèn)主要集❄️中在(zài)葉輪表面附(fù)近，尤其是葉(yè)輪結構直接(jiē)暴露💋在腔體(ti)管道中的部(bù)分。流體從右(yòu)側高速沖擊(jī)在葉輪葉片(pian)上，對葉輪☁️葉(yè)片施加👌壓力(li)，然後從⭕葉片(piàn)兩邊和下方(fāng)流出。然而在(zài)流體直接沖(chong)擊到的葉片(pian)頂部區域發(fā)生了速度場(chǎng)的突變,這是(shi)由切向式葉(ye)輪的結構特(tè)性所決定的(de)。
　　能夠發現在(zai)相同條件下(xià),粘度65mPa·s下的葉(ye)輪附近最大(da)速度爲27.5m/s,略高(gāo)于粘度45mPas下的(de)26.5m/s,粘度的升高(gāo)導緻了流場(chang)流速的整體(tǐ)升高。分析其(qí)🍉原因爲粘度(du)的升高使葉(yè)輪頂隙流體(tǐ)粘性阻力增(zēng)大，減小了間(jian)隙中的流體(tǐ)流量，從而使(shǐ)葉片表⭐面流(liú)量增加，導緻(zhì)葉輪轉速小(xiao)🤩幅上升。
 
3.2壓力(li)場分析
　　通過(guo)圖7所示的流(liu)量計的截面(mian)壓力雲圖可(ke)知，渦輪👉流量(liàng)計🥵正常作業(ye)時，整個腔體(tǐ)内的壓力分(fèn)布較爲較爲(wei)均勻,壓力場(chǎng)變化較大的(de)地方發生在(zài)葉輪葉片與(yǔ)流體發生沖(chong)擊的🍓--側，最大(da)壓力集中在(zai)葉片表面附(fu)近，粘😄度65mPa·s.條件(jiàn)下，葉輪表面(mian)處的最大壓(yā)力達到0.256MPa，高于(yú)粘度45mPa·s條件下(xià)的0.195MPa，壓力從葉(ye)片表面向外(wài)逐漸較小。流(liu)體粘度的升(sheng)高使葉輪附(fù)近流體阻力(lì)矩增大，導緻(zhi)作用在葉片(pian)表面的🏃🏻‍♂️推動(dong)力增大，從而(ér)葉片受到的(de)壓力增大。
 
3.3葉(ye)片表面壓力(li)分析
　　通過圖(tu)8所示的葉片(pian)表面的壓力(li)分布圖可知(zhi)，在葉輪處于(yú)穩🔱定工況力(lì)矩平衡狀态(tài)下時，葉片上(shang)最大壓力主(zhǔ)要集中在葉(ye)片根⛱️部和葉(yè)片表面中心(xīn)位置🏃🏻處，向着(zhe)葉片邊緣位(wèi)置🙇‍♀️逐漸減小(xiao)。這是由于葉(yè)片本身的平(ping)面結構所導(dǎo)緻，葉片表面(mian)壓力分布不(bu)均勻，無法對(duì)來流的沖擊(jī)做出很好的(de)瞬時響應。
 
3.4仿(páng)真結果分析(xi)
　　設定流體密(mì)度1440kg/m³,粘度55mPa·s,流體(tǐ)體積流量範(fàn)圍爲0.21至4m³/min,其中(zhōng)0.2Im3/min爲該流體條(tiáo)件下，流量計(ji)管道内層流(liu)與湍流的分(fèn)界流量，4m³/min爲流(liú)量計的量程(cheng)範圍上限。仿(páng)真結果如表(biǎo)1所示。
 
　　爲了探(tan)究更大粘度(du)範圍内的流(liú)量計計量特(tè)性，在流🔆體🆚粘(zhan)度35-75mPas範💁圍内選(xuǎn)取35、45、55、65、75mPa:s五個粘度(du)點進行仿真(zhen)計算❗。圖9爲流(liú)量🧑🏾‍🤝‍🧑🏼計儀表系(xì)數變化曲線(xian)圖，能夠發現(xiàn)整體儀表系(xi)📐數曲線呈現(xiàn)先減小後增(zēng)大的趨勢，符(fú)合渦輪流量(liàng)計儀表系數(shu)曲線的一般(ban)特性。觀察小(xiao)流量下的儀(yi)表系數曲線(xiàn)能夠發現，随(suí)着粘❤️度減小(xiao)，儀表系數曲(qu)線呈現整體(tǐ)右移增大的(de)趨勢，而在大(dà)流量下，能夠(gòu)明顯看出在(zài)粘度🙇🏻35、45mPars下的儀(yí)表系數要高(gao)于55、65、75mPa·s。原因主要(yào)是粘度減小(xiao)導緻流體阻(zǔ)力減😘小❓，從而(ér)整體🤟葉輪轉(zhuǎn)速随之增大(dà)，導緻儀表系(xi)數随之增大(da)。通過圖9還可(kě)發現在粘度(dù)35、45mPa:s粘度💔相對較(jiao)低時，儀表系(xì)數相♉較于粘(zhan)度時的變化(hua)要更爲平緩(huan)，線性度更高(gao):在粘度55、65、75mPa·s情況(kuàng)下，儀表系數(shu)随着流量增(zēng)大而增大的(de)趨勢🛀🏻更爲明(míng)顯😄，線性度降(jiàng)低。
 
　　圖10爲葉輪(lun)轉速随體積(ji)流量的變化(huà)關系圖，發現(xian)葉⁉️輪❤️轉速🌂和(he)🍓體積流量呈(cheng)正比例增大(da)關系，受粘度(dù)變化影響較(jiào)小。
　　通過圖11發(fā)現，在流量計(ji)量程範圍内(nei)，葉輪受到的(de)流體阻力随(sui)體積流量Q的(de)增大而增大(da)，并呈現指數(shù)關系。随着流(liu)🔞體粘☔度的🧡增(zēng)大，葉輪受到(dào)的阻力随之(zhī)增大，且在大(da)流量情況下(xia)，這種趨勢更(gèng)加明顯，而葉(yè)輪阻力會降(jiàng)低葉輪轉速(sù)以及儀🔅表系(xì)數，同之前分(fèn)析結果保持(chi)一緻。
4固井實(shi)驗驗證
4.1固井(jing)實測條件
　　使(shi)用圖12所示的(de)切向式固井(jǐng)泥漿流量計(jì)在遼甯某油(you)田油井進行(hang)數據采集。
　　固(gu)井作業現場(chang)設備有水泥(ni)灰灌、固井水(shuǐ)罐車、固井水(shuǐ)泥車以及井(jing)口水泥泵。泥(ní)漿流量計安(ān)裝在固井注(zhu)水泥車📐和井(jǐng)🌈口水泥泵之(zhi)間的管道之(zhi)間，水泥車将(jiang)水泥㊙️灰和水(shui)混合之後成(cheng)爲㊙️水泥漿注(zhù)入到井下💁。當(dāng)水泥漿從管(guǎn)道流過時，沖(chòng)擊流量計葉(ye)輪并發生旋(xuán)轉，并産生脈(mò)沖信号，轉🍉化(hua)爲葉輪轉🔱速(su)、瞬時體積🈲流(liu)量等數據傳(chuán)輸至系統箱(xiang)，即🥵采集得到(dao)所需數據，用(yong)來與仿真計(jì)算🌈結果對比(bi)驗證。其中，泥(ni)漿流量計系(xi)統箱每12s記錄(lu)-次數📞據。
　　現場(chang)對泥漿粘度(du)的測量采用(yong)六速旋轉粘(zhān)度計，六速旋(xuan)轉😍粘🤟度計主(zhu)要用來測量(liàng)固井作業中(zhong)水泥漿等流(liú)體流變參📐數(shù)，而固井作業(yè)所用水泥漿(jiang)粘度因油井(jing)的不同會有(yǒu)所變🙇🏻化。
　　所選(xuǎn)用進行實測(ce)的泥漿流量(liàng)計管道内徑(jìng)爲50.8mm葉輪半🚶徑(jìng)18.5mm。油✏️田進行固(gù)井作業的兩(liang)口油井，實測(cè)注入的♈分别(bie)爲粘度54mPars、密🔱度(du)1500kg/m³以及粘度50mPars、密(mi)度1380kg/m³的兩種水(shui)泥泥漿。
4.2仿真(zhēn)數據驗證
　　由(yóu)于實際固井(jing)作業中，穩定(dìng)工況下監測(ce)的泥漿瞬🔱時(shí)流🈲量的♊變🥰化(huà)大緻呈階梯(tī)式上升或下(xià)降，記錄間隔(ge)太🐕短的數據(ju)之間較爲接(jiē)近，不具有差(chà)異性和對比(bǐ)性。
　　根據現場(chǎng)作業情況，一(yī)次注入泥漿(jiang)作業從開始(shi)至🌏結束❗，流量(liàng)計采集到的(de)大部分穩定(ding)工況泥漿瞬(shùn)時流量在1-2m³/min左(zuǒ)右範㊙️圍内，爲(wei)了在這一流(liú)量範圍内最(zuì)大程度選取(qǔ)具有對比性(xing)的流量點，進(jìn)行♈如下選取(qu):
(1)在粘度54mPas、密度(dù)約爲1500kg/m³條件下(xia)選用數據采(cai)集過程中采(cǎi)集到的✔️瞬💛時(shí)流量1.66m³/min至1.98m³/min範圍(wei)内變化最爲(wei)明顯的5個流(liú)量點💁作爲💘仿(páng)真計算的輸(shu)入條件，計算(suan)結果如表2所(suǒ)示。
(2)用同樣方(fang)法選取粘度(dù)50mPa·s、密度1380kg/m³條件下(xià)采集到的瞬(shun)時流量🎯1.05-2.15m/min範圍(wéi)内的5個流量(liàng)點，設定實際(ji)選用的流量(liang)計結構參數(shù)以及👈流體參(can)數，計算結果(guǒ)如表3所示。
 
　　将(jiang)實際固井作(zuò)業中采集到(dao)的兩組葉輪(lún)轉速數據和(hé)🈚仿真💘結果進(jin)行對比，最大(dà)誤差爲2.9%，最小(xiǎo)誤差0.2%，平均誤(wù)差👅1.38%，仿真數據(ju)和實測數據(ju)較爲接近，認(ren)爲所建立🛀🏻的(de)仿真模型具(jù)有精度。
5結論(lùn)
　　針對固井工(gōng)程所用的切(qiē)向式渦輪流(liu)量計建立了(le)👉驅動力矩、阻(zu)力矩的數學(xue)模型，并在此(cǐ)基礎推導出(chū)儀表🏃‍♂️系數K的(de)數學模📧型，發(fa)現粘度變化(huà)會對流量計(jì)儀表系數造(zao)成影響，使固(gu)井工🎯程流量(liàng)計量作業有(you)👉了理論依據(jù)。
　　建立6DOF流體仿(páng)真模型，對流(liu)量計體積流(liu)量0.21-4m³/min量程範圍(wei)内，流體粘度(dù)35、45、55、65、75mPa·s的流體條件(jian)分别進行仿(páng)真分析。發現(xian)随着粘度減(jiǎn)小，儀表系數(shu)曲線呈現整(zhěng)體右移增大(da)的趨勢，原因(yīn)主要是粘度(du)減小導緻流(liu)🌐體阻力減小(xiao)，從而整體葉(yè)輪轉速和儀(yí)表系數随之(zhī)增📞大。且随着(zhe)💋粘度增大，儀(yí)表系數曲線(xian)線性度減小(xiǎo)。
　　通過實際固(gu)井工程作業(yè)采集的流量(liàng)數據和仿真(zhēn)數據進行⛹🏻‍♀️對(duì)比分析，最大(da)誤差爲2.9%，最小(xiǎo)誤差0.2%，平均誤(wù)差1.38%，驗證了仿(pang)真模型🈲的正(zhèng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻确性，爲固井(jing)泥漿流量計(ji)的研究提供(gòng)了依據。

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