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淺析甲醇介質(zhì)流量計在低流量條件下的粘度響應特性
點(diǎn)擊次數：1750 發(fā)布時(shí)間：2021-01-03 08:40:10
流體粘度是影響渦輪流量傳感器的重要參數，通常的甲醇介質(zhì)流量計對運動(dòng)粘度在15 cSt“以上流體的響應失去線(xiàn)性仁，曾對不同粘度條件下甲醇介質(zhì)流量計的響應情況進(jìn)行了重點(diǎn)研究，分別提出了粘度對甲醇介質(zhì)流量計儀表系數(K值)的影響公式，但他們的模型只適用于雷諾數大于5 000(即流動(dòng)進(jìn)人湍流之后)的情況。Fumes少〕在其關(guān)于甲醇介質(zhì)流量計的總結中指出，在一定的雷諾數范圍內，渦輪K值僅與雷諾數相關(guān)。國內也有大量關(guān)于甲醇介質(zhì)流量計對于不同粘度響應的研究。采用傳統的渦輪理論模型對不同粘度的影響進(jìn)行了研究，曹廣軍等川采用實(shí)驗手段研究了甲醇介質(zhì)流量計對運動(dòng)粘度在1^-200 cSt范圍內的流體響應情況。孫立軍，項U系統地研究了改善甲醇介質(zhì)流量計對粘度敏感度的方法。綜合上述已有文獻，對甲醇介質(zhì)流量計對不同鉆性流體的響應情況研究較多，但涉及到較低流量和低雷諾數的來(lái)流條件的研究較少。
本文自行搭建了一套專(zhuān)用于低流量研究的實(shí)驗平臺，采用透明外殼甲醇介質(zhì)流量計，同時(shí)輔以帶有高速攝影功能的相機對低流量條件下渦輪響應的情況進(jìn)行觀(guān)察。得到了在不同粘度條件下的甲醇介質(zhì)流量計的響應情況，并對其進(jìn)行分析和研究。
1、實(shí)驗平臺
實(shí)驗平臺包括管路系統、實(shí)驗甲醇介質(zhì)流量計和高速攝像觀(guān)測裝置，該平臺可簡(jiǎn)單模擬井下儀器流道內的流動(dòng)情況。
管路采用直徑20 mm的有機玻璃管組成。在3 m高處放置帶有溢流堰的穩壓水箱，可以提供穩定的壓力源，使低流量時(shí)流速保持穩定，管路經(jīng)過(guò)彎曲后自下而上流過(guò)約0. 5 m的穩定段通過(guò)待測甲醇介質(zhì)流量計。在管路的末端采用節流閥控制流速。
實(shí)驗甲醇介質(zhì)流量計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的流速，該方法在低流量條件下測量精確相對誤差小于1.5%。同時(shí)，使用Casio公司生產(chǎn)的EX-Fl型高速相機對甲醇介質(zhì)流量計的轉動(dòng)情況進(jìn)行直接拍攝。與通常的磁感應采集方式不同，高速攝影記錄方式可以精確得到甲醇介質(zhì)流量計在低流量條件下的響應情況，包括磁感應難以采集到的低轉速和單個(gè)轉動(dòng)周期內轉速不穩定的情況。采用分析高速攝影視頻的方法測量渦輪轉速，其測量精度隨轉速的降低而升高，在1 r/ s時(shí)，誤差為0. 300，10 r/s時(shí)誤差不大于2000
實(shí)驗用水為自來(lái)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，聚丙烯酞胺是三次開(kāi)采中使用最廣泛的聚合物。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?xún)??？梢酝ㄟ^(guò)控制其配比改變溶液粘度，粘度測量采用NDf-1型旋轉粘度計，其表觀(guān)粘度測量誤差為士5%。
通過(guò)在上述低流量實(shí)驗平臺中使用PAM溶液進(jìn)行實(shí)驗，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(guān)測。
2、多粘度響應結果
采用水和PAM溶液，在上述實(shí)驗平臺上對甲醇介質(zhì)流量計在。-10 mj /d的范圍內的響應情況進(jìn)行觀(guān)察。通過(guò)調整配比，得到了純水、8. 2, 14, 20. 5,57. 5 cSt和87 cSt等6種不同表觀(guān)粘度的流體并觀(guān)察了直徑19 mm的甲醇介質(zhì)流量計對其響應的情況。
圖1反映了甲醇介質(zhì)流量計在低流量條件下對不同粘度的流體的響應情況。從圖1可見(jiàn)，隨著(zhù)粘度的增加，甲醇介質(zhì)流量計的K值下降，且線(xiàn)性度也變差。對圖1中各粘度條件下的響應結果進(jìn)行線(xiàn)性擬合，并結合實(shí)驗中測量到的啟動(dòng)排量進(jìn)行比較得到表1所示數據。
圖1甲醇介質(zhì)流量計對不同茹度條件的響應轉速圖和K值
隨著(zhù)粘度升高，甲醇介質(zhì)流量計響應曲線(xiàn)斜率逐步下降，甲醇介質(zhì)流量計啟動(dòng)排量也隨之下降。在流體為單相純水時(shí)，甲醇介質(zhì)流量計可以觀(guān)察到的最慢轉速為0. 6 r/s，而在粘度為57. 5 cSt和87 cSt時(shí)，通過(guò)拍攝可以測量到到甲醇介質(zhì)流量計低于0. O1 r/s的轉動(dòng)情況。特別是在粘度為87 cSt條件時(shí)，難以觀(guān)察到甲醇介質(zhì)流量計無(wú)響應的情況，只要管路內有流動(dòng)，就伴隨有渦輪的轉動(dòng)。在測井中使用的甲醇介質(zhì)流量計所能采集到的轉速一般不低于0. sr/ s，過(guò)低的轉速會(huì )導致磁感應信號難以超過(guò)闌值而不會(huì )被采集到或者脈沖長(cháng)度較長(cháng)無(wú)法被識別。
由于渦輪偏心和機械摩擦阻力矩微小變化的影響，甲醇介質(zhì)流量計在同一個(gè)轉動(dòng)周期內會(huì )發(fā)生周期性的轉速變化，這也使得渦輪很難出現極低的轉速，因為此時(shí)極易受擾動(dòng)而停止轉動(dòng)。因而實(shí)際使用中，當粘度較小時(shí)，甲醇介質(zhì)流量計啟動(dòng)后最低轉速一般在0. sr/s以上。但當流體粘度提高之后，甲醇介質(zhì)流量計在極低轉速時(shí)鉆性阻力矩就會(huì )超過(guò)機械摩擦阻力矩，成為主要的阻礙力矩，而鉆性阻力矩的大小是與甲醇介質(zhì)流量計轉速成正比的，此時(shí)就會(huì )形成一種負反饋機制。當渦輪轉速降低時(shí)，鉆性阻力矩就會(huì )下降，驅動(dòng)力矩上升，使渦輪轉速升高，反之依然。因而甲醇介質(zhì)流量計的響應會(huì )變得較為穩定，啟動(dòng)排量會(huì )降低，可以觀(guān)察到極低的轉速。同時(shí)，同一周期內甲醇介質(zhì)流量計的不穩定轉動(dòng)情況也會(huì )減弱。
作為一種速度式流量計，甲醇介質(zhì)流量計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影響決定的。實(shí)驗中得到的甲醇介質(zhì)流量計K值與雷諾數的關(guān)系見(jiàn)圖2。
圖2表明，在雷諾數低于2 000(即層流)的條件下，甲醇介質(zhì)流量計的K值受雷諾數影響顯著(zhù)。從圖2中可以看出，K值與雷諾數之間有相關(guān)性，隨著(zhù)雷諾數的增加呈現3個(gè)階段:當雷諾數極低(小于20)時(shí)，甲醇介質(zhì)流量計近似保持一個(gè)固定的K值;隨著(zhù)雷諾數的增加(雷諾數在20 ^-1 000) ,甲醇介質(zhì)流量計的K值與雷諾數近似呈指數關(guān)系;當雷諾數較高時(shí)(大于1 000),甲醇介質(zhì)流量計進(jìn)人線(xiàn)性響應，K值穩定不變。同Funress}'}的結果相比，在K值與雷諾數的指數關(guān)系段，本文實(shí)驗結果與指數關(guān)系(圖2中粗實(shí)線(xiàn))有一定的偏差。本文實(shí)驗采用的聚合物溶液不同于Funress實(shí)驗采用的油，聚合物溶液是非牛頓流體，在不同剪切率條件下，其表觀(guān)粘度不同[1a7。隨著(zhù)剪切率(在本文實(shí)驗中流速是剪切率的主要影響因素)的上升，其表觀(guān)鉆性系數會(huì )下降。對比圖2曲線(xiàn)，以聚合物粘度為8. 2 cSt的響應曲線(xiàn)為例，曲線(xiàn)的起始段低于指數關(guān)系，是由于流速較慢剪切率較低，其表觀(guān)粘度較大，實(shí)際雷諾數應該稍低，圖2中曲線(xiàn)應向左稍稍平移;流速較高的響應點(diǎn)K值高于指數關(guān)系直線(xiàn)則是由于剪切率較高時(shí)，表觀(guān)粘度減小，實(shí)際雷諾數更大，需將響應點(diǎn)向右平移。因而實(shí)際的雷諾數與K值的關(guān)系，需結合聚合物溶液的表觀(guān)粘度變化情況進(jìn)行修正。
3、與理論模型的對比與討論
采用Thompson等00提出的理論模型，人日速度設置為層流，對實(shí)驗中的工況進(jìn)行模擬。將求解后得到的K值與雷諾數的關(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)驗結果在前文所述的K值指數增長(cháng)階段與穩定階段基本相符，極低雷諾數條件下穩定的小K值難以通過(guò)傳統的理論方法進(jìn)行模擬。理論方法可以作為低流量條件下甲醇介質(zhì)流量計在粘度不超過(guò)50 cSt的鉆性流體中響應情況的快速計算分析手段。通過(guò)理論和實(shí)驗表明，在甲醇介質(zhì)流量計進(jìn)人線(xiàn)性段K值穩定之前，渦輪K值與雷諾數呈指數關(guān)系。不過(guò)需要指出的圖3理論模擬K值與雷諾數關(guān)系是，在低流量條件下，甲醇介質(zhì)流量計在啟動(dòng)時(shí)葉片相對于來(lái)流攻角較大，會(huì )產(chǎn)生流動(dòng)分離的現象，此時(shí)會(huì )使得甲醇介質(zhì)流量計的響應有一定的波動(dòng)和偏差。因而，采用粘度較高的鉆性流體，在不同雷諾數條件下進(jìn)行標定之后，就可以對該渦輪對于不同鉆性流體的響應情況進(jìn)行分析和計算。
4、結論與建議
(1)隨著(zhù)粘度的增大，甲醇介質(zhì)流量計的啟動(dòng)排量會(huì )降低，同時(shí)響應的最低轉速也會(huì )下降。
(2)隨著(zhù)粘度的提升，甲醇介質(zhì)流量計的K值會(huì )下降，同時(shí)線(xiàn)性度也會(huì )變差。
(3)在進(jìn)人渦輪響應的線(xiàn)性段前，K值持續升高，且隨流量計人日雷諾數呈指數增長(cháng)關(guān)系。
(4)對于產(chǎn)出液粘度較高的低產(chǎn)井，宜采用采集系統更敏感的渦輪使其能精確地采集低轉速(小于0. O1 r/s)的信號。
(5)用于測量不同鉆性流體的甲醇介質(zhì)流量計，只進(jìn)行一次在高粘度條件下來(lái)流雷諾數不同的標定，即可近似得到該甲醇介質(zhì)流量計K值與雷諾數的關(guān)系，并反推出該渦輪對不同鉆性流體的響應曲線(xiàn)。
本文自行搭建了一套專(zhuān)用于低流量研究的實(shí)驗平臺，采用透明外殼甲醇介質(zhì)流量計，同時(shí)輔以帶有高速攝影功能的相機對低流量條件下渦輪響應的情況進(jìn)行觀(guān)察。得到了在不同粘度條件下的甲醇介質(zhì)流量計的響應情況，并對其進(jìn)行分析和研究。
1、實(shí)驗平臺
實(shí)驗平臺包括管路系統、實(shí)驗甲醇介質(zhì)流量計和高速攝像觀(guān)測裝置，該平臺可簡(jiǎn)單模擬井下儀器流道內的流動(dòng)情況。
管路采用直徑20 mm的有機玻璃管組成。在3 m高處放置帶有溢流堰的穩壓水箱，可以提供穩定的壓力源，使低流量時(shí)流速保持穩定，管路經(jīng)過(guò)彎曲后自下而上流過(guò)約0. 5 m的穩定段通過(guò)待測甲醇介質(zhì)流量計。在管路的末端采用節流閥控制流速。
實(shí)驗甲醇介質(zhì)流量計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的流速，該方法在低流量條件下測量精確相對誤差小于1.5%。同時(shí)，使用Casio公司生產(chǎn)的EX-Fl型高速相機對甲醇介質(zhì)流量計的轉動(dòng)情況進(jìn)行直接拍攝。與通常的磁感應采集方式不同，高速攝影記錄方式可以精確得到甲醇介質(zhì)流量計在低流量條件下的響應情況，包括磁感應難以采集到的低轉速和單個(gè)轉動(dòng)周期內轉速不穩定的情況。采用分析高速攝影視頻的方法測量渦輪轉速，其測量精度隨轉速的降低而升高，在1 r/ s時(shí)，誤差為0. 300，10 r/s時(shí)誤差不大于2000
實(shí)驗用水為自來(lái)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，聚丙烯酞胺是三次開(kāi)采中使用最廣泛的聚合物。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?xún)??？梢酝ㄟ^(guò)控制其配比改變溶液粘度，粘度測量采用NDf-1型旋轉粘度計，其表觀(guān)粘度測量誤差為士5%。
通過(guò)在上述低流量實(shí)驗平臺中使用PAM溶液進(jìn)行實(shí)驗，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(guān)測。
2、多粘度響應結果
采用水和PAM溶液，在上述實(shí)驗平臺上對甲醇介質(zhì)流量計在。-10 mj /d的范圍內的響應情況進(jìn)行觀(guān)察。通過(guò)調整配比，得到了純水、8. 2, 14, 20. 5,57. 5 cSt和87 cSt等6種不同表觀(guān)粘度的流體并觀(guān)察了直徑19 mm的甲醇介質(zhì)流量計對其響應的情況。
圖1反映了甲醇介質(zhì)流量計在低流量條件下對不同粘度的流體的響應情況。從圖1可見(jiàn)，隨著(zhù)粘度的增加，甲醇介質(zhì)流量計的K值下降，且線(xiàn)性度也變差。對圖1中各粘度條件下的響應結果進(jìn)行線(xiàn)性擬合，并結合實(shí)驗中測量到的啟動(dòng)排量進(jìn)行比較得到表1所示數據。
圖1甲醇介質(zhì)流量計對不同茹度條件的響應轉速圖和K值
隨著(zhù)粘度升高，甲醇介質(zhì)流量計響應曲線(xiàn)斜率逐步下降，甲醇介質(zhì)流量計啟動(dòng)排量也隨之下降。在流體為單相純水時(shí)，甲醇介質(zhì)流量計可以觀(guān)察到的最慢轉速為0. 6 r/s，而在粘度為57. 5 cSt和87 cSt時(shí)，通過(guò)拍攝可以測量到到甲醇介質(zhì)流量計低于0. O1 r/s的轉動(dòng)情況。特別是在粘度為87 cSt條件時(shí)，難以觀(guān)察到甲醇介質(zhì)流量計無(wú)響應的情況，只要管路內有流動(dòng)，就伴隨有渦輪的轉動(dòng)。在測井中使用的甲醇介質(zhì)流量計所能采集到的轉速一般不低于0. sr/ s，過(guò)低的轉速會(huì )導致磁感應信號難以超過(guò)闌值而不會(huì )被采集到或者脈沖長(cháng)度較長(cháng)無(wú)法被識別。
由于渦輪偏心和機械摩擦阻力矩微小變化的影響，甲醇介質(zhì)流量計在同一個(gè)轉動(dòng)周期內會(huì )發(fā)生周期性的轉速變化，這也使得渦輪很難出現極低的轉速，因為此時(shí)極易受擾動(dòng)而停止轉動(dòng)。因而實(shí)際使用中，當粘度較小時(shí)，甲醇介質(zhì)流量計啟動(dòng)后最低轉速一般在0. sr/s以上。但當流體粘度提高之后，甲醇介質(zhì)流量計在極低轉速時(shí)鉆性阻力矩就會(huì )超過(guò)機械摩擦阻力矩，成為主要的阻礙力矩，而鉆性阻力矩的大小是與甲醇介質(zhì)流量計轉速成正比的，此時(shí)就會(huì )形成一種負反饋機制。當渦輪轉速降低時(shí)，鉆性阻力矩就會(huì )下降，驅動(dòng)力矩上升，使渦輪轉速升高，反之依然。因而甲醇介質(zhì)流量計的響應會(huì )變得較為穩定，啟動(dòng)排量會(huì )降低，可以觀(guān)察到極低的轉速。同時(shí)，同一周期內甲醇介質(zhì)流量計的不穩定轉動(dòng)情況也會(huì )減弱。
作為一種速度式流量計，甲醇介質(zhì)流量計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影響決定的。實(shí)驗中得到的甲醇介質(zhì)流量計K值與雷諾數的關(guān)系見(jiàn)圖2。
圖2表明，在雷諾數低于2 000(即層流)的條件下，甲醇介質(zhì)流量計的K值受雷諾數影響顯著(zhù)。從圖2中可以看出，K值與雷諾數之間有相關(guān)性，隨著(zhù)雷諾數的增加呈現3個(gè)階段:當雷諾數極低(小于20)時(shí)，甲醇介質(zhì)流量計近似保持一個(gè)固定的K值;隨著(zhù)雷諾數的增加(雷諾數在20 ^-1 000) ,甲醇介質(zhì)流量計的K值與雷諾數近似呈指數關(guān)系;當雷諾數較高時(shí)(大于1 000),甲醇介質(zhì)流量計進(jìn)人線(xiàn)性響應，K值穩定不變。同Funress}'}的結果相比，在K值與雷諾數的指數關(guān)系段，本文實(shí)驗結果與指數關(guān)系(圖2中粗實(shí)線(xiàn))有一定的偏差。本文實(shí)驗采用的聚合物溶液不同于Funress實(shí)驗采用的油，聚合物溶液是非牛頓流體，在不同剪切率條件下，其表觀(guān)粘度不同[1a7。隨著(zhù)剪切率(在本文實(shí)驗中流速是剪切率的主要影響因素)的上升，其表觀(guān)鉆性系數會(huì )下降。對比圖2曲線(xiàn)，以聚合物粘度為8. 2 cSt的響應曲線(xiàn)為例，曲線(xiàn)的起始段低于指數關(guān)系，是由于流速較慢剪切率較低，其表觀(guān)粘度較大，實(shí)際雷諾數應該稍低，圖2中曲線(xiàn)應向左稍稍平移;流速較高的響應點(diǎn)K值高于指數關(guān)系直線(xiàn)則是由于剪切率較高時(shí)，表觀(guān)粘度減小，實(shí)際雷諾數更大，需將響應點(diǎn)向右平移。因而實(shí)際的雷諾數與K值的關(guān)系，需結合聚合物溶液的表觀(guān)粘度變化情況進(jìn)行修正。
3、與理論模型的對比與討論
采用Thompson等00提出的理論模型，人日速度設置為層流，對實(shí)驗中的工況進(jìn)行模擬。將求解后得到的K值與雷諾數的關(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)驗結果在前文所述的K值指數增長(cháng)階段與穩定階段基本相符，極低雷諾數條件下穩定的小K值難以通過(guò)傳統的理論方法進(jìn)行模擬。理論方法可以作為低流量條件下甲醇介質(zhì)流量計在粘度不超過(guò)50 cSt的鉆性流體中響應情況的快速計算分析手段。通過(guò)理論和實(shí)驗表明，在甲醇介質(zhì)流量計進(jìn)人線(xiàn)性段K值穩定之前，渦輪K值與雷諾數呈指數關(guān)系。不過(guò)需要指出的圖3理論模擬K值與雷諾數關(guān)系是，在低流量條件下，甲醇介質(zhì)流量計在啟動(dòng)時(shí)葉片相對于來(lái)流攻角較大，會(huì )產(chǎn)生流動(dòng)分離的現象，此時(shí)會(huì )使得甲醇介質(zhì)流量計的響應有一定的波動(dòng)和偏差。因而，采用粘度較高的鉆性流體，在不同雷諾數條件下進(jìn)行標定之后，就可以對該渦輪對于不同鉆性流體的響應情況進(jìn)行分析和計算。
4、結論與建議
(1)隨著(zhù)粘度的增大，甲醇介質(zhì)流量計的啟動(dòng)排量會(huì )降低，同時(shí)響應的最低轉速也會(huì )下降。
(2)隨著(zhù)粘度的提升，甲醇介質(zhì)流量計的K值會(huì )下降，同時(shí)線(xiàn)性度也會(huì )變差。
(3)在進(jìn)人渦輪響應的線(xiàn)性段前，K值持續升高，且隨流量計人日雷諾數呈指數增長(cháng)關(guān)系。
(4)對于產(chǎn)出液粘度較高的低產(chǎn)井，宜采用采集系統更敏感的渦輪使其能精確地采集低轉速(小于0. O1 r/s)的信號。
(5)用于測量不同鉆性流體的甲醇介質(zhì)流量計，只進(jìn)行一次在高粘度條件下來(lái)流雷諾數不同的標定，即可近似得到該甲醇介質(zhì)流量計K值與雷諾數的關(guān)系，并反推出該渦輪對不同鉆性流體的響應曲線(xiàn)。