雙曲線(xiàn)無(wú)脊薄壁堰在井口泥漿流量測量的應用

為了制造井口泥漿流量計的一次儀表，首先要解決一次儀表的關(guān)鍵部位-薄壁堰的過(guò)水斷面問(wèn)題。要求過(guò)水斷面的形狀能使流量(Q)與水頭(H)之間的關(guān)系成正比例變化，以便測得穩定的準確的連續流量和簡(jiǎn)化一次儀表上的轉換器制造。為此，筆者設計了過(guò)水斷面形狀，并通過(guò)室內實(shí)驗，得到了較為理想的85-01號薄壁堰。但要應用于流量計的一次儀表還有待進(jìn)一步研究。
1、試驗目的
在鉆進(jìn)過(guò)程中，及時(shí)掌握井口泥漿流量的變化情況，對分析井下地層有無(wú)漏失、井涌以及優(yōu)選有關(guān)參數實(shí)現平衡地層壓力鉆井具有重要意義。目前，在開(kāi)口槽中測量泥漿瞬時(shí)流量的一次儀表上，只有幾種不同形狀的薄壁堰（矩形、直角三角形和梯形等），它們的流量和水頭的變化均為指數變化關(guān)系，即非線(xiàn)性變化，所以滿(mǎn)足不了連續測量的需要。重慶石油儀修廠(chǎng)于1971年在試制全自動(dòng)氣測儀的過(guò)程中，筆者曾提出以雙曲線(xiàn)薄壁堰做井口泥漿流量計的一次儀表的方案。經(jīng)過(guò)室內水力學(xué)實(shí)驗和現場(chǎng)生產(chǎn)試驗，表明這種有脊的雙曲線(xiàn)薄壁堰的流量與作用水頭之間的變化關(guān)系基本上是線(xiàn)性的；流量系數隨作用水頭的升高略有增大，但在泥漿槽中工作時(shí)，堰口下面的脊（堰口底邊離水槽底的高度）阻擋了泥漿，產(chǎn)生了沉沙，需要每隔一定時(shí)間清除一次沉沙（見(jiàn)圖1）。顯然，這樣的一次儀表不受現場(chǎng)工作人員所歡迎。近來(lái)，又設計出下方開(kāi)有補償孔的無(wú)脊雙曲線(xiàn)薄壁堰，進(jìn)行了水力學(xué)實(shí)驗（見(jiàn)圖2）。

2、雙曲線(xiàn)薄壁堰及其補償底孔的工作原理

1.雙曲線(xiàn)薄壁堰的線(xiàn)性流量特征

如圖3所示，當薄壁堰口尺寸的變化關(guān)系為雙曲線(xiàn)時(shí)，由于流速故流量Q

（1）式表明，雙曲線(xiàn)薄壁堰的通過(guò)流量與作用水頭之間，具有線(xiàn)性變化關(guān)系。

2.矩形底孔的補償作用

根據雙曲線(xiàn)薄壁堰口尺寸變化關(guān)系為即縱坐標y值趨近于零時(shí)，橫坐標x值趨近無(wú)窮大。這在堰板的實(shí)際制作上是無(wú)法實(shí)現的。若將堰口曲線(xiàn)的最低縱坐標取為yo，在yo一下至（-yo）增開(kāi)一矩形，即高為2yo，寬為2x。的補償孔，從數學(xué)上可以證明，坐標原點(diǎn)以下所增大的矩形面積（A補）正好等于舍去的曲邊面積（A補）。由圖3可知

（2）與（3）式比較可得

A內=A補=A外

3、試驗方法及結果

為了分別進(jìn)行有補償孔和無(wú)補償孔兩種情況下無(wú)脊雙曲線(xiàn)薄壁堰的流量特性試驗，用尺寸縮小成1/10的模型進(jìn)行室內水力學(xué)實(shí)驗。如圖4所示，將兩種薄壁堰（見(jiàn)圖5和圖6）焊接在水槽出口處。實(shí)驗結果見(jiàn)表1和表2。

4、初步認識

用85-01號和85-02號兩種雙曲線(xiàn)薄壁堰，在試驗水槽端安裝成無(wú)脊有補償孔和無(wú)補償孔兩種情況，進(jìn)行了多次實(shí)驗，所得數據通過(guò)整理，畫(huà)出流量特性曲線(xiàn)，見(jiàn)圖7和圖8。

根據上述實(shí)驗，得到以下認識：

1.具有補償底孔的雙曲線(xiàn)無(wú)脊薄壁堰（見(jiàn)圖7），在作用水頭超過(guò)補償孔以上時(shí)，通過(guò)流量與作用水頭之間具有較好的線(xiàn)性變化關(guān)系，其流量系數K值基本保持在20.5cm³/s·mm左右。

2.無(wú)補償底孔的雙曲線(xiàn)無(wú)脊薄壁堰，見(jiàn)圖8，其流量與作用水頭之間變化關(guān)系基本上是線(xiàn)性的，流量系數K值隨作用水頭升高略有增大。

3.無(wú)脊雙曲線(xiàn)薄壁堰在工作時(shí)對液流中的泥沙無(wú)阻擋作用，可用于開(kāi)口槽中測量含有固體顆粒的液體流量。

4.具有補償孔的雙曲線(xiàn)無(wú)脊薄壁堰，在作用水頭很低的情況下其流量與作用水頭之間的變化關(guān)系是非線(xiàn)性的。但在高作用水頭下其流量系數K卻保持不變，這與鉆井條件下井口流量大，作用水頭高德情況相一致。故此種雙曲線(xiàn)無(wú)脊薄壁堰作為井口泥漿流量連續測量的一次儀表是比較適合的。