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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(yīng)特性
點擊次數(shù)：2078 發(fā)布時間：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(shù)，通常的甲醇介質(zhì)流量計對運動粘度在15 cSt“以上流體的響應(yīng)失去線性仁，曾對不同粘度條件下甲醇介質(zhì)流量計的響應(yīng)情況進行了重點研究，分別提出了粘度對甲醇介質(zhì)流量計儀表系數(shù)(K值)的影響公式，但他們的模型只適用于雷諾數(shù)大于5 000(即流動進人湍流之后)的情況。Fumes少〕在其關(guān)于甲醇介質(zhì)流量計的總結(jié)中指出，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，渦輪K值僅與雷諾數(shù)相關(guān)。國內(nèi)也有大量關(guān)于甲醇介質(zhì)流量計對于不同粘度響應(yīng)的研究。采用傳統(tǒng)的渦輪理論模型對不同粘度的影響進行了研究，曹廣軍等川采用實驗手段研究了甲醇介質(zhì)流量計對運動粘度在1^-200 cSt范圍內(nèi)的流體響應(yīng)情況。孫立軍，項U系統(tǒng)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(yīng)情況研究較多，但涉及到較低流量和低雷諾數(shù)的來流條件的研究較少。
本文自行搭建了一套專用于低流量研究的實驗平臺，采用透明外殼甲醇介質(zhì)流量計，同時輔以帶有高速攝影功能的相機對低流量條件下渦輪響應(yīng)的情況進行觀察。得到了在不同粘度條件下的甲醇介質(zhì)流量計的響應(yīng)情況，并對其進行分析和研究。
1、實驗平臺
實驗平臺包括管路系統(tǒng)、實驗甲醇介質(zhì)流量計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(wěn)壓水箱，可以提供穩(wěn)定的壓力源，使低流量時流速保持穩(wěn)定，管路經(jīng)過彎曲后自下而上流過約0. 5 m的穩(wěn)定段通過待測甲醇介質(zhì)流量計。在管路的末端采用節(jié)流閥控制流速。
實驗甲醇介質(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精確相對誤差小于1.5%。同時，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(zhuǎn)動情況進行直接拍攝。與通常的磁感應(yīng)采集方式不同，高速攝影記錄方式可以精確得到甲醇介質(zhì)流量計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)速和單個轉(zhuǎn)動周期內(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，誤差為0. 300，10 r/s時誤差不大于2000
實驗用水為自來水，采用聚丙烯酞胺(PAM)溶于水配制不同粘度的溶液進行實驗，聚丙烯酞胺是三次開采中使用*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)芤赫扯龋扯葴y量采用NDf-1型旋轉(zhuǎn)粘度計，其表觀粘度測量誤差為士5%。
通過在上述低流量實驗平臺中使用PAM溶液進行實驗，可以對實際測井中遇到的低流量不同粘度的情況進行模擬和觀測。
2、多粘度響應(yīng)結(jié)果
采用水和PAM溶液，在上述實驗平臺上對甲醇介質(zhì)流量計在。-10 mj /d的范圍內(nèi)的響應(yīng)情況進行觀察。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的甲醇介質(zhì)流量計對其響應(yīng)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(yīng)情況。從圖1可見，隨著粘度的增加，甲醇介質(zhì)流量計的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)果進行線性擬合，并結(jié)合實驗中測量到的啟動排量進行比較得到表1所示數(shù)據(jù)。
圖1甲醇介質(zhì)流量計對不同茹度條件的響應(yīng)轉(zhuǎn)速圖和K值
隨著粘度升高，甲醇介質(zhì)流量計響應(yīng)曲線斜率逐步下降，甲醇介質(zhì)流量計啟動排量也隨之下降。在流體為單相純水時，甲醇介質(zhì)流量計可以觀察到的*慢轉(zhuǎn)速為0. 6 r/s，而在粘度為57. 5 cSt和87 cSt時，通過拍攝可以測量到到甲醇介質(zhì)流量計低于0. O1 r/s的轉(zhuǎn)動情況。特別是在粘度為87 cSt條件時，難以觀察到甲醇介質(zhì)流量計無響應(yīng)的情況，只要管路內(nèi)有流動，就伴隨有渦輪的轉(zhuǎn)動。在測井中使用的甲醇介質(zhì)流量計所能采集到的轉(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)流量計在同一個轉(zhuǎn)動周期內(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)*低的轉(zhuǎn)速，因為此時*易受擾動而停止轉(zhuǎn)動。因而實際使用中，當粘度較小時，甲醇介質(zhì)流量計啟動后*低轉(zhuǎn)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*低轉(zhuǎn)速時鉆性阻力矩就會超過機械摩擦阻力矩，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(zhuǎn)速成正比的，此時就會形成一種負反饋機制。當渦輪轉(zhuǎn)速降低時，鉆性阻力矩就會下降，驅(qū)動力矩上升，使渦輪轉(zhuǎn)速升高，反之依然。因而甲醇介質(zhì)流量計的響應(yīng)會變得較為穩(wěn)定，啟動排量會降低，可以觀察到*低的轉(zhuǎn)速。同時，同一周期內(nèi)甲醇介質(zhì)流量計的不穩(wěn)定轉(zhuǎn)動情況也會減弱。
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(shù)影響決定的。實驗中得到的甲醇介質(zhì)流量計K值與雷諾數(shù)的關(guān)系見圖2。
圖2表明，在雷諾數(shù)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(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個階段:當雷諾數(shù)*低(小于20)時，甲醇介質(zhì)流量計近似保持一個固定的K值;隨著雷諾數(shù)的增加(雷諾數(shù)在20 ^-1 000) ,甲醇介質(zhì)流量計的K值與雷諾數(shù)近似呈指數(shù)關(guān)系;當雷諾數(shù)較高時(大于1 000),甲醇介質(zhì)流量計進人線性響應(yīng)，K值穩(wěn)定不變。同F(xiàn)unress}'}的結(jié)果相比，在K值與雷諾數(shù)的指數(shù)關(guān)系段，本文實驗結(jié)果與指數(shù)關(guān)系(圖2中粗實線)有一定的偏差。本文實驗采用的聚合物溶液不同于Funress實驗采用的油，聚合物溶液是非牛頓流體，在不同剪切率條件下，其表觀粘度不同[1a7。隨著剪切率(在本文實驗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K值高于指數(shù)關(guān)系直線則是由于剪切率較高時，表觀粘度減小，實際雷諾數(shù)更大，需將響應(yīng)點向右平移。因而實際的雷諾數(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(shè)置為層流，對實驗中的工況進行模擬。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，理論模擬與實驗結(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，*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50 cSt的鉆性流體中響應(yīng)情況的快速計算分析手段。通過理論和實驗表明，在甲醇介質(zhì)流量計進人線性段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，甲醇介質(zhì)流量計在啟動時葉片相對于來流攻角較大，會產(chǎn)生流動分離的現(xiàn)象，此時會使得甲醇介質(zhì)流量計的響應(yīng)有一定的波動和偏差。因而，采用粘度較高的鉆性流體，在不同雷諾數(shù)條件下進行標定之后，就可以對該渦輪對于不同鉆性流體的響應(yīng)情況進行分析和計算。
4、結(jié)論與建議
(1)隨著粘度的增大，甲醇介質(zhì)流量計的啟動排量會降低，同時響應(yīng)的*低轉(zhuǎn)速也會下降。
(2)隨著粘度的提升，甲醇介質(zhì)流量計的K值會下降，同時線性度也會變差。
(3)在進人渦輪響應(yīng)的線性段前，K值持續(xù)升高，且隨流量計人日雷諾數(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精確地采集低轉(zhuǎn)速(小于0. O1 r/s)的信號。
(5)用于測量不同鉆性流體的甲醇介質(zhì)流量計，只進行一次在高粘度條件下來流雷諾數(shù)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(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。
本文自行搭建了一套專用于低流量研究的實驗平臺，采用透明外殼甲醇介質(zhì)流量計，同時輔以帶有高速攝影功能的相機對低流量條件下渦輪響應(yīng)的情況進行觀察。得到了在不同粘度條件下的甲醇介質(zhì)流量計的響應(yīng)情況，并對其進行分析和研究。
1、實驗平臺
實驗平臺包括管路系統(tǒng)、實驗甲醇介質(zhì)流量計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(wěn)壓水箱，可以提供穩(wěn)定的壓力源，使低流量時流速保持穩(wěn)定，管路經(jīng)過彎曲后自下而上流過約0. 5 m的穩(wěn)定段通過待測甲醇介質(zhì)流量計。在管路的末端采用節(jié)流閥控制流速。
實驗甲醇介質(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精確相對誤差小于1.5%。同時，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(zhuǎn)動情況進行直接拍攝。與通常的磁感應(yīng)采集方式不同，高速攝影記錄方式可以精確得到甲醇介質(zhì)流量計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)速和單個轉(zhuǎn)動周期內(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，誤差為0. 300，10 r/s時誤差不大于2000
實驗用水為自來水，采用聚丙烯酞胺(PAM)溶于水配制不同粘度的溶液進行實驗，聚丙烯酞胺是三次開采中使用*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)芤赫扯龋扯葴y量采用NDf-1型旋轉(zhuǎn)粘度計，其表觀粘度測量誤差為士5%。
通過在上述低流量實驗平臺中使用PAM溶液進行實驗，可以對實際測井中遇到的低流量不同粘度的情況進行模擬和觀測。
2、多粘度響應(yīng)結(jié)果
采用水和PAM溶液，在上述實驗平臺上對甲醇介質(zhì)流量計在。-10 mj /d的范圍內(nèi)的響應(yīng)情況進行觀察。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的甲醇介質(zhì)流量計對其響應(yīng)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(yīng)情況。從圖1可見，隨著粘度的增加，甲醇介質(zhì)流量計的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)果進行線性擬合，并結(jié)合實驗中測量到的啟動排量進行比較得到表1所示數(shù)據(jù)。
圖1甲醇介質(zhì)流量計對不同茹度條件的響應(yīng)轉(zhuǎn)速圖和K值
隨著粘度升高，甲醇介質(zhì)流量計響應(yīng)曲線斜率逐步下降，甲醇介質(zhì)流量計啟動排量也隨之下降。在流體為單相純水時，甲醇介質(zhì)流量計可以觀察到的*慢轉(zhuǎn)速為0. 6 r/s，而在粘度為57. 5 cSt和87 cSt時，通過拍攝可以測量到到甲醇介質(zhì)流量計低于0. O1 r/s的轉(zhuǎn)動情況。特別是在粘度為87 cSt條件時，難以觀察到甲醇介質(zhì)流量計無響應(yīng)的情況，只要管路內(nèi)有流動，就伴隨有渦輪的轉(zhuǎn)動。在測井中使用的甲醇介質(zhì)流量計所能采集到的轉(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)流量計在同一個轉(zhuǎn)動周期內(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)*低的轉(zhuǎn)速，因為此時*易受擾動而停止轉(zhuǎn)動。因而實際使用中，當粘度較小時，甲醇介質(zhì)流量計啟動后*低轉(zhuǎn)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*低轉(zhuǎn)速時鉆性阻力矩就會超過機械摩擦阻力矩，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(zhuǎn)速成正比的，此時就會形成一種負反饋機制。當渦輪轉(zhuǎn)速降低時，鉆性阻力矩就會下降，驅(qū)動力矩上升，使渦輪轉(zhuǎn)速升高，反之依然。因而甲醇介質(zhì)流量計的響應(yīng)會變得較為穩(wěn)定，啟動排量會降低，可以觀察到*低的轉(zhuǎn)速。同時，同一周期內(nèi)甲醇介質(zhì)流量計的不穩(wěn)定轉(zhuǎn)動情況也會減弱。
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(shù)影響決定的。實驗中得到的甲醇介質(zhì)流量計K值與雷諾數(shù)的關(guān)系見圖2。
圖2表明，在雷諾數(shù)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(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個階段:當雷諾數(shù)*低(小于20)時，甲醇介質(zhì)流量計近似保持一個固定的K值;隨著雷諾數(shù)的增加(雷諾數(shù)在20 ^-1 000) ,甲醇介質(zhì)流量計的K值與雷諾數(shù)近似呈指數(shù)關(guān)系;當雷諾數(shù)較高時(大于1 000),甲醇介質(zhì)流量計進人線性響應(yīng)，K值穩(wěn)定不變。同F(xiàn)unress}'}的結(jié)果相比，在K值與雷諾數(shù)的指數(shù)關(guān)系段，本文實驗結(jié)果與指數(shù)關(guān)系(圖2中粗實線)有一定的偏差。本文實驗采用的聚合物溶液不同于Funress實驗采用的油，聚合物溶液是非牛頓流體，在不同剪切率條件下，其表觀粘度不同[1a7。隨著剪切率(在本文實驗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K值高于指數(shù)關(guān)系直線則是由于剪切率較高時，表觀粘度減小，實際雷諾數(shù)更大，需將響應(yīng)點向右平移。因而實際的雷諾數(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(shè)置為層流，對實驗中的工況進行模擬。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，理論模擬與實驗結(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，*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50 cSt的鉆性流體中響應(yīng)情況的快速計算分析手段。通過理論和實驗表明，在甲醇介質(zhì)流量計進人線性段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，甲醇介質(zhì)流量計在啟動時葉片相對于來流攻角較大，會產(chǎn)生流動分離的現(xiàn)象，此時會使得甲醇介質(zhì)流量計的響應(yīng)有一定的波動和偏差。因而，采用粘度較高的鉆性流體，在不同雷諾數(shù)條件下進行標定之后，就可以對該渦輪對于不同鉆性流體的響應(yīng)情況進行分析和計算。
4、結(jié)論與建議
(1)隨著粘度的增大，甲醇介質(zhì)流量計的啟動排量會降低，同時響應(yīng)的*低轉(zhuǎn)速也會下降。
(2)隨著粘度的提升，甲醇介質(zhì)流量計的K值會下降，同時線性度也會變差。
(3)在進人渦輪響應(yīng)的線性段前，K值持續(xù)升高，且隨流量計人日雷諾數(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精確地采集低轉(zhuǎn)速(小于0. O1 r/s)的信號。
(5)用于測量不同鉆性流體的甲醇介質(zhì)流量計，只進行一次在高粘度條件下來流雷諾數(shù)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(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。