淺析甲醇介質流量計在低流量條件下的粘度響應特性

流體粘度（dù）是影響渦輪流（liú）量傳感器（qì）的重要參數，通常的甲醇介質流量計對運（yùn）動粘度在15 cSt“以（yǐ）上流體的（de）響應失去線性仁，曾對不（bú）同粘度條件下甲醇介質（zhì）流量計的響應情況進行了重點研究，分別提出了粘度對甲醇介質流（liú）量計儀表係數（shù）(K值)的影響（xiǎng）公式，但他們的模型隻（zhī）適用於雷諾數大於5 000(即流動（dòng）進人湍流之（zhī）後)的（de）情況。Fumes少〕在其關於甲醇介質（zhì）流量計的總（zǒng）結中（zhōng）指（zhǐ）出，在一定（dìng）的雷諾數範圍內，渦（wō）輪K值僅（jǐn）與雷諾數相關。國內也有大量關於甲醇介質流量計對於不同（tóng）粘度響應的研究（jiū）。采用傳統的渦輪理（lǐ）論模型（xíng）對（duì）不同粘度的影響進行了（le）研究，曹（cáo）廣軍（jun1）等（děng）川采（cǎi）用實（shí）驗手（shǒu）段研究了甲醇介質流量計對運動粘度在1^-200 cSt範圍內的流（liú）體響應情況。孫立軍，項U係統地研究了改善甲醇介質流量計對粘度敏（mǐn）感度的方（fāng）法。綜合上述已有（yǒu）文獻，對甲醇介質流量計對不（bú）同鑽性流（liú）體的響應情況研（yán）究較多（duō），但涉及到較低流量和低雷諾數的來流（liú）條件的研究較少。   
本文自行搭建了一套專用於低流（liú）量研究的實（shí）驗平台，采用透明外殼甲醇介質（zhì）流量計（jì），同（tóng）時輔以帶有（yǒu）高速攝影功能的相（xiàng）機對低流量條（tiáo）件下渦輪響應的（de）情況進行觀察。得到了在不同粘度條件下（xià）的甲醇介質流量計的響應情況，並對其（qí）進行分析（xī）和研究（jiū）。
1、實驗平台
實驗平台（tái）包括管路係統、實驗甲醇介質流量計（jì）和高速攝像觀測裝置（zhì），該平台可簡單模擬井下（xià）儀器流道內（nèi）的流動（dòng）情況。
管路采用直徑20 mm的（de）有機玻（bō）璃管組成。在3 m高處放置帶有溢流堰的（de）穩壓水箱，可以提供穩定的壓力源，使低流（liú）量時流速保持穩定，管路經過彎曲後自下（xià）而上流過約0. 5 m的穩定段通過待（dài）測甲醇介質流量計。在管路的末端采（cǎi）用節（jiē）流閥控製流速。
實驗甲醇介（jiè）質流量計采用大慶油田普（pǔ）遍使用的直徑（jìng）19 mm的鋁製渦輪和直徑20 mm的有機（jī）玻璃（lí）管（guǎn）製成。在實際測井中，該渦輪通常的測量範圍是1 ^-80 mj/d。
采用量筒和秒表測量管道內的（de）流速，該方法在低流量條件下（xià）測（cè）量精確相對誤（wù）差小於1.5%。同時，使（shǐ）用（yòng）Casio公司生（shēng）產的EX-Fl型高速相機對甲醇介質流量計的轉動情況進行直接（jiē）拍攝。與通常的磁感應采集方式不同，高速攝影（yǐng）記錄（lù）方式（shì）可以精確得到甲醇介質流量計在低流量條件下的響應情況，包括（kuò）磁感應難以采集到的低轉速和單個（gè）轉動周期內轉速不穩定的情況（kuàng）。采用分析高速攝影（yǐng）視頻的方法測量渦輪轉速（sù），其測量精度隨轉速的降（jiàng）低而升高，在1  r/ s時，誤差為0. 300，10 r/s時誤差不大於（yú）2000
實驗用水為自來水，采用聚（jù）丙烯酞胺(PAM)溶於水配製不同粘度的溶液進行實驗，聚丙（bǐng）烯酞胺是（shì）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量法，測量誤差為士100。測量不同配比的PAM溶液，與水密（mì）度差別在2%以內。可以（yǐ）通過（guò）控（kòng）製其配比（bǐ）改變溶液粘度，粘度測量采用NDf-1型旋轉粘度計，其表觀粘（zhān）度測量誤差為士5%。
通過在上述低流量實驗（yàn）平台中使用PAM溶（róng）液進（jìn）行（háng）實驗，可以對實際測井中遇到的低流量不同粘度（dù）的情況進行模擬（nǐ）和（hé）觀測。
2、多粘度響應結果
采用水和PAM溶液，在上述實驗平台上對（duì）甲醇介質流（liú）量計在。-10 mj /d的範（fàn）圍內的響應情況進行（háng）觀（guān）察。通（tōng）過調整配比，得（dé）到了純水、8. 2, 14, 20. 5,57. 5 cSt和87 cSt等6種不同表觀粘（zhān）度的流體並觀察了直徑19 mm的甲醇介質流量計（jì）對其響應的（de）情況（kuàng）。

圖1反映了甲醇介質流量計在（zài）低流量條件下對不同粘度的流體的響應情況。從圖1可見，隨著粘度（dù）的（de）增加，甲醇介質流量計的K值下降，且線性度也變差。對圖1中各粘度條件下的響應結果進行線性擬（nǐ）合，並結合實驗（yàn）中測量到的啟動排量進行比較得到表1所示數據。

圖1甲醇介質流量計對（duì）不同茹度條件的（de）響應轉速圖和K值
隨著粘度升（shēng）高，甲醇介質流量計響應曲線斜率逐步下降，甲醇（chún）介質流量（liàng）計啟動（dòng）排量也隨之下降。在流體為單相純水時，甲醇介質流量計可（kě）以觀察到的*慢轉速為0. 6 r/s，而（ér）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流量（liàng）計低於0. O1 r/s的轉動情況。特別是在粘度為87 cSt條件時，難（nán）以觀察到甲醇介質流量計無響應的情況，隻要管路內有流動（dòng），就伴隨有渦輪的（de）轉動。在測井中（zhōng）使用的甲醇介質流量計所能采集到的轉速一般（bān）不低於0. sr/ s，過（guò）低的轉（zhuǎn）速會導致磁感（gǎn）應信號難以超過闌值而不會被采集到或者脈衝長度較長無法被識別。
由於渦輪偏心和機械摩擦阻力矩微小變（biàn）化的影響，甲醇介質流（liú）量計在同一（yī）個轉動（dòng）周期內會發生周期性的轉速變化，這（zhè）也使得渦輪很難出現*低的轉速，因為（wéi）此時*易受擾（rǎo）動而停止（zhǐ）轉動。因（yīn）而實際使（shǐ）用中（zhōng），當（dāng）粘度較小時，甲醇介質流量（liàng）計啟動（dòng）後*低轉速一般在0. sr/s以上。但當流體粘度提高之後，甲醇介（jiè）質流量計在*低轉速時鑽性阻力矩就會超過機械摩擦阻力矩，成為主要（yào）的（de）阻礙力矩，而鑽（zuàn）性阻力矩（jǔ）的大小是與甲醇介質流量計轉速成正比的，此時就會形成一（yī）種負反饋機製。當渦輪轉速降低時，鑽性阻力矩就會（huì）下降，驅動力矩（jǔ）上升，使渦（wō）輪轉速升高，反之依然。因而甲醇介質流量計的響應會變得較（jiào）為穩定，啟動排量會降低，可以觀察到*低的轉速。同時，同一周期內甲醇介質流量計的不（bú）穩定（dìng）轉動情（qíng）況也會減弱。
作為一（yī）種速度式流量計，甲醇介質流量計受人日速度（dù）分布（bù）影響較大，而人日速度分布情況是受雷諾數影響決定的。實驗中得到的（de）甲醇介質流（liú）量計K值與雷諾數的關係（xì）見圖2。

圖2表明，在雷（léi）諾數低於2 000(即層流)的條件下，甲醇介質流量計的K值受雷諾數影（yǐng）響顯著。從圖2中（zhōng）可以看出（chū），K值與（yǔ）雷諾（nuò）數之間有相關（guān）性，隨著（zhe）雷諾數的增加呈現3個階段:當（dāng）雷諾數*低(小（xiǎo）於20)時，甲醇介質流量計近似保持一個固定的K值;隨著雷諾數的增加(雷諾數在20 ^-1 000) ,甲醇介質流量計的K值與雷諾（nuò）數近似呈指數（shù）關係;當雷諾數較高時(大於1 000),甲（jiǎ）醇介質流量計進人線性響應，K值穩定不（bú）變。同Funress}'}的結果相比，在K值與雷諾數的指數關（guān）係段，本（běn）文實驗結果與（yǔ）指數關係(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（bú）同於Funress實驗采用的油，聚合物溶液（yè）是非牛頓流體，在（zài）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（yàn）中流速是剪切率的主要影響因素（sù）)的上升，其表觀鑽性係數會下降。對比圖2曲線，以聚合物粘（zhān）度（dù）為8. 2 cSt的響應曲線為例，曲線（xiàn）的起始段低於指數關係，是由於流速較（jiào）慢剪切率較低，其表（biǎo）觀粘度較大，實際雷諾數應該稍低，圖2中曲線應向（xiàng）左稍稍平移;流速較高（gāo）的響應點K值高於指數（shù）關係直線（xiàn）則是由於剪切率（lǜ）較高時，表觀粘度減小，實際雷諾（nuò）數更大，需將響應點向（xiàng）右平移。因而實際的雷（léi）諾數與K值（zhí）的關係，需結合（hé）聚合物溶液的表（biǎo）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（lùn）模型，人日速度（dù）設（shè）置為層流，對實驗中的工況進行模（mó）擬。將求（qiú）解後得到的K值與雷諾數的關係繪（huì）製在圖3中。
比較圖2與圖3可看出（chū），理論模擬（nǐ）與實驗結（jié）果在前文所述的K值指（zhǐ）數增長階段與穩（wěn）定階段基本相符，*低雷諾數條件下穩定的小K值難以通過傳統（tǒng）的理（lǐ）論方法進行（háng）模擬。理論方法可以作為低流量條（tiáo）件下甲醇介質流量計在粘度（dù）不超過50 cSt的鑽（zuàn）性流體中響應（yīng）情況的快速計算分析（xī）手段。通過理論和實驗表明（míng），在（zài）甲醇介質流（liú）量計進人線（xiàn）性段K值穩定之前，渦輪K值與雷諾數（shù）呈指數關係。不過需要指出的圖3理論模擬K值與雷諾數關係是，在低流量條件下，甲醇介質流量（liàng）計在啟動時葉片相對於來流攻角（jiǎo）較大，會產生流動分離的現象，此時會（huì）使得甲醇介質流量計的響應有一定的波動和偏差（chà）。因（yīn）而，采用（yòng）粘度較高的鑽性流體，在不同雷諾數條件下進行標定之後，就（jiù）可以（yǐ）對該渦輪對於不同鑽性流體的響應情況（kuàng）進行分析和計算。
4、結論與建議
(1)隨著粘度（dù）的增大，甲醇介（jiè）質流量計的啟動排量會降低，同時響應的（de）*低轉（zhuǎn）速（sù）也會下降（jiàng）。
(2)隨著粘度的（de）提升，甲醇介質流量計的K值會下降，同時線性度也會變（biàn）差。
(3)在進人渦輪響應的線性段前，K值持續升高（gāo），且隨流量計人日雷諾數呈（chéng）指（zhǐ）數（shù）增長關係。
(4)對於產出液粘度（dù）較高的低產井，宜采用采集係統更（gèng）敏感的渦輪（lún）使其能精確地采集低轉速(小於0. O1 r/s)的信號（hào）。
(5)用於測量不同鑽性（xìng）流體的甲醇介質流量計（jì），隻進（jìn）行一次在（zài）高粘度條件下來流雷諾（nuò）數不（bú）同的標定，即可近似得到該甲（jiǎ）醇介質流量計（jì）K值與（yǔ）雷諾（nuò）數（shù）的關（guān）係，並反推出（chū）該（gāi）渦輪對（duì）不同鑽性流體的響應曲線。

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