摘(zhāi)要:固井(jǐng)泥漿流(liú)量計 是(shi)應用在(zài)油田固(gù)井工程(chéng)中進行(háng)泥漿流(liu)量計量(liàng)的🈲儀🔴器(qì)，屬于切(qie)向式渦(wō)輪流量(liàng)計 。爲探(tàn)究流體(tǐ)條件對(duì)其計量(liang)特性的(de)影響機(ji)理，首先(xian)建立流(liú)量計葉(ye)輪驅動(dòng)力矩和(hé)阻力矩(jǔ)的數學(xué)模型🔱，在(zài)此💋基礎(chǔ)🚶上建立(lì)儀表系(xì)數K的模(mó)型，并發(fa)現流體(ti)粘度是(shi)影響因(yin)素之一(yi)。其次，考(kao)慮到實(shi)際固井(jǐng)作業中(zhōng)⭐，粘度對(dui)儀表計(jì)量特性(xìng)的影響(xiǎng)規律較(jiao)爲複雜(za)，因此使(shi)用有限(xiàn)元分析(xi)軟件，建(jian)立6DOF葉輪(lún)被動旋(xuán)轉流體(ti)仿真計(ji)算模型(xíng)，對多種(zhǒng)流體粘(zhan)度35、45、55、65、75mPas條件(jiàn)下的流(liú)場特性(xing)以及儀(yi)表系數(shu)特性進(jin)行仿真(zhen)分析，總(zǒng)結粘度(dù)變化對(dui)流量計(ji)計量特(te)性的影(ying)響規律(lǜ)。最後通(tong)❄️過實際(ji)采集的(de)固井測(ce)量數據(jù)和仿真(zhēn)數據進(jin)行比較(jiào)，平👅均誤(wù)差爲1.38%，驗(yan)證了建(jian)立的仿(páng)真模型(xíng)的有效(xiao)性☁️。
0引言(yan)
　　随着社(shè)會生産(chǎn)力的發(fā)展，在石(shi)油氣、醫(yi)療衛生(shēng)以及工(gong)業生産(chǎn)👣等衆多(duo)領域，對(duì)于流體(tǐ)介質的(de)計量要(yào)求越來(lai)⛹🏻‍♀️越高。在(zai)油🏃‍♂️田固(gu)井工💛程(cheng)中，固井(jǐng)質量直(zhi)接決定(dìng)油井在(zài)後續作(zuo)中的安(an)🐆全性和(hé)可靠性(xing)，而在固(gù)井作業(yè)中，鑽井(jǐng)液、水泥(ni)漿等流(liú)體注入(ru)的體積(jī)精度會(huì)直接影(ying)響固井(jǐng)作業的(de)質量。
　　渦(wō)輪流量(liàng)計爲固(gu)井工程(chéng)中進行(hang)流量計(jì)量的重(zhong)要裝🥰置(zhi)，渦輪流(liú)量計具(ju)有耐用(yòng)、計量正(zhèng)确、響應(yīng)速度快(kuài)、計量範(fan)圍廣等(děng)特點，分(fen)爲切向(xiang)式渦輪(lún)流量計(ji)和軸向(xiàng)式渦輪(lún)流量計(jì)，軸向🔅式(shi)渦輪流(liú)量較☁️爲(wei)常用，其(qí)内部包(bāo)含前導(dao)流件、旋(xuán)轉葉輪(lún)、後導流(liú)件以📞及(jí)電磁感(gan)應裝置(zhi)，尤其葉(yè)輪部分(fèn)結❌構比(bǐ)較複雜(zá)，這些結(jie)構特性(xing)使軸向(xiang)式渦輪(lún)流量計(jì)隻能㊙️夠(gou)計量純(chun)液體或(huò)氣體。而(ér)切向⁉️式(shi)渦輪🐕流(liú)量計👅葉(ye)輪結構(gou)相對簡(jiǎn)單，能夠(gou)适應雜(zá)質較多(duo)的泥㊙️漿(jiang)等流體(tǐ)的計量(liàng)工作。實(shí)際固井(jǐng)中分爲(wei)多個階(jie)段，需🐆分(fen)别注入(rù)不同組(zu)分構成(chéng)的鑽井(jing)液、替井(jing)液、水泥(ní)漿等流(liú)體介質(zhi)，并且根(gen)據油井(jing)的不同(tong)，注入的(de)流體的(de)密度、粘(zhān)度等參(cān)數都在(zai)一定範(fan)圍内波(bō)動，流體(tǐ)密度大(dà)💋緻在1000-1800kg/m³,粘(zhan)✔️度大緻(zhì)在45-65mPas範圍(wéi)内波動(dòng)，不同的(de)流體條(tiao)件會對(dui)計量🔞結(jie)果産生(sheng)較大影(yǐng)響，并且(qiě)流量計(jì)的結構(gòu)尺寸也(ye)會對結(jie)果産生(sheng)重大影(ying)響。目前(qián)針對渦(wō)輪流量(liang)計的研(yán)究重點(diǎn)主要集(ji)中在通(tong)過優化(hua)儀表系(xi)數K的數(shù)學模型(xing)化葉輪(lun)尺寸、改(gai)🐉進結構(gou)材料等(deng)工作來(lái)提高計(jì)量精度(dù)。
　　針對渦(wo)輪流量(liang)計的理(lǐ)論研究(jiu)方法，國(guó)内外學(xue)者做出(chu)🏃了大量(liang)研究并(bìng)且已經(jing)形成完(wán)整的理(li)論體系(xì)。POPE[81基于Lee建(jian)立的渦(wo)輪💔流量(liàng)計數學(xué)模型進(jin)行擴展(zhan)，以考慮(lǜ)轉子上(shang)的流體(ti)阻力、軸(zhóu)承靜态(tai)阻力和(he)軸承粘(zhan)性阻力(lì)。Ball9研究表(biao)⭕明在層(ceng)流🛀段渦(wō)輪流量(liang)計K值随(sui)雷諾數(shu)增✍️加而(er)增加。
　　但(dan)是大部(bù)分理論(lun)模型都(dou)是針對(dui)傳統軸(zhou)向式渦(wo)輪流量(liang)📱計♍所🤩建(jian)立，對于(yú)在油田(tian)固井工(gong)程中的(de)具有特(te)殊結構(gòu)的切向(xiang)式渦輪(lun)流💯量計(ji)，并沒有(yǒu)針對性(xing)的理論(lùn)模型。本(ben)文采用(yòng)微元法(fǎ)對切向(xiang)式葉輪(lún)進行流(liu)體沖擊(jī)下的♌受(shòu)力分析(xī)，并分析(xi)受到的(de)流體阻(zu)力矩，建(jian)立針對(duì)性的👄切(qiē)向式渦(wō)輪流量(liàng)計儀表(biao)系數模(mó)型。基于(yu)有限元(yuán)流體仿(páng)真軟件(jian)，在不🧑🏽‍🤝‍🧑🏻同(tong)流體粘(zhān)度條件(jiàn)下，進行(háng)流量計(ji)内部流(liú)場分析(xi)，總結不(bú)同流體(ti)條件對(dui)流量計(ji)計量特(tè)性的影(yǐng)響。
1儀表(biǎo)系數數(shu)學模型(xíng)建立
　　圖(tú)1爲切向(xiang)式固井(jing)泥漿流(liú)量計葉(ye)輪在流(liú)體沖擊(jī)狀态下(xia)🍉的力矩(jǔ)分析圖(tú)。葉片上(shang)受到流(liú)體沖擊(ji)産生的(de)驅動力(li)矩T，同時(shí)由于在(zai)流量計(jì)腔體在(zai)工作狀(zhuang)态下充(chong)滿流體(ti)将整個(ge)葉輪包(bāo)圍在其(qí)中，所以(yǐ)葉輪在(zai)轉動的(de)同時會(huì)受到流(liu)體帶來(lái)的流體(ti)阻力矩(ju)Trf。由于研(yán)究所用(yòng)的切向(xiang)式流量(liàng)計🈲葉輪(lun)和軸之(zhī)間采用(yòng)軸承📧支(zhi)撐，軸與(yu)軸承之(zhi)間存在(zài)縫隙，在(zài)工作狀(zhuàng)态下🐅也(yě)會充滿(man)流體産(chan)生縫🍓隙(xi)間的液(ye)體粘性(xìng)🥵阻力矩(jǔ)Tm。而葉輪(lún)頂端在(zài)轉動時(shi)與流🛀量(liang)計内壁(bì)會形成(cheng)環🌐形間(jiān)隙，從🙇🏻而(er)産生葉(ye)片頂端(duan)與殼體(tǐ)内壁間(jiān)的液體(ti)粘性阻(zu)力矩T10]。感(gan)應元件(jiàn)帶來的(de)電磁反(fan)應阻力(lì)矩可忽(hū)略不計(jì)💚。
 
　　根據動(dòng)量矩定(ding)理，可以(yi)寫出葉(ye)輪的運(yun)動方程(chéng)"，如式⁉️(1)
 
式(shì)中:J爲葉(yè)輪轉動(dòng)慣量;o爲(wei)葉輪旋(xuán)轉角速(su)度;
　　當渦(wo)輪流量(liang)計達到(dao)穩定工(gong)況時,渦(wō)輪流量(liàng)計受到(dào)的🔞合力(lì)⁉️矩趨近(jin)于0,葉輪(lún)旋轉的(de)角加速(sù)度也趨(qu)近于0,則(ze)有💞:
 
1.1驅動(dong)力矩
　　由(you)于葉輪(lun)受到的(de)驅動力(li)矩Tg是流(liu)體沖擊(ji)葉輪葉(ye)片産生(shēng)的🏃‍♀️，使用(yong)微元法(fa)對葉輪(lun)上一個(gè)葉片進(jìn)行分析(xī)，在葉片(piàn)上取半(ban)徑爲r處(chù)葉片微(wei)元。半徑(jìng)r處的葉(yè)片微元(yuán)上所受(shou)到的驅(qū)動力☔dF可(ke)表示👈爲(wei):
 
式中:ρ表(biao)示流體(ti)的密度(dù),單位:Kg/m³;Q表(biǎo)示流體(ti)的體積(jī)流量💃🏻，單(dān)位⛹🏻‍♀️:m³/min。
所以(yi)，半徑r處(chu)的葉片(piàn)微元上(shàng)所受到(dao)的驅動(dòng)力矩dTd可(ke)表示爲(wei):
 
根據葉(ye)片結構(gòu)，對葉片(piàn)長度範(fan)圍内進(jìn)行積分(fen)得:
 
　　式中(zhōng):v1爲流量(liang)計進口(kou)流體平(píng)均速度(du);v2爲傳感(gǎn)器出口(kǒu)🏃‍♂️流體平(ping)均速度(du);a1爲v1與半(ban)徑r處的(de)圓周速(sù)度u之間(jiān)的夾💔角(jiao):a2爲以與(yǔ)半徑r處(chu)的🈲圓周(zhou)✂️速度u之(zhī)間的夾(jia)角。
　　流量(liàng)計進口(kǒu)的平均(jun)速度v1表(biao)示爲:
 
　　式(shì)中:A爲流(liú)量計内(nèi)流道橫(héng)截面積(ji)，單位:1m²。
　　根(gēn)據流體(ti)出口速(sù)度三角(jiǎo)形關系(xì)可知:
 
　　式(shì)中:n爲單(dan)位時間(jiān)内渦輪(lún)轉數，單(dan)位:r/s，則有(you):
 
　　代入式(shì)(5)得到驅(qū)動力矩(jǔ)表達式(shi):
 
　　式中:rh爲(wei)葉片頂(ding)端半徑(jìng)，rk爲葉片(piàn)底端半(bàn)徑，rb爲葉(ye)輪伸出(chu)在流♌量(liang)計管道(dào)内部分(fèn)的最小(xiǎo)長度。
1.2流(liú)體阻力(li)矩
　　在葉(yè)片轉動(dòng)時，流體(tǐ)沖擊在(zài)葉輪上(shang)産生相(xiàng)互作用(yong)，産生阻(zu)👄礙👉葉輪(lún)轉動的(de)粘滞力(lì)，根據以(yi)往對于(yu)渦輪㊙️流(liu)量計流(liu)體阻力(li)矩的研(yán)☂️究，實際(ji)流體阻(zu)力矩與(yu)流體體(tǐ)積流量(liàng)呈現指(zhi)數關系(xì)。由王振(zhen)等121關于(yu)切向式(shi)流量計(jì)的研究(jiū)，經過簡(jian)化得流(liú)🌏體流動(dòng)阻力矩(jǔ)Trf:
式中:C爲(wèi)隻與結(jie)構參數(shù)有關的(de)比例系(xì)數。
1.3軸與(yu)軸承的(de)粘性摩(mo)擦阻力(li)距
　　在研(yan)究所用(yòng)切向式(shi)固井泥(ni)漿流量(liàng)計的葉(yè)輪與軸(zhou)之🌈間💋采(cai)用軸🔴承(cheng)鏈接，軸(zhóu)與軸承(chéng)内徑之(zhi)間存在(zài)一定間(jian)隙，在流(liú)量計的(de)工作狀(zhuang)♊态下，流(liú)量計腔(qiang)體内充(chōng)滿流體(tǐ)，從❗而軸(zhóu)與葉輪(lun)内孔的(de)間隙也(yě)會👣充滿(mǎn)流體，所(suǒ)以葉輪(lun)會👅受到(dào)流體與(yu)内孔表(biǎo)面間的(de)粘性阻(zu)力矩Tm。由(yóu)于兩者(zhě)之間的(de)間隙很(hen)小，可以(yi)将縫隙(xi)間的液(ye)體❓流動(dòng)狀态看(kàn)作是層(céng)流狀态(tài)，因此的(de)表達式(shi)如式(12)所(suo)⛹🏻‍♀️示:
 
　　式中(zhōng):L表示軸(zhóu)與葉片(piàn)參與摩(mo)擦部分(fen)的長度(dù)，單位爲(wei)🙇‍♀️m;.
v表示運(yùn)動粘度(du),單位爲(wèi)mm2/s;
ɷ-角速度(dù)，單位:rad/s。
1.4葉(yè)輪頂端(duan)與殼體(ti)内壁間(jian)的流體(ti)粘性阻(zǔ)力矩
　　在(zài)工作狀(zhuàng)态下，葉(ye)輪在流(liú)體沖擊(jī)下産生(shēng)高速旋(xuán)轉，由于(yu)研🎯究所(suǒ)❄️采用的(de)渦輪流(liu)量計特(tè)有的内(nei)部結構(gou)，六片式(shi)的葉輪(lun)的上半(bàn)部分被(bèi)殼體内(nei)壁所包(bao)圍，而葉(yè)輪的下(xià)半部分(fen)暴露在(zài)流量計(ji)腔體🤞的(de)管道部(bu)分内，而(er)被包⛷️裹(guo)的部分(fen)🧡在高速(sù)轉動下(xià)和殼體(ti)内壁形(xíng)🌈成了半(bàn)環形的(de)區域，和(hé)軸🈲與葉(ye)輪間隙(xi)産生的(de)環形☀️區(qu)域類似(sì)，半環形(xíng)區域内(nèi)同樣充(chōng)滿了流(liu)體，對葉(ye)輪産生(sheng)了粘性(xìng)阻力矩(jǔ)7b,但是由(you)于葉輪(lún)🏃‍♂️其中一(yī)半結構(gòu)不與殼(ke)體内壁(bi)産生環(huan)形區域(yù)，故葉輪(lun)❗頂㊙️部與(yu)殼體🔱内(nèi)壁間的(de)流體粘(zhān)性阻力(li)矩本❄️文(wen)隻考慮(lǜ)半環形(xing)區📱域産(chan)生的液(ye)體粘性(xing)阻力矩(jǔ)。給出葉(yè)輪頂部(bu)與殼體(tǐ)🔞内壁間(jiān)的流體(ti)粘性摩(mó)擦阻力(li)距表達(dá)式。如式(shi)(13)所示。
 
1.5儀(yi)表系數(shu)K
　　儀表系(xì)數K是表(biǎo)征渦輪(lun)流量計(ji)測量特(te)性最重(zhòng)要的參(can)數，通常(cháng)将💃傳感(gan)器輸出(chu)顯示的(de)脈沖信(xìn)号率f和(he)單位時(shi)間内的(de)體積流(liu)量Q的🈲比(bi)值定義(yì)爲K。
 
　　通過(guo)式(17)能夠(gòu)看出，切(qiē)向式泥(ni)漿流量(liang)計的儀(yi)表系數(shu)不💋僅🙇‍♀️受(shou)到🔞葉輪(lun)結構尺(chi)寸的影(ying)響，在相(xiàng)同工況(kuang)和流量(liàng)計💚結構(gòu)尺寸🧡下(xià)，也會受(shòu)到流體(ti)運動粘(zhān)度v變化(huà)的🏃‍♂️影響(xiǎng)，而🌈當流(liu)體密度(du)的相同(tóng)時，儀表(biao)系數則(zé)受到動(dòng)力粘度(dù)η的影響(xiang)。
運動粘(zhān)度以及(ji)動力粘(zhan)度的關(guān)系如式(shì)(18)所示:
 
　　式(shì)中:η表示(shì)動力粘(zhān)度，單位(wèi)爲mPa·s;v表示(shì)運動粘(zhan)度,單位(wèi)爲mm2/s;p表示(shi)密㊙️度，單(dān)位爲kg/m3。
　　實(shí)際工況(kuàng)下，粘度(du)對渦輪(lún)流量計(ji)的影響(xiang)情況較(jiào)爲複雜(za)，結合上(shàng)述理論(lun)分析結(jié)果，本文(wén)采用流(liu)體仿真(zhen)的方🌈式(shì)對流體(tǐ)粘度和(he)儀表系(xi)數變化(huà)之間的(de)關系㊙️進(jin)行探讨(tǎo)。
2流量計(jì)流場分(fen)析
2.1内流(liu)道三維(wéi)模型建(jian)立
　　計算(suan)流體力(li)學(computationalfluiddynamics,CFD)是就(jiù)流量計(ji)流場特(te)性最有(yǒu)效的方(fāng)🛀法🐆之。GUO等(děng)1[13-14使用CFD仿(pang)真計算(suàn)方法對(duì)不同流(liú)體粘度(du)、葉片結(jie)構參數(shu)對流量(liang)計計量(liang)影響規(guī)律進行(háng)探究，證(zheng)明了使(shi)用CFD方法(fa)的正确(què)率。
建立(lì)流量計(ji)内流道(dào)和旋轉(zhuǎn)葉輪的(de)三維模(mo)型，并進(jìn)行計算(suan)區域✏️劃(hua)分，如圖(tu)2所示。
 
　　對(duì)于靜止(zhi)區域采(cǎi)用2mm尺寸(cun)的網格(ge),旋轉域(yu)和靜止(zhi)域之間(jiān)采用itereface接(jiē)觸對進(jìn)行連接(jie),靜止域(yù)中近interface面(miàn)處的網(wǎng)格尺寸(cun)設爲1mm。對(duì)于旋轉(zhuan)域的網(wang)格進行(háng)細化，尤(yóu)其是近(jìn)葉輪壁(bì)面的位(wei)置，以保(bǎo)證流體(ti)沖擊在(zài)葉片壁(bì)面上的(de)計算精(jing)度，旋轉(zhuan)域的網(wang)格尺寸(cun)設置爲(wei)1mm,旋轉域(yu)中近葉(ye)輪壁🌐面(miàn)部分的(de)的網格(gé)尺寸設(shè)置爲0.5mm。平(píng)均網格(ge)質量爲(wei)0.83左右，滿(mǎn)足計算(suàn)要求。劃(hua)分後的(de)網格模(mó)型如圖(tu)3所示。
 
2.2計(jì)算條件(jiàn)設置
　　管(guan)道進口(kǒu)處設爲(wèi)速度進(jìn)口(velocty-inlet),管道(dào)出口處(chu)設爲壓(ya)力🚩出口(kǒu)(pressure-outlet)，旋轉域(yù)和靜止(zhi)域連接(jie)的壁面(mian)設置3個(ge)interface接觸對(duì)，來實現(xian)旋轉域(yù)和靜止(zhǐ)域之間(jian)的數據(ju)交互，壁(bi)面附近(jin)采用标(biao)準壁面(mian)函數。選(xuǎn)用RNGk-ε湍流(liu)模型進(jin)行渦輪(lun)流量計(ji)的仿🔱真(zhen)分析。動(dòng)網格更(gèng)新方式(shi)選擇Smoothing(光(guāng)順)和Remeshing(網(wang)格重構(gou))，爲了讓(ràng)葉輪在(zài)流體沖(chong)擊狀态(tài)下能夠(gou)繞着旋(xuan)轉軸旋(xuan)轉，選擇(zé)SixDOF(六自由(yóu)度)來🏃‍♂️定(ding)義旋轉(zhuǎn)部件的(de)運動，使(shi)葉輪在(zai)受到外(wai)力情況(kuang)下可以(yi)發生運(yùn)動。
2.3仿真(zhēn)儀表系(xi)數預測(ce)方法
　　力(li)矩平均(jun)值法通(tōng)過提取(qǔ)若幹周(zhou)期内的(de)力矩系(xi)數，計算(suàn)💘其平均(jun1)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼值，當平(ping)均值的(de)數量級(ji)低于設(shè)定值時(shi)，判定力(li)矩基本(ben)受力平(píng)衡👉。但是(shì)此方法(fǎ)的局限(xian)在于所(suo)監測的(de)力矩🔱系(xì)數沒有(yǒu)達到✨理(lǐ)想範圍(wéi)時，需要(yào)在計算(suan)過程中(zhōng)不斷在(zai)邊界條(tiao)件裏修(xiu)改葉輪(lún)轉速o，這(zhè)📞種方法(fǎ)具有一(yī)定程度(du)的試探(tàn)性，獲取(qǔ)數據過(guo)程繁瑣(suo)，增加了(le)後處理(lǐ)過程的(de)成本。張(zhang)永勝等(deng)17]提出使(shi)用6DOF流體(tǐ)仿真模(mó)型，模拟(nǐ)葉輪在(zai)流體沖(chong)擊狀态(tài)下的真(zhēn)實🈲工況(kuang)。本文采(cai)用的6DOF模(mo)型實現(xiàn)了葉輪(lún)被動旋(xuan)轉，根據(ju)實際工(gong)況直接(jie)對管道(dao)進口速(sù)度v進行(háng)設置🐪，計(ji)算之後(hou)通過觀(guan)察實時(shi)的力🤩矩(ju)系數和(hé)表面阻(zǔ)力變化(huà)曲線，便(bian)可直接(jie)判斷渦(wō)輪流量(liang)計處于(yu)穩定工(gōng)況的時(shí)刻,從而(ér)獲取穩(wěn)定工況(kuang)🍉時的🐪轉(zhuan)速、力矩(jǔ)系數、表(biǎo)面阻力(li)等數據(ju)，.大大減(jian)少了計(jì)算成🔞本(ben)，并能🧑🏾‍🤝‍🧑🏼最(zui)大程度(dù)保證仿(pang)真的真(zhēn)實性與(yǔ)合理性(xìng)。
　　當渦輪(lun)流量計(ji)達到穩(wen)定工況(kuàng)時，流量(liàng)的葉輪(lun)轉速也(yě)應趨于(yu)一👈穩定(dìng)值，進而(ér)儀表系(xì)數K也趨(qu)于一穩(wen)定😍值108]。在(zài)流量計(jì)的仿真(zhēn)過程中(zhōng)，爲了得(de)到穩定(ding)空工況(kuang)下的葉(ye)輪轉速(su)，對葉輪(lún)📐的旋轉(zhuan)軸進行(hang)力矩系(xi)數Cm和葉(yè)片表面(mian)阻力drag的(de)監控。計(ji)算過程(chéng)受到葉(yè)‼️輪本身(shēn)的結構(gòu)特點影(ying)響，力矩(jǔ)系數Cm和(hé)葉片表(biao)面🌈阻力(li)drag的值都(dou)呈現周(zhōu)期性變(biàn)化，因此(cǐ)提取Cm和(he)drag值波動(dòng)趨于平(ping)穩後的(de)6個周期(qi)内的變(biàn)化數據(jù)，計算其(qí)周期算(suan)數平均(jun1)值，當Cm的(de)周期平(píng)均值值(zhí)小于某(mǒu)一-量級(ji)最大限(xian)度趨近(jìn)于0時，則(ze)認爲此(cǐ)時渦輪(lun)流量計(jì)處于穩(wěn)定工況(kuang)。圖4爲♉仿(páng)真達到(dao)穩定狀(zhuàng)态時截(jié)取的力(li)矩系數(shù)變化圖(tú)。
 
3流場特(te)性分析(xi)
　　通過圖(tu)5所示的(de)流量計(ji)三維流(liu)場速度(du)矢量圖(tú)發現，流(liú)量計管(guǎn)道内部(bù)流場變(biàn)化最複(fu)雜的地(dì)方發生(shēng)在葉輪(lún)下半部(bu)分與流(liu)體直接(jiē)沖擊的(de)位置，流(liu)體高速(sù)沖擊至(zhì)葉輪表(biǎo)面，在推(tuī)動葉輪(lun)轉動的(de)同時，流(liu)體向兩(liǎng)側邊緣(yuan)和葉片(pian)頂端流(liu)出，由于(yu)葉片邊(biān)緣呈直(zhí)角過度(du)，在此處(chù)流體速(sù)度發生(sheng)小範圍(wéi)的急升(shēng)，會對葉(ye)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼輪葉片(pian)邊緣造(zao)成更大(dà)沖擊。
 
　　沿(yan)流量計(jì)内道方(fāng)向設定(dìng)截面，以(yi)方便觀(guān)察流量(liàng)計💃管道(dao)内部的(de)流場狀(zhuàng)況。通過(guo)速度場(chǎng)雲圖可(ke)知，流體(tǐ)從圖片(piàn)右側管(guǎn)道入口(kou)流入，由(you)于泥漿(jiāng)爲不可(kě)壓縮流(liu)體，所🧡以(yǐ)在速度(du)入口處(chu)不設💋置(zhi)進口壓(ya)力。在管(guan)道内壁(bi)處，由于(yú)流體本(běn)身存在(zai)粘性，會(huì)産生粘(zhan)性邊界(jie)層，從圖(tu)6可以看(kan)出管道(dào)内流速(sù)由内壁(bì)向管道(dao)中心逐(zhú)漸增大(dà)，而☀️在♻️旋(xuan)轉域部(bu)分，即葉(ye)輪區域(yu)附近出(chu)的邊界(jiè)層要相(xiàng)對厚💰一(yī)些，但是(shi)由于葉(ye)🐆輪本身(shen)的結構(gòu)☂️特點，葉(ye)輪兩側(ce)距離🈲壁(bì)面有較(jiao)大空隙(xi)🈲，邊界層(ceng)不會對(duì)葉輪本(běn)身的轉(zhuan)動産生(shēng)影響。
3.1速(sù)度場分(fen)析
　　在體(tǐ)積流量(liang)1.2m³/min、流體密(mi)度1250kg/m³流體(tǐ)條件下(xia)進行仿(páng)真計算(suàn)。通過圖(tu)6所示的(de)流場速(sù)度雲圖(tú)能夠發(fā)現流場(chǎng)分布比(bǐ)較複雜(za)的部分(fen)主要集(jí)中在葉(ye)輪表面(miàn)附近，尤(you)其是葉(ye)輪結構(gou)直接暴(bao)露在腔(qiang)體管道(dao)中💋的部(bu)分。流體(tǐ)從右側(cè)高速沖(chong)擊在葉(ye)輪葉片(pian)上，對葉(ye)輪🐅葉片(pian)施加❌壓(yā)力，然後(hou)從👅葉片(piàn)兩邊和(he)✌️下方流(liú)出。然而(er)在流體(tǐ)直接沖(chòng)擊到的(de)葉🚶‍♀️片頂(dǐng)部區域(yù)發㊙️生了(le)速度場(chang)的突變(biàn),這是由(you)切向式(shì)葉輪的(de)結構特(tè)性所決(jué)定的。
　　能(néng)夠發現(xiàn)在相同(tong)條件下(xia),粘度65mPa·s下(xià)的葉輪(lun)附近最(zui)大速度(dù)爲27.5m/s,略高(gao)于粘度(dù)45mPas下的26.5m/s,粘(zhan)度的升(shēng)高導緻(zhì)了流場(chǎng)🧡流速的(de)整體升(shēng)高。分析(xī)其🚶‍♀️原因(yīn)爲粘度(du)的升高(gao)使葉輪(lún)頂隙流(liu)體粘性(xìng)阻力增(zeng)大，減✊小(xiǎo)了間隙(xi)中的流(liu)體流量(liàng)，從而使(shǐ)葉片表(biao)面流量(liàng)增加，導(dao)緻葉輪(lún)轉速小(xiǎo)幅上升(sheng)。
 
3.2壓力場(chang)分析
　　通(tong)過圖7所(suo)示的流(liu)量計的(de)截面壓(ya)力雲圖(tu)可知，渦(wō)輪流量(liàng)💚計正常(cháng)🈲作業時(shi)，整個腔(qiang)體内的(de)壓力分(fen)布較爲(wei)💰較爲均(jun)勻🐕,壓力(li)場變化(hua)較大的(de)地方發(fā)生在葉(ye)輪葉片(piàn)與流體(tǐ)發生沖(chòng)擊的--側(cè)，最大壓(yā)力集中(zhong)在葉片(pian)表面附(fù)近，粘度(du)65mPa·s.條件下(xià)，葉輪表(biǎo)面❤️處的(de)最大壓(yā)力達到(dào)❤️0.256MPa，高于粘(zhān)度45mPa·s條件(jian)下的0.195MPa，壓(ya)力從葉(ye)片表面(miàn)向外逐(zhú)漸較小(xiǎo)。流體粘(zhan)度的升(shēng)高使葉(ye)輪附近(jin)流體阻(zu)力矩♍增(zēng)大，導緻(zhì)作用💞在(zài)葉片✌️表(biao)面的推(tuī)動力增(zeng)大，從而(ér)葉片受(shou)到🈚的壓(ya)力增大(da)。
 
3.3葉片表(biǎo)面壓力(lì)分析
　　通(tōng)過圖8所(suo)示的葉(ye)片表面(miàn)的壓力(lì)分布圖(tú)可知，在(zai)葉輪處(chu)于♍穩定(ding)工況力(li)矩平衡(héng)狀态下(xia)時，葉片(piàn)上最大(dà)🈲壓力主(zhǔ)要集中(zhōng)在葉片(piàn)根🐇部和(he)葉片表(biǎo)面中心(xin)位置處(chù)，向着葉(yè)片邊🏒緣(yuan)位置逐(zhú)漸減🔞小(xiao)。這是由(yóu)于葉片(piàn)本☔身的(de)平面結(jié)構所導(dǎo)緻，葉片(piàn)表面壓(yā)力分👅布(bù)不均勻(yún)✉️，無法對(dui)來流的(de)沖擊做(zuò)出很好(hao)的瞬時(shí)響應。
 
3.4仿(páng)真結果(guǒ)分析
　　設(she)定流體(tǐ)密度1440kg/m³,粘(zhān)度55mPa·s,流體(ti)體積流(liú)量範圍(wéi)爲0.21至4m³/min,其(qí)中0.2Im3/min爲該(gāi)📞流☎️體😘條(tiáo)件下，流(liu)量計管(guan)道内層(céng)流與湍(tuān)流的分(fèn)界流量(liang)，4m³/min爲流量(liang)計的量(liang)程🌈範圍(wei)上限。仿(páng)真結果(guo)如表1所(suo)示。
 
　　爲了(le)探究更(gèng)大粘度(dù)範圍内(nèi)的流量(liàng)計計量(liang)特性，在(zai)流體粘(zhān)🌐度35-75mPas範圍(wéi)内選取(qǔ)35、45、55、65、75mPa:s五個粘(zhan)度點進(jin)行仿真(zhēn)計算。圖(tu)9爲流量(liàng)計儀表(biǎo)系數變(biàn)化曲線(xian)圖，能夠(gòu)發現整(zheng)體儀表(biao)系數曲(qǔ)線🥵呈現(xiàn)先減小(xiǎo)後增大(da)的趨勢(shi)，符合渦(wo)輪流量(liang)計儀表(biao)系數曲(qǔ)線的一(yī)般特性(xìng)。觀察小(xiǎo)流量下(xia)的儀表(biao)系數曲(qu)線能夠(gòu)發現，随(suí)着粘度(dù)減小，儀(yi)表✊系數(shù)曲線呈(cheng)現整體(ti)右移增(zēng)大的趨(qu)勢，而在(zai)大流量(liang)下，能夠(gou)明顯看(kan)出在粘(zhān)度35、45mPars下的(de)儀表系(xì)數要高(gāo)于55、65、75mPa·s。原因(yin)主要是(shì)粘度減(jian)小導緻(zhi)流體阻(zǔ)力減小(xiao)，從而整(zhěng)體葉輪(lun)轉速随(sui)之增大(dà)，導緻儀(yi)表系數(shu)随之增(zēng)大。通過(guo)圖9還可(ke)發現在(zai)粘度35、45mPa:s粘(zhan)度相對(dui)較低時(shi)，儀表系(xì)數相較(jiao)于粘度(dù)時的變(biàn)化要更(gèng)爲平緩(huǎn)，線性度(dù)更高:在(zai)粘度55、65、75mPa·s情(qing)況下，儀(yí)表系數(shu)随着流(liú)量增大(da)而增大(da)的趨勢(shì)♉更爲明(ming)顯㊙️，線性(xìng)度降低(di)。
 
　　圖10爲葉(yè)輪轉速(sù)随體積(ji)流量的(de)變化關(guan)系圖，發(fa)現葉輪(lun)轉速和(hé)體積流(liú)量呈正(zheng)比例增(zeng)大關系(xi)，受粘度(du)變化影(yǐng)響較小(xiao)。
　　通過圖(tú)11發現，在(zài)流量計(ji)量程範(fan)圍内，葉(yè)輪受到(dao)的流體(tǐ)✔️阻力随(suí)體積流(liu)量Q的增(zēng)大而增(zēng)大，并呈(cheng)現指數(shu)關系。随(sui)着流體(tǐ)粘度的(de)增大🏃🏻‍♂️，葉(ye)輪受到(dao)的阻力(li)随之增(zeng)🤩大，且在(zài)大流量(liàng)情況下(xia)🔴，這種趨(qu)勢更加(jiā)🏃🏻明顯，而(er)葉輪阻(zǔ)力會降(jiang)低葉輪(lún)轉速以(yi)及儀表(biǎo)系數，同(tóng)之前分(fèn)析🚩結果(guǒ)保持一(yi)❄️緻。
4固井(jing)實驗驗(yàn)證
4.1固井(jing)實測條(tiao)件
　　使用(yong)圖12所示(shì)的切向(xiàng)式固井(jing)泥漿流(liu)量計在(zài)遼甯某(mou)油田油(yóu)井進行(háng)數據采(cai)集。
　　固井(jing)作業現(xiàn)場設備(bèi)有水泥(ní)灰灌、固(gu)井水罐(guan)車、固井(jing)水泥車(chē)以及井(jing)口水泥(ní)泵。泥漿(jiang)流量計(ji)安裝在(zai)固井注(zhu)水泥車(che)🌐和井🛀口(kǒu)水泥泵(bèng)之間的(de)管道之(zhī)間，水泥(ni)車将水(shuǐ)泥灰和(hé)水混合(he)之後成(cheng)爲水泥(ní)漿注入(rù)到井下(xià)🏃‍♀️。當水泥(ní)漿從管(guan)道流過(guo)時，沖擊(ji)流量計(ji)葉輪并(bìng)發生㊙️旋(xuán)轉，并産(chǎn)生脈沖(chong)信号，轉(zhuǎn)化爲葉(yè)輪轉⁉️速(su)、瞬時體(tǐ)積流量(liàng)等數據(ju)傳輸至(zhi)系統箱(xiang)，即采集(jí)得到所(suǒ)需♊數據(jù)，用來與(yǔ)仿真計(jì)算結果(guǒ)對比驗(yan)證。其♉中(zhōng)，泥漿流(liú)量計系(xì)統箱每(mei)12s記錄-次(ci)數據。
　　現(xian)場對泥(ní)漿粘度(dù)的測量(liàng)采用六(liu)速旋轉(zhuan)粘度計(jì)，六速旋(xuan)轉粘度(dù)計主要(yào)用來測(cè)量固井(jǐng)作業中(zhōng)水泥漿(jiāng)等流體(tǐ)流💜變參(can)數，而固(gu)井☔作業(yè)所用水(shuǐ)泥漿粘(zhan)度因油(yóu)井的不(bú)同會有(you)所變化(huà)。
　　所選用(yong)進行實(shi)測的泥(ni)漿流量(liang)計管道(dào)内徑爲(wèi)50.8mm葉輪🧡半(ban)徑18.5mm。油田(tian)🛀進行固(gù)井作業(ye)的兩口(kǒu)油井，實(shi)測注入(ru)的🌐分别(bie)爲粘度(du)54mPars、密度1500kg/m³以(yi)及粘💋度(dù)50mPars、密度1380kg/m³的(de)兩種水(shui)泥泥漿(jiāng)🐉。
4.2仿真數(shu)據驗證(zhèng)
　　由于實(shí)際固井(jing)作業中(zhōng)，穩定工(gong)況下監(jian)測的泥(ni)漿瞬時(shi)流量的(de)變化大(da)緻呈階(jiē)梯式上(shang)升或下(xià)降，記錄(lu)間隔太(tài)短的數(shu)據之間(jian)較爲接(jiē)近，不具(jù)有差異(yi)性和對(duì)比性。
　　根(gēn)據現場(chǎng)作業情(qing)況，一次(cì)注入泥(ni)漿作業(ye)從開始(shǐ)至結束(shu)🚩，流量計(jì)采集到(dào)的大部(bù)分穩定(dìng)工況泥(ni)漿瞬時(shi)流量在(zài)1-2m³/min左右範(fan)圍内📧，爲(wei)了在這(zhè)一流量(liang)範圍内(nèi)最大🙇🏻程(cheng)度選✍️取(qu)具有對(dui)比性的(de)流量點(diǎn)，進行如(ru)下選取(qǔ):
(1)在粘度(dù)54mPas、密度約(yue)爲1500kg/m³條件(jian)下選用(yòng)數據采(cǎi)集過程(cheng)中采❓集(jí)到🐅的瞬(shun)時流量(liàng)1.66m³/min至1.98m³/min範圍(wéi)内變化(huà)最爲明(ming)顯的5個(ge)流量點(diǎn)作爲✉️仿(pang)真計算(suàn)的輸入(rù)條件，計(jì)算結果(guo)如表2所(suǒ)示。
(2)用同(tong)樣方法(fa)選取粘(zhān)度50mPa·s、密度(du)1380kg/m³條件下(xià)采集到(dào)的瞬時(shi)流量1.05-2.15m/min範(fàn)圍内的(de)5個流量(liàng)點，設定(dìng)實際選(xuan)用的流(liú)量計結(jié)構參數(shu)以及流(liu)體參數(shù)，計算結(jié)果如表(biao)3所示。
 
　　将(jiang)實際固(gu)井作業(yè)中采集(jí)到的兩(liang)組葉輪(lun)轉速數(shù)據和仿(páng)真結果(guǒ)進行對(duì)比，最大(dà)誤差爲(wèi)2.9%，最小誤(wu)差0.2%，平均(jun1)誤差🔞1.38%，仿(pang)真數據(ju)和實測(ce)數據較(jiao)爲接近(jìn)，認爲所(suo)建立的(de)仿真模(mo)型具有(you)精度。
5結(jie)論
　　針對(duì)固井工(gong)程所用(yòng)的切向(xiàng)式渦輪(lun)流量計(ji)建立了(le)驅🔞動🚶‍♀️力(lì)矩、阻力(lì)矩的數(shù)學模型(xing)，并在此(cǐ)基礎推(tuī)導出儀(yi)表系數(shu)K的數學(xué)模型，發(fā)現粘度(du)變化會(huì)對流量(liang)計儀表(biao)系數造(zào)成影響(xiang)，使固井(jǐng)工程流(liú)量計量(liang)作業有(yǒu)🐪了理論(lùn)依據。
　　建(jian)立6DOF流體(ti)仿真模(mó)型，對流(liu)量計體(ti)積流量(liàng)0.21-4m³/min量程範(fan)圍内🏃‍♀️，流(liú)☔體粘度(dù)35、45、55、65、75mPa·s的流體(ti)條件分(fèn)别進行(hang)仿真分(fen)析。發現(xian)随着粘(zhan)度減小(xiao)，儀表系(xì)數曲線(xiàn)呈現整(zhěng)體右移(yí)增大🏃的(de)趨勢，原(yuan)因主要(yào)是粘度(du)減小導(dǎo)緻流體(tǐ)阻力減(jiǎn)小，從而(er)整體葉(yè)輪轉速(sù)和儀表(biǎo)系🚩數随(suí)之增大(dà)。且随着(zhe)粘度增(zēng)大，儀表(biǎo)系數曲(qǔ)線線性(xing)度減小(xiao)。
　　通過實(shí)際固井(jing)工程作(zuo)業采集(ji)的流量(liang)數據和(he)仿真數(shu)據進行(háng)對比分(fèn)析，最大(da)誤差爲(wei)2.9%，最小誤(wu)差0.2%，平均(jun1)誤差1.38%，驗(yàn)證了☀️仿(pang)真模型(xing)💋的正🚶确(que)性，爲固(gù)井泥漿(jiang)流量計(ji)的研究(jiū)提供了(le)🏃依據。

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