摘要：搭建了一套用于低流量渦輪響應(yīng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用高速攝影對(duì)透明高溫液體渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行拍攝記錄，可以對(duì)渦輪流量計(jì)在接近啟動(dòng)排量時(shí)的低轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性進(jìn)行有效測(cè)量。在此平臺(tái)上對(duì)渦輪流量計(jì)在低流量條件下對(duì)不同黏度的流體響應(yīng)情況進(jìn)行研究，并結(jié)合傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)理論模型進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。在未達(dá)到線性響應(yīng)段時(shí)，渦輪流量計(jì)K值與管道中流動(dòng)的雷諾數(shù)近似呈指數(shù)關(guān)系。隨著黏度的提高，渦輪流量計(jì)的啟動(dòng)排量呈下降趨勢(shì)，且由加工偏心等因素造成的轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定性亦隨之下降。對(duì)于渦輪流量計(jì)而言，僅用一次高黏度條件下不同雷諾數(shù)的標(biāo)定，即可近似得到其在不同黏度流動(dòng)條件下的響應(yīng)關(guān)系。

0、引言

油田進(jìn)入三次開(kāi)采階段，儲(chǔ)油層中被注入了大量的聚合物。此時(shí)油井產(chǎn)出液黏度變化范圍很大，黏度與水相相近至水的幾十倍均會(huì)出現(xiàn)。同時(shí)，地質(zhì)環(huán)境以及采油后期導(dǎo)致大量低產(chǎn)井出現(xiàn)，部分低產(chǎn)井日產(chǎn)量會(huì)低于5m³。因此，研究渦輪流量計(jì)在低流量不同黏度條件下的響應(yīng)情況具有重要的意義。

流體黏度是影響渦輪流量傳感器的重要參數(shù)，通常的渦輪流量計(jì)對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度在15cst以上流體的響應(yīng)失去線性。Ball、Withers等都曾對(duì)不同黏度條件下渦輪流量計(jì)的響應(yīng)情況進(jìn)行了重點(diǎn)研究，Hochreiter和Ball分別提出了黏度對(duì)渦輪流量計(jì)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5000（即流動(dòng)進(jìn)入湍流之后）的情況。Furness在其關(guān)于渦輪流量計(jì)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(guó)內(nèi)也有大量關(guān)于渦輪流量計(jì)對(duì)于不同黏度響應(yīng)的研究。翁燕等采用傳統(tǒng)的渦輪理論模型對(duì)不同黏度的影響進(jìn)行了研究，曹廣軍等采用實(shí)驗(yàn)手段研究了渦輪流量計(jì)對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度在1～200cst范圍內(nèi)的流體響應(yīng)情況。孫立軍則系統(tǒng)地研究了改善渦輪流量計(jì)對(duì)黏度敏感度的方法。綜合上述已有文獻(xiàn)，對(duì)渦輪流量計(jì)對(duì)不同黏性流體的響應(yīng)情況研究較多，但涉及到較低流量和低雷諾數(shù)的來(lái)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用透明外殼渦輪流量計(jì)，同時(shí)輔以帶有高速攝影功能的相機(jī)對(duì)低流量條件下渦輪響應(yīng)的情況進(jìn)行觀察。得到了在不同黏度條件下的渦輪流量計(jì)的響應(yīng)情況，并對(duì)其進(jìn)行分析和研究。

1、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括管路系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)渦輪流量計(jì)和高速攝像觀測(cè)裝置，該平臺(tái)可簡(jiǎn)單模擬井下儀器流道內(nèi)的流動(dòng)情況。管路采用直徑20mm的有機(jī)玻璃管組成。在3m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(shí)流速保持穩(wěn)定，管路經(jīng)過(guò)彎曲后自下而上流過(guò)約0.5m的穩(wěn)定段通過(guò)待測(cè)渦輪流量計(jì)。在管路的末端采用節(jié)流閥控制流速。實(shí)驗(yàn)渦輪流量計(jì)采用大慶油田普遍使用的直徑19mm的鋁制渦輪和直徑20mm的有機(jī)玻璃管制成。在實(shí)際測(cè)井中，該渦輪通常的測(cè)量范圍是1～80m³/d。

采用量筒和秒表測(cè)量管道內(nèi)的流速，該方法在低流量條件下測(cè)量精確相對(duì)誤差小于1.5%。同時(shí)，使用Casio公司生產(chǎn)的EX－F1型高速相機(jī)對(duì)渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況進(jìn)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渦輪流量計(jì)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)量渦輪轉(zhuǎn)速，其測(cè)量精度隨轉(zhuǎn)速的降低而升高，在1r/s時(shí)，誤差為0.3%，10r/s時(shí)誤差不大于2%。實(shí)驗(yàn)用水為自來(lái)水，采用聚丙烯酰胺（PAM）溶于水配制不同黏度的溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，聚丙烯酰胺是三次開(kāi)采中使用*廣泛的聚合物。PAM溶液密度測(cè)量采用體積質(zhì)量法，測(cè)量誤差為±1%。

測(cè)量不同配比的PAM溶液，與水密度差別在2%以內(nèi)?？梢酝ㄟ^(guò)控制其配比改變?nèi)芤吼ざ?，黏度測(cè)量采用NDJ－1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，其表觀黏度測(cè)量誤差為±5%。通過(guò)在上述低流量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中使用PAM溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)實(shí)際測(cè)井中遇到的低流量不同黏度的情況進(jìn)行模擬和觀測(cè)。

2、多黏度響應(yīng)結(jié)果

采用水和PAM溶液，在上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)渦輪流量計(jì)在0～10m³/d的范圍內(nèi)的響應(yīng)情況進(jìn)行觀察。通過(guò)調(diào)整配比，得到了純水、8.2、14、20.5、57.5cst和87cst等6種不同表觀黏度的流體并觀察了直徑19mm的渦輪流量計(jì)對(duì)其響應(yīng)的情況。圖1反映了渦輪流量計(jì)在低流量條件下對(duì)不同黏度的流體的響應(yīng)情況。從圖1可見(jiàn)，隨著黏度的增加，渦輪流 量計(jì)的K值下降，且線性度也變差。對(duì)圖1中各黏度條件下的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到的啟動(dòng)排量進(jìn)行比較得到表1所示數(shù)據(jù).。

圖1渦輪流量計(jì)對(duì)不同黏度條件的響應(yīng)轉(zhuǎn)速圖和K值

表1不同黏度響應(yīng)情況表

隨著黏度升高，渦輪流量計(jì)響應(yīng)曲線斜率逐步下降，渦輪流量計(jì)啟動(dòng)排量也隨之下降。在流體為單相純水時(shí)，渦輪流量計(jì)可以觀察到的*慢轉(zhuǎn)速為0.6r/s，而在黏度為57.5cst和87cst時(shí)，通過(guò)拍攝可以測(cè)量到到渦輪流量計(jì)低于0.01r/s的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。特別是在黏度為87cst條件時(shí)，難以觀察到渦輪流量計(jì)無(wú)響應(yīng)的情況，只要管路內(nèi)有流動(dòng)，就伴隨有渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。在測(cè)井中使用的渦輪流量計(jì)所能采集到的轉(zhuǎn)速一般不低于0.5r/s，過(guò)低的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致磁感應(yīng)信號(hào)難以超過(guò)閾值而不會(huì)被采集到或者脈沖長(zhǎng)度較長(zhǎng)無(wú)法被識(shí)別。

由于渦輪偏心和機(jī)械摩擦阻力矩微小變化的影響，渦輪流量計(jì)在同一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)會(huì)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?yàn)榇藭r(shí)*易受擾動(dòng)而停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因而實(shí)際使用中，當(dāng)黏度較小時(shí)，渦輪流量計(jì)啟動(dòng)后*低轉(zhuǎn)速一般在0.5r/s以上。但當(dāng)流體黏度提高之后，渦輪流量計(jì)在*低轉(zhuǎn)速時(shí)黏性阻力矩就會(huì)超過(guò)機(jī)械摩擦阻力矩，成為主要的阻礙力矩，而黏性阻力矩的大小是與渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)速成正比的，此時(shí)就會(huì)形成一種負(fù)反饋機(jī)制。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速降低時(shí)，黏性阻力矩就會(huì)下降，驅(qū)動(dòng)力矩上升，使渦輪轉(zhuǎn)速升高，反之依然。因而渦輪流量計(jì)的響應(yīng)會(huì)變得較為穩(wěn)定，啟動(dòng)排量會(huì)降低，可以觀察到*低的轉(zhuǎn)速。同時(shí)，同一周期內(nèi)渦輪流量計(jì)的不穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)情況也會(huì)減弱。

作為一種速度式流量計(jì)，渦輪流量計(jì)受入口速度分布影響較大，而入口速度分布情況是受雷諾數(shù)影響決定的。實(shí)驗(yàn)中得到的渦輪流量計(jì)K值與雷諾數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2表明，在雷諾數(shù)低于2000（即層流）的條件下，渦輪流量計(jì)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(gè)階段：當(dāng)雷諾數(shù)*低（小于20）時(shí)，渦輪流量計(jì)近似保持一個(gè)固定的K值；隨著雷諾數(shù)的增加（雷諾數(shù)在20～1000），渦輪流量計(jì)的K值與雷諾數(shù)近似呈指數(shù)關(guān)系；當(dāng)雷諾數(shù)較高時(shí)（大于1000），渦輪流量計(jì)進(jìn)入線性響應(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(shí)驗(yàn)結(jié)果與指數(shù)關(guān)系（圖2中粗實(shí)線）有一定的偏差。本文實(shí)驗(yàn)采用的聚合物溶液不同于Funress實(shí)驗(yàn)采用的油，聚合物溶液是非牛頓流體，在不同剪切率條件下，其表觀黏度不同。隨著剪切率（在本文實(shí)驗(yàn)中流速是剪切率的主要影響因素）的上升，其表觀黏性系數(shù)會(huì)下降。對(duì)比圖2曲線，以聚合物黏度為8.2cst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，其表觀黏度較大，實(shí)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(diǎn)K值高于指數(shù)關(guān)系直線則是由于剪切率較高時(shí)，表觀黏度減小，實(shí)際雷諾數(shù)更大，需將響應(yīng)點(diǎn)向右平移。因而實(shí)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黏度變化情況進(jìn)行修正。

圖2K值與雷諾數(shù)關(guān)系

3、與理論模型的對(duì)比與討論

采用Thompson等提出的理論模型，入口速度設(shè)置為層流，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的工況進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果在前文所述的K值指數(shù)增長(zhǎng)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(guò)傳統(tǒng)的理論方法進(jìn)行模擬。理論方法可以作為低流量條件下渦輪流量計(jì)在黏度不超過(guò)50cst的黏性流體中響應(yīng)情況的快速計(jì)算分析手段。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)表明，在渦輪流量計(jì)進(jìn)入線性段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(guò)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，渦輪流量計(jì)在啟動(dòng)時(shí)葉片相對(duì)于來(lái)流攻角較大，會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)分離的現(xiàn)象，此時(shí)會(huì)使得渦輪流量計(jì)的響應(yīng)有一定的波動(dòng)和偏差。因而，采用黏度較高的黏性流體，在不同雷諾數(shù)條件下進(jìn)行標(biāo)定之后，就可以對(duì)該渦輪對(duì)于不同黏性流體的響應(yīng)情況進(jìn)行分析和計(jì)算。

4、結(jié)論與建議

（1）隨著黏度的增大，渦輪流量計(jì)的啟動(dòng)排量會(huì)降低，同時(shí)響應(yīng)的*低轉(zhuǎn)速也會(huì)下降。

（2）隨著黏度的提升，渦輪流量計(jì)的K值會(huì)下降，同時(shí)線性度也會(huì)變差。

（3）在進(jìn)入渦輪響應(yīng)的線性段前，K值持續(xù)升高，且隨流量計(jì)入口雷諾數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。

（4）對(duì)于產(chǎn)出液黏度較高的低產(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0.01r/s）的信號(hào)。

（5）用于測(cè)量不同黏性流體的渦輪流量計(jì)，只進(jìn)行一次在高黏度條件下來(lái)流雷諾數(shù)不同的標(biāo)定，即可近似得到該渦輪流量計(jì)K值與雷諾數(shù)的關(guān)系，并反推出該渦輪對(duì)不同黏性流體的響應(yīng)曲線。