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    淺析渦輪流量計在低流量條件下的粘度響應特征

    發表時間:2017-08-14   點擊次數:788 技術维持:1560-1403-222
      前言
    油田進人三次開采階段,儲油層中被注人了大批的聚合物。此時油井產出液粘度變化范圍很大,粘度與水相邻近至水的幾十倍會出現。同時,地質環境以及采油后期導致大批低產井出現,部分低產井日產量會低于5 mj。所以,考究渦輪流量計在低流量不同粘度條件下的響應情況具有重要的意義。 為了測量渦輪流量計在低流量條件下的粘度響應特征,搭建了一套用于低流量渦輪響應測量的實驗平臺。选拔攝影對透明渦輪流量計的轉動進行拍攝記錄,能够對渦輪流量計在接近啟動排量時的低轉速響應特性進行有效測量。在此平臺上對渦輪流量計在低流量條件下對差别粘度的流體響應情況進行查究,并結合傳統渦輪流量計理論模子進行簡要剖析。在未達到線性響應段時,渦輪流量計K值與管道中流動的雷諾數近似呈指數關系。隨著粘度的提高,渦輪流量計的啟動排量呈着落趨勢,且由加工偏心等成分形成的轉動不穩定性隨之下落。對于渦輪流量計而言,僅用一次高粘度條件下不同雷諾數的標定,近似得到其在差异粘度流動條件下的響應關系。

    流體粘度是影響渦輪流量傳感器的重要參數,通常的渦輪流量計對運動粘度在15 cSt“以上流體的響應失去線性仁,曾對不同粘度條件下渦輪流量計的響應情況進行了重點研究,分別提出了粘度對渦輪流量計儀表系數(K值)的影響公式,但他們的模型只適用于雷諾數大于5 000(即流動進人湍流之后)的情況。Fumes少〕在其關于渦輪流量計的總結中指出,在一定的雷諾數范圍內,渦輪K值僅與雷諾數相關。國內也有大量關于渦輪流量計對于不同粘度響應的研究。采用傳統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渦輪流量計對運動粘度在1^-200 cSt范圍內的流體響應情況。孫立軍,項U系統地研究了改善渦輪流量計對粘度敏感度的方法。綜合上述已有文獻,對渦輪流量計對不同鉆性流體的響應情況研究較多,但涉及到較低流量和低雷諾數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查究的實驗平臺,拔取透明外殼渦輪流量計,同時輔以帶有高速攝影功能的對低流量條件下渦輪響應的情況進行觀察。得到了在区别粘度條件下的渦輪流量計的響應情況,并對其進行剖析和研究。

    1實驗平臺
    實驗平臺包括管路系統、實驗渦輪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的流動情況。
    管路选取直徑20 mm的有機玻璃管組成。在3 m高處安顿帶有溢流堰的穩壓水箱,可以提供穩定的壓力源,使低流量時流速保持穩定,管路經過彎曲后自下而上流過約0. 5 m的穩定段通過待測渦輪流量計。在管路的末尾采取節流閥控制流速。
    實驗渦輪流量計选择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,該渦輪的測量范圍是1 ^-80 mj/d。
    采用量筒和秒表測量管道內的流速,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公司生產的EX-Fl型高速對渦輪流量計的轉動情況進行直接拍攝。與的磁感應采撷方式分歧,攝影記錄方式可能精確得到渦輪流量計在低流量條件下的響應情況,包含磁感應難以搜聚到的低轉速和單個轉動周期內轉速不穩定的情況。选取分析攝影視頻的方法測量渦輪轉速,其測量精度隨轉速的降低而升高,在1  r/ s時,誤差為0. 300,10 r/s時誤差不2000
    實驗用水為自來水,采用聚丙烯酞胺「PAM」溶于水配制分歧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溶液密度測量采取體積質量法,測量誤差為士100。測量分歧配比的PAM溶液,與水密度在2%以內。不妨通過控制其配比改變溶液粘度,粘度測量选择NDf-1型轉粘度計,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运用PAM溶液進行實驗,可能對實際測井中遇到的低流量差别粘度的情況進行模擬和觀測。

    2多粘度響應結果
    采取水和PAM溶液,在上述實驗平臺上對渦輪流量計在。-10 mj /d的范圍內的響應情況進行觀察。通過調整配比,得到了純水、8. 2, 14, 20. 5,57. 5 cSt、87 cSt等6種分歧表觀粘度的流體并觀察了直徑19 mm的渦輪流量計對其響應的情況。
    渦輪流量計
    圖1反映了渦輪流量計在低流量條件下對分歧粘度的流體的響應情況。從圖一可見,隨著粘度的添补,渦輪流量計的K值下落,且線性度變差。對圖一中各粘度條件下的響應結果進行線性擬合,并結合實驗中測量到的啟動排量進行比較得到表一所示數據。

    渦輪流量計
    圖1渦輪流量計對差异茹度條件的響應轉速圖和K值
    隨著粘度升高,渦輪流量計響應曲線斜率逐步下降,渦輪流量計啟動排量也隨之下降。在流體為單相純水時,渦輪流量計可以觀察到的慢轉速為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渦輪流量計低于0. O1 r/s的轉動情況。特別是在粘度為87 cSt條件時,難以觀察到渦輪流量計無響應的情況,只要管路內有流動,就伴隨有渦輪的轉動。在測井中使用的渦輪流量計所能采集到的轉速一般不低于0. sr/ s,過低的轉速會導致磁感應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。
    因为渦輪偏心和機械摩擦阻力矩微小變化的影響,渦輪流量計在同一個轉動周期內會發生周期性的轉速變化,這使得渦輪出現極低的轉速,因為此時受擾動而停止轉動。以是實際运用中,當粘度較小時,渦輪流量計啟動后低轉速一般在0. sr/s以上。但當流體粘度提高之后,渦輪流量計在極低轉速時鉆性阻力矩會超過機械摩擦阻力矩,成為主要的阻礙力矩,而鉆性阻力矩的巨细是與渦輪流量計轉速成正比的,此時就會形成一種負反饋機制。當渦輪轉速降低時,鉆性阻力矩會下降,驅動力矩上升,使渦輪轉速升高,反之依然。是以渦輪流量計的響應會變得為穩定,啟動排量會降低,能够觀察到極低的轉速。同時,同一周期內渦輪流量計的不穩定轉動情況會減弱。
    作為一種速率式流量計,渦輪流量計受人日速度散布影響較大,而人日速率分布情況是受雷諾數影響決定的。實驗中得到的渦輪流量計K值與雷諾數的關系見圖2。

    渦輪流量計
    圖2表明,在雷諾數低于2 000「即層流」的條件下,渦輪流量計的K值受雷諾數影響顯著。從圖二中不妨看出,K值與雷諾數之間有相關性,隨著雷諾數的添补呈現三個階段:當雷諾數低「小于20」時,渦輪流量計近似保持一個固定的K值;隨著雷諾數的补充「雷諾數在20 ^-1 000」 ,渦輪流量計的K值與雷諾數近似呈指數關系;當雷諾數高時「1 000」,渦輪流量計進人線性響應,K值不變。同Funress}'}的結果比拟,在K值與雷諾數的指數關系段,本文實驗結果與指數關系「圖2中粗實線」有的偏差。本文實驗选拔的聚合物溶液不同于Funress實驗选拔的油,聚合物溶液诟谇牛頓流體,在差别剪切率條件下,其表觀粘度差异[1a7。隨著剪切率「在本文實驗中流速是剪切率的主要影響成分」的上升,其表觀鉆性系數會下落。對比圖二曲線,以聚合物粘度為8. 2 cSt的響應曲線為例,曲線的起始段低于指數關系,是因为流速較慢剪切低,其表觀粘度較大,實際雷諾數應該稍低,圖2中曲線應向左平移;流速較高的響應點K值高于指數關系直線是由于剪切率較高時,表觀粘度減小,實際雷諾數更大,需響應點向右平移。是以實際的雷諾數與K值的關系,需結合聚合物溶液的表觀粘度變化情況進行订正。
    渦輪流量計
    3與理論模型的對比與討論
    选取Thompson等00提出的理論模子,人日速度設置為層流,對實驗中的工況進行模擬。將求解后得到的K值與雷諾數的關系繪制在圖3中。
    圖二與圖3可看出,理論模擬與實驗結果在前文所述的K值指數增長階段與穩定階段基本合适,低雷諾數條件下穩定的小K值通過傳統的理論想法進行模擬。理論主意不妨作為低流量條件下渦輪流量計在粘度不超過50 cSt的鉆性流體中響應情況的快捷計算剖析机谋。通過理論和實驗证明,在渦輪流量計進人線性段K值穩定之前,渦輪K值與雷諾數呈指數關系。不過必要指出的圖三理論模擬K值與雷諾數關系是,在低流量條件下,渦輪流量計在啟動時葉片對于來流攻角較大,會產生流動分離的現象,此時會使得渦輪流量計的響應有必然的波動和偏差。因此,选择粘度較高的鉆性流體,在差异雷諾數條件下進行標定之后,就能够對該渦輪對于分别鉆性流體的響應情況進行解析和計算。

    4結論與建議
    「l」隨著粘度的增大,渦輪流量計的啟動排量會降低,同時響應的低轉速會着落。
    「2」隨著粘度的升迁,渦輪流量計的K值會着落,同時線性度會變差。
    「3」在進人渦輪響應的線性段前,K值持續升高,且隨流量計人日雷諾數呈指數增長關系。
    「4」對于產出液粘度較高的低產井,宜采取搜罗系統敏感的渦輪使其能精確的收集低轉速「小于0. O1 r/s」的信號。
    「5」用于測量区别鉆性流體的渦輪流量計,進行一次在高粘度條件下來流雷諾數分别的標定,近似得到該渦輪流量計K值與雷諾數的關系,并反推出該渦輪對区别鉆性流體的響應曲線。

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