油田進(jìn)人三次開采階段，儲油層中被注人了大量的聚合物。此時油井產(chǎn)出液粘度變化范圍很大，粘度與水相相近至水的幾十倍均會出現(xiàn)。同時，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)量會低于5 mj。因此，研究柴油流量計在低流量不同粘度條件下的響應(yīng)情況具有重要的意義。 為了測量柴油流量計在低流量條件下的粘度響應(yīng)特性，搭建了一套用于低流量渦輪響應(yīng)測量的實(shí)驗(yàn)平臺。采用高速攝影對透明柴油流量計的轉(zhuǎn)動進(jìn)行拍攝記錄，可以對柴油流量計在接近啟動排量時的低轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性進(jìn)行有效測量。在此平臺上對柴油流量計在低流量條件下對不同粘度的流體響應(yīng)情況進(jìn)行研究，并結(jié)合傳統(tǒng)柴油流量計理論模型進(jìn)行簡要分析。在未達(dá)到線性響應(yīng)段時，柴油流量計K值與管道中流動的雷諾數(shù)近似呈指數(shù)關(guān)系。隨著粘度的提高，柴油流量計的啟動排量呈下降趨勢，且由加工偏心等因素造成的轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定性亦隨之下降。對于柴油流量計而言，僅用一次高粘度條件下不同雷諾數(shù)的標(biāo)定，即可近似得到其在不同粘度流動條件下的響應(yīng)關(guān)系。

流體粘度是影響渦輪流量傳感器的重要參數(shù)，通常的柴油流量計對運(yùn)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柴油流量計的響應(yīng)情況進(jìn)行了重點(diǎn)研究，分別提出了粘度對柴油流量計儀表系數(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(jìn)人湍流之后)的情況。Fumes少〕在其關(guān)于柴油流量計的總結(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)于柴油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(jìn)行了研究，曹廣軍等川采用實(shí)驗(yàn)手段研究了柴油流量計對運(yùn)動粘度在1^-200 cSt范圍內(nèi)的流體響應(yīng)情況。孫立軍，項(xiàng)U系統(tǒng)地研究了改善柴油流量計對粘度敏感度的方法。綜合上述已有文獻(xiàn)，對柴油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(shí)驗(yàn)平臺，采用透明外殼柴油流量計，同時輔以帶有高速攝影功能的相機(jī)對低流量條件下渦輪響應(yīng)的情況進(jìn)行觀察。得到了在不同粘度條件下的柴油流量計的響應(yīng)情況，并對其進(jìn)行分析和研究。

1實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)平臺包括管路系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)柴油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(jī)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)定段通過待測柴油流量計。在管路的末端采用節(jié)流閥控制流速。

實(shí)驗(yàn)柴油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(jī)玻璃管制成。在實(shí)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(jī)對柴油流量計的轉(zhuǎn)動情況進(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柴油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(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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)?？梢酝ㄟ^控制其配比改變?nèi)芤赫扯?，粘度測量采用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(shí)驗(yàn)平臺中使用PAM溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以對實(shí)際測井中遇到的低流量不同粘度的情況進(jìn)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(shí)驗(yàn)平臺上對柴油流量計在。-10 mj /d的范圍內(nèi)的響應(yīng)情況進(jìn)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的柴油流量計對其響應(yīng)的情況。

圖1反映了柴油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，柴油流量計的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(jìn)行線性擬合，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)中測量到的啟動排量進(jìn)行比較得到表1所示數(shù)據(jù)。

圖1柴油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，柴油流量計響應(yīng)曲線斜率逐步下降，柴油流量計啟動排量也隨之下降。在流體為單相純水時，柴油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柴油流量計低于0. O1 r/s的轉(zhuǎn)動情況。特別是在粘度為87 cSt條件時，難以觀察到柴油流量計無響應(yīng)的情況，只要管路內(nèi)有流動，就伴隨有渦輪的轉(zhuǎn)動。在測井中使用的柴油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(jī)械摩擦阻力矩微小變化的影響，柴油流量計在同一個轉(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?yàn)榇藭r*易受擾動而停止轉(zhuǎn)動。因而實(shí)際使用中，當(dāng)粘度較小時，柴油流量計啟動后*低轉(zhuǎn)速一般在0. sr/s以上。但當(dāng)流體粘度提高之后，柴油流量計在*低轉(zhuǎn)速時鉆性阻力矩就會超過機(jī)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柴油流量計轉(zhuǎn)速成正比的，此時就會形成一種負(fù)反饋機(jī)制。當(dāng)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。因而柴油流量計的響應(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)柴油流量計的不穩(wěn)定轉(zhuǎn)動情況也會減弱。

作為一種速度式流量計，柴油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(shí)驗(yàn)中得到的柴油流量計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，柴油流量計的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(dāng)雷諾數(shù)*低(小于20)時，柴油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) ,柴油流量計的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(大于1 000),柴油流量計進(jìn)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(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，其表觀粘度不同[1a7。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(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，表觀粘度減小，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粘度變化情況進(jìn)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(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(jìn)行模擬。理論方法可以作為低流量條件下柴油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(shí)驗(yàn)表明，在柴油流量計進(jìn)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，柴油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，此時會使得柴油流量計的響應(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(jìn)行標(biāo)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(jìn)行分析和計算。

4結(jié)論與建議

(l)隨著粘度的增大，柴油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，柴油流量計的K值會下降，同時線性度也會變差。

(3)在進(jìn)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柴油流量計，只進(jìn)行一次在高粘度條件下來流雷諾數(shù)不同的標(biāo)定，即可近似得到該柴油流量計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。