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孔板流量计的道理、利用及其测井曲线的解释

作者: 来源: 公布时候:2018-05-15 13:39:16

    择要:本文研究了孔板流量计的事情道理、合用前提,并指出,孔板流量计适合于单相流、高流量的井眼环境。对低流量、多相流的井限,测量偏差较年夜,此时要进步测量精度应采取集流式孔板流量计进行测量。本文还研究了,在各种井眼前提下精确利用孔板流量计,以便进步测井线的解释精度。

    在孔板流量计的测量和质料解释过程中,仅从单相流环境下所得的结论解缆,不免只考虑到此中部分影响身分,乃至解释成果不敷符合实际,乃至呈现错误的结论。尽人皆知,同一口油井中可以同时存在单相流、多相流;也可能同时存在层流和紊流状况。不合的相态、不合的流态对孔板流量计呼应的影响各不不异,解释中所考虑的身分和采取的体例也应随之而改变。为体味决上述问题,有需求从孔板流量计的事情道理的阐发解缆,连络油气井测量中的实际环境进行详细的阐发和对比,明白各种身分对其呼应曲线的影响程度。本文恰是从这一目标解缆,经由过程阐发孔板流量计的事情道理和它的合用范围,并参考实际的井眼流体的活动状况,得出了产生偏差的启事和进步解释精度的体例和所要参考的其他测井曲线。

1、事情道理:
    孔板流量计是一速率式流量计.它经由过程测定流体中孔板的转速来反应流量的年夜小。在管道中间安排一个孔板,当流体经由过程管道时打击孔板叶片,对孔板产生驱动力矩,使孔板降服阻力矩而产生扭转。在必然流量、粘度范围内的流体介质中,孔板的扭转角速率与流体的流速成正比。是以,流体的流速可以经由过程孔板的扭转角速率求得,进而经由过程换算可得出经由过程管道的流体流量。孔板流量计的转速可经由过程装在机壳外的传感线圈来检测。

1. 1、受力阐发:
    感化在孔板上的力矩年夜致包含以下几个部分:   

(1)流体经由过程孔板对叶片产生的鞭策力矩M    设流体以速率vi沿着管道轴线标的目标活动并进入叶轮通道,叶轮又以圆周速率u:扭转,则流体对扭转着的叶片的相对速率w,应即是流体的绝对速率v的矢量差,计算公式在叶轮叶片的出口处,流体对叶片的相对速率w:与管道轴线截面的夹角应即是叶片出口处的布局角=90°-0(如图1)。因为管道内畅通截面积不变,则由不成紧缩流体的持续性方程可知,在叶片的出口处,流体的绝对速率V:在轴间上的分量应即是绝对速率V,并且叶片出口处呼应点的圆周速率应与人口处的圆周速率相称即u2-ul,由此可作出出口处的速率三角形(如图1)由图1有:

图1叶轮出口处的速度示意图
图1叶轮出口处的速率示企图

    明显,在叶轮各通道内,只需与圆周速率标的目标不异的力作功,亦即进入叶轮转子的流体在圆周标的目标产活泼量改变,产生鞭策叶轮扭转的力,由动量定理得该力为


计算公式


     此中F—感化在叶轮上的圆周力;    p—流体的密度;    。l—v;与圆周活动标的目标的夹角;    +z—v2与圆周活动标的目标的夹角;    v—叶轮入口处流体的绝对速率;    vz—叶轮出口处流体的绝对速率;    9—流体的流量。
    对轴轮式孔板,可以以为流体鞭策力F是感化在叶片的均匀半径上,设叶轮的扭转角速率为。,则有u=uz=rw,代入(3)式得:              F= c,tge一rw)pg(4)故感化在叶轮上的动弹力矩为:M=F·r=(v,tg8一rw)prq(5)    考虑到流速漫衍不均,孔板叶片数量无限且均有必然的厚度,故流体出口处的相对速率
w:与垂直管道截面的夹角实际上是小于布局角az。是以,引入流速不均匀系数K,和流速矢量标的目标与叶片倾角不重合性系数Ka,并令:            Ka=tg9/tga   K.=vq/vo此中v。为经由过程叶轮截面内的流体均匀速率。    将上述两式的v;和tge代人(s>式得:
           M= <K.Kavotga-rw)prq
           (6i    设经由过程叶轮的畅通截面面积为Sn,则VO-q/Sn,代人(6)式并清算得:
           M = K.KaprqZtga/So一r2Pqw 
            (2)流体经由过程孔板时对孔板产生的流体粘性摩擦阻力矩M,    任何实际流体活动时均存在粘性摩擦。因为粘性摩擦阻力矩与流体的活动状况等身分有关,故当流体以层流状况流过流量传感器时其粘性摩擦阻力矩可以被以为是与流体的粘度和流量近似成正比。
           M1=Clq(8)此中C,是比例常数,刀是流体的粘度.    当流体以紊流状况流经传感器时,其粘性摩擦阻力矩可被以为是与流体的密度P和流体流量的二次方qz成正比。
           M, =CQpaZ                                                         (9)
此中C:是比例常数。
   (3)孔板轴和轴承之间摩擦产生的机器摩擦阻力矩ME    设轴承为动弹轴承并忽视温度及光滑等主要身分的影响,则MZ一M'o}-(1.5F,}-1.25F,)孕                                                            U0(10)此中M' o—无负荷时动弹轴承的摩擦力矩;
       F,—轴承所受的轴向负荷;        F,—轴承所受的径向负荷;        拌—动弹轴承的摩擦系数;        Do—动弹轴承的均匀直径;        do—滚珠的直径。    F}是由液体的粘滞摩擦引发的,且有一2Mctga(11)又令M。一M'o-1. 25F,会将(11,<12)两式代入(10)式得M:为      MZ一Mo-f-1. 5p.等ctga(12)(13)(4)电磁转换器对孔板产生的电磁阻力矩M,      WM3-一              QJ(14)此中w是耗损于电磁体系的能量,它由供应外电路的能量W;和产生的涡流耗损W:所构成。


计算公式


    以上阐发了感化在孔板叶片上的各个外力矩。在孔板的扭转中,各个阻力矩在不合的前提下所起的感化不合,下面从其道理的阐发中可以清楚地看出。
1.2、根基的实际推导:
   孔板流量计传感器是操纵液体动量矩道理实现流量测量的。并假定①流体不成紧缩;②叶轮均质,则叶轮的活动可看作是刚体绕牢固轴动弹,据动量矩定理,叶轮动弹的动力学方程为:
   假定叶轮起动以后,管内流体的流量不随时候而改变即作定常活动,则叶轮以不变的角速率扭转时,由动量矩守恒有:


计算公式


1.3、始动流里闻值qmi。或始动速率Vmin:
   对实际的孔板流量计,孔板起首必须降服轴承的玖夕擦阻力矩后才气转劝,将孔板流量计的孔板降服静摩擦阻力矩所需的zui小流量值(经由过程孔板叶片的流量)称为该孔板的始动流量阑值qmm,此时经由过程孔板的流体所具有的(均匀)速率称为始动速率Vmi。或V th.当q}qmi。或V CVt、时,孔板不动弹,无旌旗灯号输入。    当流量相当于始动流量值时,孔板起动,此时因为角速率。极小,取f=0,所以可忽视流体的粘滞阻力矩M:和电磁阻力矩M},由((20)式得:qmin -    S_1一artgaK.K,)百M}P’(22)由(22)式可知,
   ①机器摩擦阻力越小,屿(与流体的粘度无关)就越小即qmin v Vth越小,是以要获得好的小流量特性,起首应减少流量计孔板与轴承之间的摩擦力。
   ②流体介质的密度P越年夜,始动流量qmi。始动流速vt、就越小。    由下面会商晓得,气体的小流量特性很差。同时还必须重视温度对气体密度的影响;跟着介质温度的转变可能引发流量计特性曲线(即~q曲线)的平多〔们;除此而外,实际测量中,。-q曲线下部总有一段非线性区,是以实际所得的qmi。老是小于实际中的临界起动流量值。

2、合用前提:
   要得出切确的测量成果,量前提必须满足上述实际推导过程中所利用的前提,不然将呈现测量偏差,由上述的实际推导过程晓得它的合用前提是:   (2)流体不成紧缩:因为气体的紧缩性较年夜,是以孔板流量计用于气体中测量时有必然的偏差;一样对油一气、气一水、油一气一水这三种环境的利用结果也变差。    (2)叶轮均质.    (3)管内流体作定常活动即孔板流量计只能在不变流中测量,此时得以包管有一恒定的流量:因为流体的活动状况可分为以下儿类,此时得以包管有一恒定的流量:因为流体的活动状况可分为以下几类:

分类


    因此在非定常活动的过渡流和紊流中测量时有必然偏差。而对两相活动通常为非定常活动,所以此时测量有必然偏差;如果气一液两相流,因为气体还存在可以被紧缩的启事,故偏差将更年夜些.    (4)孔板的动弹状况应是均衡状况:对在井眼中的定点测量,只需让读数不变则孔板的动弹也就处于均衡状况;而在井眼中动测时,井内流量的改变会导致孔板角速率的转变。因为惯性的存在,转子要到达均衡状况必须颠末一段时候,在该段时候里孔板流量还将来得及到达均衡状况已又挪动了一段间隔,是以此时(即此深度)反应出来的流量不克不及表示实际上实在的流量;同时,当流体从地层中流入井筒后要颠末一段间隔后才气不变上去,所以在流量测井曲线上对上测曲线取值应选在相邻井段上方靠近下面的射孔层的地位;而对下测曲线则应挑选在转子的转速已不变而又未到达这层的紊流区处取值.重视此时读值不克不及太靠上,因转子有可能还未不变;同时也不克不及太靠下,因转子有可能已处于非定常活动中。至于详细在那边取值,还取决于流体的流量和电缆速率的年夜小。

3、孔板流量计在层流中的测量:
   当流体流量年夜于始动流量时,渔体产生的粘性阻力矩M,将成为影响流量计特性的首要身分.若忽视仪表的电磁阻力矩、机器摩擦阻力矩的环境下,将((8)式代入(20)式有:


计算公式


由(23)式可知    ①在层流状况中,仪表常数K将随流量的改变而产生转变。若粘度不变,随4的增加而增加,这申明流量越年夜,精度越高。    ②在层流状况中,仪表常数K与流体的枯度有关且随粘度的增年夜而减小,故跟着粘度的增年夜测量精度将降落.    ③在层流状况中,仪表常数‘K与流体的密度有关且随流体密度的增加而增年夜,因此流体的密度越年夜测量的精度愈高。

4、孔板流量计在紊流中的测量:
  将(9)式代入(20)式有:


计算公式

由(24)式知
   ①在紊流状况下,仪表常数K仅与仪表本身的布局参数有关,而与流量q,粘度'7等参数无关,近似为一常数。只需在这类环境下仪表常数K才真正显现了常数的性子。仪表常数K为常数的区间,也就是孔板流量计的测量范围.这也恰是集流时流量计的长处地点,是以在低流量、多相流中应采取集流式孔板流量计;同时它也降服了多相活动时滑脱速率、液体回流的影响.除此以外,集流式孔板流量计测量时井眼内的全数流体均流过其叶片,是以没有需求对测量获得的流体速率进行校订(但是因为集流改变了井眼内流体的活动状况且封隔不好时会得出错误的解释)。
   ②因为层流状况时流体的粘滞阻力矩比紊流时要小一些,叶轮的转速呼应进步,所以在层流与紊流的交界处,K-q特性曲线上有一峰值,该峰值的地位受流体粘度的影响较年夜.该峰值越向年夜流量标的目标挪动则粘度越年夜,由层流转变成紊流的流速也就越年夜,这恰是雷诺数R。dvp即、。的反应. 将M,,MZ,M:在层流和紊流时的表达式代入(20)式可以看到,因为机器阻力矩MZ和电磁阻力矩M。的感化均使K值减小,所以实际测出的K值比由上述实际上给出的K值要小;但是跟着P"q的增加,这类减少量也就越小。

5、孔板流量计测井曲线的解释利用:
5. 1、影响身分的阐发:
   (1)由下面的阐发看出,孔板流量计的呼应受很多身分的影响,轴承摩擦阻力矩和电磁阻力矩;管道内流体速率沿管道截面漫衍的非均匀性;叶轮与流体间的粘性摩擦阻力矩等等.当传感器的布局角肯定以后,轴承摩擦力矩也就必然,如许粘性阻力矩便成为传感器特性的首要影响身分,因为电磁阻力矩一般很小.特别是在低流量,小口径时,粘滞阻力矩的影响更加严峻。是以一般不该用于受温度影响较年夜的高粘度介质中进行测量。
   (2)温度转变时,将影响液体的粘度和仪器的传感器,是以仪器常数应作以下的温度较正


计算公式


  此中Ko—标定时的仪器常数;K—利用时的仪器常数;to—标定时的流体温度;沈—利用时的流体温度;人—叶轮质料的温度收缩系数;PN—机壳质料的温度收缩系数
    (3)流速的漫衍不均和管内回流的存在是影响其测量精度的首要身分,特别是多相流的环境下尤其严峻。
   (4)请求经由过程流量计的流体是单相的,一般不该用来测定油一气、气一水两相流和油一气一水三相活动,不然有较年夜偏差。    鉴于实际测量中不克不及完整满足上述前提和实际推导中所利用的前提,在生产测井中必须对孔板流量计进行井下刻度。

5. 2、井下刻度:
    由(20)式和((21)式不难写成以下的频响方程,  N' =K' (v一vth)                                                  (26)此中N'  -孔板的每秒转数;        K'—仪器常数(可以证明K,与K仅相差一比例常数);        v—流体与仪器的相对速率;        vc6—孔板的始动速率。井下刻度是为了建立起仪器频响和流体速率之间的切确关系便是肯定K,和v<n;体例是经由过程在活动的流体中,仪器别离用三个以上(zui好是五个以上)的向上和向下的绝对速率记录频响曲线,然后用zui小二乘法进行线性回归。同时井下刻度也能够查验测井质量。

5. 3、对孔板流且计测井曲线进行解释时应参考的质料:
   (1)解释时应考虑粘度的影响:在流体粘度转变的井眼中,解释时应采取正反转曲线相堆叠的体例。
   (2)因为孔板转子的正反转其实不完整对称,导致正反转的K‘和vt、不合;同时在多相流中,因为各解释层中各相分量的密度和粘度及其组合的不合,在各层的始动速率也是不合的。在解释过程中,对不合的层段应进行流体性子及仪器布局的正反转非对称性校订。
  (3)因为密度转变的影响,解释中应参考密度曲线,特别是在产油气地层出口处密度产生改变的井眼中。
  (4)因为流体与叶轮的相对速率与井径和电缆速率有关,故还应参考并径曲线与电缆速率曲线。
   当流量一定时,流速与管道半径平方成正比:


计算公式

此中Ri , Rz—套管半径;  wz—在R,,RZ处对应的流体速率。
   (5)因为在生产测井解释中上测曲线和下测曲线上在相邻井段取值点的地位不合,故还应参考射孔井段以便在各自的呼应恰当地位取值。
   (6)因为温度对K和K'的影响、对流体粘度的影响。同时,对液体而言,产出口的温度高于梯度地温;而对产气口来讲,因为气体收缩接收热量,一般来讲产气口的温度有较着降落(但是若接收的热量和蔼体与地层摩擦生热等体例获得的热量基秘闻等时,温度也不会有较着的转变)。所以解释时还应参考温度曲线。
   (7)对两相流、三相流,因为各对峙率的不合会影响流体的漫衍和流体速率的漫衍,是以应参考持水率曲线。
   (8)对多相流,还应参考压力曲线,比如判定是不是倒灌的问题:应比较井眼活动压力和地层静压力的年夜小;而在压差密度计测井曲线呼应深度也应有所降落。

结论:
   (1)孔板流量计测井遭到其事情道理的限定和不合井眼环境的影响,不成避免地产生测量偏差。要从底子上进步在各种井眼环境下的测量精度,应从改进流量计的事情道理着手,设想一种无机器流量计。
   (2)孔板流量计适合于在单相流、高流量的井眼中测量。
   (3)孔板流量计在低流量、气液两相流的井眼中测量时偏差较年夜;此时要进步测量精度应采取集流式孔板流量计进行测量。
   (4)在对孔板流量计测井曲线进行阐发和质料解释时,为进步解释的可靠性,应据详细的井眼环境参考其他呼应的测井曲线。

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