摘要：本文研究了渦輪流量計(jì)的工作原理、適用條件，并指出，渦輪流量計(jì)適合于單相流、高流量的井眼環(huán)境。對(duì)于低流量、多相流的井限，測(cè)量誤差較大，此時(shí)要提高測(cè)量精度應(yīng)采用集流式渦輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。本文還研究了，在各種井眼條件下正確使用渦輪流量計(jì)，以便提高測(cè)井線的解釋精度。 

  在渦輪流量計(jì)的測(cè)量和資料解釋過(guò)程中，僅從單相流情況下所得的結(jié)論出發(fā)，難免只考慮到其中部分影響因素，以致解釋結(jié)果不夠切合實(shí)際，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)論。眾所周知，同一口油井中可以同時(shí)存在單相流、多相流;也可能同時(shí)存在層流和紊流狀態(tài)。不同的相態(tài)、不同的流態(tài)對(duì)渦輪流量計(jì)響應(yīng)的影響各不相同，解釋中所考慮的因素和采用的方法也應(yīng)隨之而改變。為了解決上述問(wèn)題，有必要從渦輪流量計(jì)的工作原理的分析出發(fā)，結(jié)合油氣井測(cè)量中的實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)的分析和對(duì)比，明確各種因素對(duì)其響應(yīng)曲線的影響程度。本文正是從這一目的出發(fā)，通過(guò)分析渦輪流量計(jì)的工作原理和它的適用范圍，并參考實(shí)際的井眼流體的流動(dòng)狀況，得出了產(chǎn)生誤差的原因以及提高解釋精度的方法和所要參考的其他測(cè)井曲線。

1、工作原理：
   渦輪流量計(jì)是一速度式流量計(jì).它通過(guò)測(cè)定流體中渦輪的轉(zhuǎn)速來(lái)反映流量的大小。在管道中心放置一個(gè)渦輪，當(dāng)流體通過(guò)管道時(shí)沖擊渦輪葉片，對(duì)渦輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，使渦輪克服阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定流量、粘度范圍內(nèi)的流體介質(zhì)中，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體的流速成正比。因此，流體的流速可以通過(guò)渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度求得，進(jìn)而通過(guò)換算可得出通過(guò)管道的流體流量。渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)速可通過(guò)裝在機(jī)殼外的傳感線圈來(lái)檢測(cè)。

更多還原1. 1、受力分析：
   作用在渦輪上的力矩大致包括以下幾個(gè)部分:    （1)流體通過(guò)渦輪對(duì)葉片產(chǎn)生的推動(dòng)力矩M    設(shè)流體以速度vi沿著管道軸線方向流動(dòng)并進(jìn)入葉輪通道，葉輪又以圓周速度u:旋轉(zhuǎn)，則流體對(duì)旋轉(zhuǎn)著的葉片的相對(duì)速度w，應(yīng)等于流體的速度v，的矢量差，在葉輪葉片的出口處，流體對(duì)葉片的相對(duì)速度w:與管道軸線截面的夾角應(yīng)等于葉片出口處的結(jié)構(gòu)角=90°-0(如圖1)。由于管道內(nèi)流通截面積不變，則由不可壓縮流體的連續(xù)性方程可知，在葉片的出口處，流體的速度V:在軸間上的分量應(yīng)等于速度V}，并且葉片出口處相應(yīng)點(diǎn)的圓周速度應(yīng)與人口處的圓周速度相等即u2-ul，由此可作出出口處的速度三角形(如圖1）由圖1有:

    顯然，在葉輪各通道內(nèi)，只有與圓周速度方向相同的力作功，亦即進(jìn)入葉輪轉(zhuǎn)子的流體在圓周方向發(fā)生動(dòng)量改變，產(chǎn)生推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的力，由動(dòng)量定理得該力為

     其中F—作用在葉輪上的圓周力;    p—流體的密度;    。l—v;與圓周運(yùn)動(dòng)方向的夾角;    +z—v2與圓周運(yùn)動(dòng)方向的夾角;    v—葉輪進(jìn)口處流體的速度;    vz—葉輪出口處流體的速度;    9—流體的流量。
    對(duì)軸輪式渦輪，可以認(rèn)為流體推動(dòng)力F是作用在葉片的平均半徑上，設(shè)葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度為。，則有u=uz=rw，代入(3)式得:              F= c,tge一rw)pg(4)故作用在葉輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為:            M=F·r=(v,tg8一rw)prq(5)    考慮到流速分布不均，渦輪葉片數(shù)目有限且均有一定的厚度，故流體出口處的相對(duì)速度
w:與垂直管道截面的夾角實(shí)際上是小于結(jié)構(gòu)角az。因此，引入流速不均勻系數(shù)K，和流速矢量方向與葉片傾角不重合性系數(shù)Ka，并令:            Ka=tg9/tga   K.=vq/vo其中v。為通過(guò)葉輪截面內(nèi)的流體平均速度。    將上述兩式的v;和tge代人(s>式得:
           M= <K.Kavotga-rw)prq
           (6i    設(shè)通過(guò)葉輪的流通截面面積為Sn，則VO-q/Sn，代人(6)式并整理得:
           M = K.KaprqZtga/So一r2Pqw  
            （）2)流體通過(guò)渦輪時(shí)對(duì)渦輪產(chǎn)生的流體粘性摩擦阻力矩M,    任何實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)均存在粘性摩擦。由于粘性摩擦阻力矩與流體的流動(dòng)狀態(tài)等因素有關(guān)，故當(dāng)流體以層流狀態(tài)流過(guò)流量傳感器時(shí)其粘性摩擦阻力矩可以被認(rèn)為是與流體的粘度和流量近似成正比。
           M1=Cl'?q(8)其中C，是比例常數(shù)，刀是流體的粘度.    當(dāng)流體以紊流狀態(tài)流經(jīng)傳感器時(shí)，其粘性摩擦阻力矩可被認(rèn)為是與流體的密度P和流體流量的二次方qz成正比。
           M, =CQpaZ                                                         (9)
其中C:是比例常數(shù)。
   (3)渦輪軸和軸承之間摩擦產(chǎn)生的機(jī)械摩擦阻力矩ME    設(shè)軸承為滾動(dòng)軸承并忽略溫度及潤(rùn)滑等次要因素的影響，則MZ一M'o}-(1.5F,}-1.25F,)孕                                                            U0(10)其中M' o—無(wú)負(fù)荷時(shí)滾動(dòng)軸承的摩擦力矩;
       F,—軸承所受的軸向負(fù)荷;        F,—軸承所受的徑向負(fù)荷;        拌—滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù);        Do—滾動(dòng)軸承的平均直徑;        do—滾珠的直徑。    F}是由液體的粘滯摩擦引起的，且有一2Mctga(11)又令M。一M'o-1. 25F,會(huì)將(11,<12)兩式代入(10)式得M:為      MZ一Mo-f-1. 5p.等ctga(12)(13)(4)電磁轉(zhuǎn)換器對(duì)渦輪產(chǎn)生的電磁阻力矩M,      WM3-一              QJ(14)其中w是消耗于電磁系統(tǒng)的能量，它由供給外電路的能量W;和產(chǎn)生的渦流損耗W:所組成。

    以上分析了作用在渦輪葉片上的各個(gè)外力矩。在渦輪的旋轉(zhuǎn)中，各個(gè)阻力矩在不同的條件下所起的作用不同，下面從其原理的分析中可以清楚地看出。
1.2、基本的理論推導(dǎo)：
   渦輪流量計(jì)傳感器是利用液體動(dòng)量矩原理實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。并假設(shè)①流體不可壓縮;②葉輪均質(zhì)，則葉輪的運(yùn)動(dòng)可看作是剛體繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，據(jù)動(dòng)量矩定理，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為:
   假定葉輪起動(dòng)之后，管內(nèi)流體的流量不隨時(shí)間而改變即作定常運(yùn)動(dòng)，則葉輪以穩(wěn)定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，由動(dòng)量矩守恒有：

1.3、始動(dòng)流里聞值qmi?；蚴紕?dòng)速度Vmin：
   對(duì)于實(shí)際的渦輪流量計(jì)，渦輪首先必須克服軸承的靜摩擦阻力矩后才能轉(zhuǎn)勸，將渦輪流量計(jì)的渦輪克服靜摩擦阻力矩所需的***小流量值(通過(guò)渦輪葉片的流量)稱為該渦輪的始動(dòng)流量闌值qmm，此時(shí)通過(guò)渦輪的流體所具有的(平均)速度稱為始動(dòng)速度Vmi。或V th.當(dāng)q}qmi?；騐 CVt、時(shí)，渦輪不轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)信號(hào)輸出。    當(dāng)流量相當(dāng)于始動(dòng)流量值時(shí)，渦輪起動(dòng)，此時(shí)由于角速度。極小，取f=0,所以可忽略流體的粘滯阻力矩M:和電磁阻力矩M}，由((20)式得:qmin –    S_1一artgaK.K,)百M(fèi)}P’(22)由(22)式可知，
   ①機(jī)械摩擦阻力越小，嶼(與流體的粘度無(wú)關(guān))就越小即qmin v Vth越小，因此要得到好的小流量特性，首先應(yīng)減少流量計(jì)渦輪與軸承之間的摩擦力。
   ②流體介質(zhì)的密度P越大，始動(dòng)流量qmi。始動(dòng)流速vt、就越小。    由上面討論知道，氣體的小流量特征很差。同時(shí)還必須注意溫度對(duì)氣體密度的影響;隨著介質(zhì)溫度的變化可能引起流量計(jì)特性曲線(即~q曲線)的平多〔們;除此而外，實(shí)際測(cè)量中，。-q曲線下部總有一段非線性區(qū)，因此理論所得的qmi?？偸切∮趯?shí)際中的臨界起動(dòng)流量值。

2、適用條件：
   要得出的測(cè)量結(jié)果，量條件必須滿足上述理論推導(dǎo)過(guò)程中所使用的條件，否則將出現(xiàn)測(cè)量誤差，由上述的理論推導(dǎo)過(guò)程知道它的適用條件是:   (2)流體不可壓縮:由于氣體的壓縮性較大，因此渦輪流量計(jì)用于氣體中測(cè)量時(shí)有一定的誤差;同樣對(duì)于油一氣、氣一水、油一氣一水這三種情況的應(yīng)用效果也變差。    (2)葉輪均質(zhì).    (3)管內(nèi)流體作定常運(yùn)動(dòng)即渦輪流量計(jì)只能在穩(wěn)定流中測(cè)量，此時(shí)得以保證有一恒定的流量:因?yàn)榱黧w的流動(dòng)狀態(tài)可分為以下兒類，
    因而在非定常流動(dòng)的過(guò)渡流和紊流中測(cè)量時(shí)有一定誤差。而對(duì)于兩相流動(dòng)一般是非定常流動(dòng)，所以此時(shí)測(cè)量有一定誤差;若是氣一液兩相流，由于氣體還存在可以被壓縮的原因，故誤差將更大些.    (4)渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)應(yīng)是平衡狀態(tài):對(duì)于在井眼中的定點(diǎn)測(cè)量，只要讓讀數(shù)穩(wěn)定則渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)也就處于平衡狀態(tài);而在井眼中動(dòng)測(cè)時(shí)，井內(nèi)流量的改變會(huì)導(dǎo)致渦輪角速度的變化。由于慣性的存在，轉(zhuǎn)子要達(dá)到平衡狀態(tài)必須經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，在該段時(shí)間里渦輪流量還未來(lái)得及達(dá)到平衡狀態(tài)已經(jīng)又移動(dòng)了一段距離，因此此時(shí)(即此深度)反映出來(lái)的流量不能表示實(shí)際上真實(shí)的流量;同時(shí)，當(dāng)流體從地層中流入井筒后要經(jīng)過(guò)一段距離后才能穩(wěn)定下來(lái)，所以在流量測(cè)井曲線上對(duì)上測(cè)曲線取值應(yīng)選在相鄰井段上方接近上面的射孔層的位置;而對(duì)下測(cè)曲線則應(yīng)選擇在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速已經(jīng)穩(wěn)定而又未到達(dá)這層的紊流區(qū)處取值.注意此時(shí)讀值不能太靠上，因轉(zhuǎn)子有可能還未穩(wěn)定;同時(shí)也不能太靠下，因轉(zhuǎn)子有可能已處于非定常流動(dòng)中。至于具體在何處取值，還取決于流體的流量和電纜速度的大小。

3、渦輪流量計(jì)在層流中的測(cè)量：
   當(dāng)流體流量大于始動(dòng)流量時(shí)，漁體產(chǎn)生的粘性阻力矩M，將成為影響流量計(jì)特性的主要因素.若忽略儀表的電磁阻力矩、機(jī)械摩擦阻力矩的情況下，將((8)式代入(20)式有:

由(23)式可知    ①在層流狀態(tài)中，儀表常數(shù)K將隨流量的改變而發(fā)生變化。若粘度不變，隨4的增加而增加，這說(shuō)明流量越大，精度越高。    ②在層流狀態(tài)中，儀表常數(shù)K與流體的枯度有關(guān)且隨粘度的增大而減小，故隨著粘度的增大測(cè)量精度將降低.    ③在層流狀態(tài)中，儀表常數(shù)‘K與流體的密度有關(guān)且隨流體密度的增加而增大，因而流體的密度越大測(cè)量的精度愈高。

4、渦輪流量計(jì)在紊流中的測(cè)量：
  將(9)式代入(20)式有:

由(24)式知
   ①在紊流狀態(tài)下，儀表常數(shù)K僅與儀表本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而與流量q,粘度'7等參數(shù)無(wú)關(guān)，近似為一常數(shù)。只有在這種情況下儀表常數(shù)K才真正顯示了常數(shù)的性質(zhì)。儀表常數(shù)K為常數(shù)的區(qū)間，也就是渦輪流量計(jì)的測(cè)量范圍.這也正是集流時(shí)流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)所在，因此在低流量、多相流中應(yīng)采用集流式渦輪流量計(jì);同時(shí)它也克服了多相流動(dòng)時(shí)滑脫速度、液體回流的影響.除此之外，集流式渦輪流量計(jì)測(cè)量時(shí)井眼內(nèi)的全部流體均流過(guò)其葉片，因此沒(méi)有必要對(duì)測(cè)量得到的流體速度進(jìn)行校正(但是由于集流改變了井眼內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)且封隔不好時(shí)會(huì)得出錯(cuò)誤的解釋)。
   ②由于層流狀態(tài)時(shí)流體的粘滯阻力矩比紊流時(shí)要小一些，葉輪的轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高，所以在層流與紊流的交界處，K-q特性曲線上有一峰值，該峰值的位置受流體粘度的影響較大.該峰值越向大流量方向移動(dòng)則粘度越大，由層流轉(zhuǎn)變成紊流的流速也就越大，這正是雷諾數(shù)R。dvp即、。的反映. 將M,,MZ,M:在層流和紊流時(shí)的表達(dá)式代入(20)式可以看到，由于機(jī)械阻力矩MZ和電磁阻力矩M。的作用均使K值減小，所以實(shí)際測(cè)出的K值比由上述理論上給出的K值要小;但是隨著P"q的增加，這種減少量也就越小。

5、渦輪流量計(jì)測(cè)井曲線的解釋應(yīng)用：
5. 1、影響因素的分析：
   (1)由上面的分析看出，渦輪流量計(jì)的響應(yīng)受許多因素的影響，軸承摩擦阻力矩和電磁阻力矩;管道內(nèi)流體速度沿管道截面分布的非均勻性;葉輪與流體間的粘性摩擦阻力矩等等.當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)角確定之后，軸承摩擦力矩也就一定，這樣粘性阻力矩便成為傳感器特性的主要影響因素，因?yàn)殡姶抛枇匾话愫苄?特別是在低流量，小口徑時(shí)，粘滯阻力矩的影響更為嚴(yán)重。因此一般不應(yīng)用于受溫度影響較大的高粘度介質(zhì)中進(jìn)行測(cè)量。
   (2)溫度變化時(shí)，將影響液體的粘度和儀器的傳感器，因此儀器常數(shù)應(yīng)作如下的溫度較正

  其中Ko—標(biāo)定時(shí)的儀器常數(shù);K—使用時(shí)的儀器常數(shù);to—標(biāo)定時(shí)的流體溫度;沈—使用時(shí)的流體溫度;人—葉輪材料的溫度膨脹系數(shù);PN—機(jī)殼材料的溫度膨脹系數(shù)
    (3)流速的分布不均和管內(nèi)回流的存在是影響其測(cè)量精度的重要因素，特別是多相流的情況下尤為嚴(yán)重。
   (4)要求通過(guò)流量計(jì)的流體是單相的，一般不應(yīng)用來(lái)測(cè)定油一氣、氣一水兩相流和油一氣一水三相流動(dòng)，否則有較大誤差。    鑒于實(shí)際測(cè)量中不能完全滿足上述條件和理論推導(dǎo)中所使用的條件，在生產(chǎn)測(cè)井中必須對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行井下刻度。

5. 2、井下刻度：
    由(20)式和((21)式不難寫成以下的頻響方程，  N' =K' (v一vth)                                                  (26)其中N'  -渦輪的每秒轉(zhuǎn)數(shù);        K'—儀器常數(shù)(可以證明K，與K僅相差一比例常數(shù));        v—流體與儀器的相對(duì)速度;        vc6—渦輪的始動(dòng)速度。井下刻度是為了建立起儀器頻響和流體速度之間的關(guān)系即是確定K，和v<n;方法是通過(guò)在流動(dòng)的流體中，儀器分別用三個(gè)以上(***好是五個(gè)以上)的向上和向下的速度記錄頻響曲線，然后用***小二乘法進(jìn)行線性回歸。同時(shí)井下刻度也可以檢驗(yàn)測(cè)井質(zhì)量。

5. 3、對(duì)渦輪流且計(jì)測(cè)井曲線進(jìn)行解釋時(shí)應(yīng)參考的資料：
   (1)解釋時(shí)應(yīng)考慮粘度的影響:在流體粘度變化的井眼中，解釋時(shí)應(yīng)采用正反轉(zhuǎn)曲線相重疊的辦法。
   (2)由于渦輪轉(zhuǎn)子的正反轉(zhuǎn)并不完全對(duì)稱，導(dǎo)致正反轉(zhuǎn)的K‘和vt、不同;同時(shí)在多相流中，由于各解釋層中各相分量的密度和粘度及其組合的不同，在各層的始動(dòng)速度也是不同的。在解釋過(guò)程中，對(duì)于不同的層段應(yīng)進(jìn)行流體性質(zhì)及儀器結(jié)構(gòu)的正反轉(zhuǎn)非對(duì)稱性校正。
  (3)由于密度變化的影響，解釋中應(yīng)參考密度曲線，特別是在產(chǎn)油氣地層出口處密度發(fā)生改變的井眼中。
  (4)由于流體與葉輪的相對(duì)速度與井徑和電纜速度有關(guān)，故還應(yīng)參考并徑曲線與電纜速度曲線。
   當(dāng)流量一定時(shí)，流速與管道半徑平方成正比:

其中Ri , Rz—套管半徑;  wz—在R,,RZ處對(duì)應(yīng)的流體速度。
   (5)由于在生產(chǎn)測(cè)井解釋中上測(cè)曲線和下測(cè)曲線上在相鄰井段取值點(diǎn)的位置不同，故還應(yīng)參考射孔井段以便在各自的相應(yīng)適當(dāng)位置取值。
   (6)由于溫度對(duì)K和K'的影響、對(duì)流體粘度的影響。同時(shí)，對(duì)液體而言，產(chǎn)出口的溫度高于梯度地溫;而對(duì)產(chǎn)氣口來(lái)說(shuō)，由于氣體膨脹吸收熱量，一般來(lái)說(shuō)產(chǎn)氣口的溫度有明顯降低(但是若吸收的熱量和氣體與地層摩擦生熱等方式獲得的熱量基本相等時(shí)，溫度也不會(huì)有明顯的變化)。所以解釋時(shí)還應(yīng)參考溫度曲線。
   (7)對(duì)兩相流、三相流，由于各相持率的不同會(huì)影響流體的分布和流體速度的分布，因此應(yīng)參考持水率曲線。
   (8)對(duì)多相流，還應(yīng)參考?jí)毫η€，比如判斷是否倒灌的問(wèn)題:應(yīng)比較井眼流動(dòng)壓力和地層靜壓力的大小;而在壓差密度計(jì)測(cè)井曲線相應(yīng)深度也應(yīng)有所降低。

結(jié)論：
   (1)禍輪流量計(jì)測(cè)井受到其工作原理的限制和不同井眼環(huán)境的影響，不可避免地產(chǎn)生測(cè)量誤差。要從根本上提高在各種井眼環(huán)境下的測(cè)量精度，應(yīng)從改進(jìn)流量計(jì)的工作原理著手，設(shè)計(jì)一種無(wú)機(jī)械流量計(jì)。
   (2)渦輪流量計(jì)適合于在單相流、高流量的井眼中測(cè)量。
   (3)渦輪流量計(jì)在低流量、氣液兩相流的井眼中測(cè)量時(shí)誤差較大;此時(shí)要提高測(cè)量精度應(yīng)采用集流式渦輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。
   (4)在對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)井曲線進(jìn)行分析和資料解釋時(shí)，為提高解釋的可靠性，應(yīng)據(jù)具體的井眼環(huán)境參考其他相應(yīng)的測(cè)井曲線。