隨著油田開采向極限環境推進,在油田的生產測井中出現了復雜條件下管流測量的問題。本文采用理論和校驗實驗相結合的方法,分析了用于生產測井的小口徑渦輪流量計在復雜條件下的響應情況。這些復雜條件包括低流量條件、高粘性流體、多相流條件。

本文首先基于Thompson-Grey的理論構建了渦輪流量計在單相流中響應的理論計算模型；同時應用粒子成像測速技術(PIV)獲得渦輪流量計葉片入口的流場速度分布信息,并將該信息用作理論計算流量計響應的入口條件。與以往幾種典型入口速度分布計算結果的比較分析表明,基于PIV實測速度分布的理論計算結果更接近于渦輪流量計的真實響應。

基于這一理論模型平臺,并考慮真實入口速度分布,進一步分析了兩種不同葉片螺旋角分布設計方案(直葉片方案和契合速度分布的扭曲葉片方案)對渦輪流量計響應的影響。

結果表明,與實際速度分布契合較好的扭曲葉片設計與傳統的直葉片設計渦輪相比,響應曲線的線性度有所改進,啟動性能更佳。其對于流速變化的響應時間明顯縮短,而受機械摩擦阻力矩的影響也明顯下降。

在以上認識基礎上,提出一個反映葉片設計速度剖面與實際速度剖面差異的無量綱偏差流量Qe,隨著Qe的減小,渦輪流量計動態響應速度加快,抗干擾能力增強。

該參數可作為評估渦輪設計與速度場的契合程度乃至整個渦輪流量計性能的一個重要參數。其次,本文考察了低流量和高粘度條件對渦輪流量計響應的影響。

為此,自行研制了一套低流量實驗平臺,并以高速攝影記錄透明渦輪流量計葉輪轉動的方法考察渦輪流量計在接近啟動排量時的低轉速響應特性。實驗表明,渦輪流量計葉輪轉速在低流量段一般存在周期性波動,波動現象隨流速上升而減弱。在渦輪響應理論模型中添加葉輪偏心效應,從而實現了對葉輪非定常轉動的有效評估。

借助理論模型和校驗實驗進行綜合分析,提出了對渦輪流量計設計參數進行優化以改進其在低流量條件下響應性能的措施,并采用聚丙烯酰胺(PAM)溶液改變流體粘性來分析粘性對渦輪流量計響應的影響。實驗表明,渦輪流量計的啟動排量隨著流體粘性升高而降低,同時穩定響應流量下限也隨之降低；在未達到線性響應段時,渦輪流量計的儀表常數(即渦輪K值)與管道中流動的雷諾數近似呈指數關系。進而,采用實驗的方法研究了渦輪流量計在豎直氣液兩相流和水平油水兩相流中的響應情況。

測量方面,通過高速攝影對渦輪響應和流動情況進行直接觀察,對于氣液兩相流,則另采用電阻層析成像(ERT)獲取截面相分布信息。

實驗表明,在氣彈經過流量計時,葉輪轉速會急速下降,隨著水流速度的增加,渦輪響應的波動幅度下降。對單相渦輪響應理論模型進行拓展以用于兩相非定常渦輪響應的計算,結果表明,將ERT所獲得的相分布信息代入拓展后的理論模型后可以有效預測渦輪流量計的響應。

對于油水兩相流的研究發現,渦輪流量計在油水兩相流中的響應會略偏離純水中的響應曲線,這在分層流中尤為明顯。

通過對理論模型進行適當改造并代入對應的相分布信息同樣可以對儀表的響應特性進行有效預測和分析。

此外,本文還對影響流型變化的液滴融合現象給予特別關注。研究方法主要從頂視視角采用高速陰影方法直接拍攝大液滴融合初期液橋的生成和擴張情況。光學拍攝結果表明,大液滴融合行為與此前高速電測結果中的ILV階段和慣性階段吻合,同時還拍攝到在融合機制轉換時液橋中心位置的變化：在液滴融合之前相互靠近的液滴擠壓形成環境流體構成的液膜,此液膜半徑隨液滴靠近速度增加而增大；而依據融合起始點可判定兩液滴由融合過程向碰并過程的轉變。