随着油田开采向极限环境推进,在油田的生产测井中出现了复杂条件下管流测量的问题。本文采用理论和校验实验相结合的方法,分析了用于生产测井的小口径涡轮流量计在复杂条件下的响应情况。这些复杂条件包括低流量条件、高粘性流体、多相流条件。

本文首先基于Thompson-Grey的理论构建了涡轮流量计在单相流中响应的理论计算模型；同时应用粒子成像测速技术(PIV)获得涡轮流量计叶片入口的流场速度分布信息,并将该信息用作理论计算流量计响应的入口条件。与以往几种典型入口速度分布计算结果的比较分析表明,基于PIV实测速度分布的理论计算结果更接近于涡轮流量计的真实响应。

基于这一理论模型平台,并考虑真实入口速度分布,进一步分析了两种不同叶片螺旋角分布设计方案(直叶片方案和契合速度分布的扭曲叶片方案)对涡轮流量计响应的影响。

结果表明,与实际速度分布契合较好的扭曲叶片设计与传统的直叶片设计涡轮相比,响应曲线的线性度有所改进,启动性能更佳。其对于流速变化的响应时间明显缩短,而受机械摩擦阻力矩的影响也明显下降。

在以上认识基础上,提出一个反映叶片设计速度剖面与实际速度剖面差异的无量纲偏差流量Qe,随着Qe的减小,涡轮流量计动态响应速度加快,抗力增强。

该参数可作为评估涡轮设计与速度场的契合程度乃至整个涡轮流量计性能的一个重要参数。其次,本文考察了低流量和高粘度条件对涡轮流量计响应的影响。

为此,自行研制了一套低流量实验平台,并以高速摄影记录透明涡轮流量计叶轮转动的方法考察涡轮流量计在接近启动排量时的低转速响应特性。实验表明,涡轮流量计叶轮转速在低流量段一般存在周期性波动,波动现象随流速上升而减弱。在涡轮响应理论模型中添加叶轮偏心效应,从而实现了对叶轮非定常转动的有效评估。

借助理论模型和校验实验进行综合分析,提出了对涡轮流量计设计参数进行优化以改进其在低流量条件下响应性能的措施,并采用聚丙烯酰胺(PAM)溶液改变流体粘性来分析粘性对涡轮流量计响应的影响。实验表明,涡轮流量计的启动排量随着流体粘性升高而降低,同时稳定响应流量下限也随之降低；在未达到线性响应段时,涡轮流量计的仪表常数(即涡轮K值)与管道中流动的雷诺数近似呈指数关系。进而,采用实验的方法研究了涡轮流量计在竖直气液两相流和水平油水两相流中的响应情况。

测量方面,通过高速摄影对涡轮响应和流动情况进行直接观察,对于气液两相流,则另采用电阻层析成像(ERT)获取截面相分布信息。

实验表明,在气弹经过流量计时,叶轮转速会急速下降,随着水流速度的增加,涡轮响应的波动幅度下降。对单相涡轮响应理论模型进行拓展以用于两相非定常涡轮响应的计算,结果表明,将ERT所获得的相分布信息代入拓展后的理论模型后可以有效预测涡轮流量计的响应。

对于油水两相流的研究发现,涡轮流量计在油水两相流中的响应会略偏离纯水中的响应曲线,这在分层流中尤为明显。

通过对理论模型进行适当改造并代入对应的相分布信息同样可以对仪表的响应特性进行有效预测和分析。

此外,本文还对影响流型变化的液滴融合现象给予特别关注。研究方法主要从顶视视角采用高速阴影方法直接拍摄大液滴融合初期液桥的生成和扩张情况。光学拍摄结果表明,大液滴融合行为与此前高速电测结果中的ILV阶段和惯性阶段吻合,同时还拍摄到在融合机制转换时液桥中心位置的变化：在液滴融合之前相互靠近的液滴挤压形成环境流体构成的液膜,此液膜半径随液滴靠近速度增加而增大；而依据融合起始点可判定两液滴由融合过程向碰并过程的转变。