非滿管流量測量儀的設(shè)計

張吉軍，孟祥卿，申 欽，凡建超

(1.西南石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，四川成都 610500；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

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非滿管流量測量儀的設(shè)計

張吉軍1，孟祥卿1，申 欽2，凡建超2

(1.西南石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，四川成都 610500；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

針對現(xiàn)行的流量計只適用于滿管情況，在測量非滿管流量的過程中存在的效率低、準(zhǔn)確性差等問題，設(shè)計了一種用于測量非滿管流量的智能測量儀。該儀器主要采用扭矩傳感器和角度傳感器對設(shè)備的扭矩、角度等信息進(jìn)行采集，并通過MATLAB仿真技術(shù)對測量結(jié)果進(jìn)行相關(guān)處理最后計算出非滿管流量計的流量。理論分析和實驗結(jié)果表明該裝置適用于非滿管流量的測量，極大地提高了非滿管流量測量的精度并且成本低廉，實現(xiàn)了非滿管流量測量的智能化。

非滿管流量測量；流量；扭矩傳感器；MATLAB；密度;液位

0 引言

在鉆井過程中(鉆進(jìn)、固井、測試或修井等各種井下作業(yè))，泥漿、水泥或其他工作液漏失到地層中的現(xiàn)象，稱為井漏。而井內(nèi)流體層壓力大于鉆井液或洗井液柱靜壓力時,含流體層中的流體或氣體將侵入井筒內(nèi),積累至一定量后,隨井筒內(nèi)液體循環(huán)至井口,在井口形成沸騰狀,這種現(xiàn)象稱為井涌。而井涌往往是井噴的先兆，因此，對此種現(xiàn)象必須要高度重視[1]。

當(dāng)下監(jiān)測鉆井作業(yè)過程中判斷是否發(fā)生井漏、井涌的方法主要為體積守恒法[2]，若抽出的泥漿體積大于灌入的泥漿體積，則可認(rèn)為發(fā)生了井涌；若小于，則可視作發(fā)生了井漏。

現(xiàn)在工業(yè)上用的較多的是電磁流量計，但是電磁流量計也存在著許多不可忽視的問題，如液體中含有氣泡和非滿管的現(xiàn)象、電極腐蝕、電極結(jié)垢及電極短路和襯里變形等情況，尤其是對于非滿管條件時的流量測量，電磁流量計存在著很大的測量誤差[3]。因此，本文提出了一種在非滿管條件下，泥漿流量測量的設(shè)計方案。

1 測量原理及裝置介紹

1.1 測量裝置介紹

圖1為測量裝置簡要示意圖，其中容器A為鉆井管道出口處的一開口容器。容器內(nèi)為從井底流出的泥漿液。轉(zhuǎn)動軸B靠電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。部件C為安裝在部件B上的一個連桿。其尾端連接著一個固定容積的容器D。

圖1 測量裝置示意圖

其中容器D主要有2個作用：第一、用來從容器中舀出一定體積的液體；第二、用來阻擋液體流動，產(chǎn)生壓差。轉(zhuǎn)動軸B與連桿C的連接處裝有一個扭矩傳感器[4]，一個角度傳感器[5]。測量裝置的示意圖如圖2所示。

圖2 測量裝置的示意圖

1.2 橫截面積測量原理及方法

對于非滿管情況下的流量測量，它的橫截面積是不確定的，所以我們需要測出流體的液面高度，從而求出流體的橫截面積，然后結(jié)合流體的流速計算出流量[6]。如圖3所示，為靶板(為一容器)從液體中離開的時刻。此時可測量得到液位高度h為

h=H-Lsinα

(1)

式中：H為轉(zhuǎn)動軸B與容器A底部的高度，m；L為連桿C的長度，m；α為角度傳感器檢測出連桿與水平方向所成的角度，(°)。

圖3 液位測量原理示意圖

圖3中，圖示位置為容器D離開液面的臨界位置。設(shè)此時刻為t0時刻，則t0-，容器還處于水中，受到液體浮力，轉(zhuǎn)動軸B上的扭矩傳感器可以檢測到很小的力矩。而t0+時刻，容器D離開液面，并從液體中舀出一定質(zhì)量的液體，此時，轉(zhuǎn)動軸B上的扭矩傳感器檢測到的為一稍大的力矩。根據(jù)此特性，可以確定t0時刻，并通過角度傳感器檢測到此時如圖1所示的角度α，根據(jù)式(1)則能求出液位高度。那么可以得到橫截面積A為：

當(dāng)h

(2)

當(dāng)h>R時，

(3)

式中：R為排水管的半徑，m；h為測量出來的液面高度，m。

1.3 流速測量原理及方法

非滿管流量測量儀流速測量原理源于靶式流量計[7]：當(dāng)介質(zhì)在測量管中流動時，因其自身的動能與靶板產(chǎn)生壓差，而產(chǎn)生對靶板的作用力，使靶板產(chǎn)生微量的位移，其作用力的大小與介質(zhì)流速的平方成正比，其數(shù)學(xué)公式：

F=Cd·A·ρ·v2/2

(4)

式中：F為靶板所受的作用力，N；Cd為流體阻力系數(shù)；A為靶板對測量管軸向投影面積，m2；ρ為工況下介質(zhì)密度，kg/m3；v為介質(zhì)在測量管中的特征流速，m/s。

從而可以推導(dǎo)出流速大小為

(5)

如果已知了F、A、ρ和Cd這些數(shù)據(jù)，可以將流速v1求出。其中流體阻力系數(shù)Cd可以由工業(yè)給出并且橫截面積A已由1.2得出，所以下面將介紹本設(shè)計中測量作用力F和密度ρ的方法。

1.3.1 作用力F的測量

作用力F是由扭矩傳感器測出，如圖4所示，當(dāng)容器D逆時針旋轉(zhuǎn)至如圖4所示的位置(即角度傳感器檢測出連桿C與水平方向成90°)時，轉(zhuǎn)動軸B上的扭矩傳感器測出泥漿液對F的沖力。

圖4 作用力F測量示意圖

此時作用力F為

(6)

式中：T為扭矩，N·m；L為連桿C的長度，m；θ為角度傳感器檢測出連桿C與水平方向的角度(此處即為90°)，(°)。

所以只要讀出此時扭矩傳感器的示數(shù)并測量出連桿的長度，即可以算出作用力F。

1.3.2 密度ρ的測量

如圖4所示，當(dāng)連桿C逆時針旋轉(zhuǎn)至部件B下方時，從容器A中取樣一定質(zhì)量的液體。而當(dāng)連桿C旋轉(zhuǎn)至如圖5所示的位置(即角度傳感器檢測出連桿C與水平方向成180°)時，安裝在轉(zhuǎn)動軸B上的扭矩傳感器測出當(dāng)前的容器D與容器D中液體的質(zhì)量。

圖5 密度測量示意圖

此時密度ρ為

ρ=(T1/Lg-M0)/V0

(7)

式中：T1為角度傳感器檢測出連桿C與水平方向成180°角時扭矩傳感器的示數(shù)，N·m；L為連桿C的長度，m；g為重力系數(shù)，N/kg；M0為容器D的空載質(zhì)量，kg；V0為容器D的體積，m3。

此時F和ρ均已測出，則可根據(jù)式(5)算出流體的流速v。再根據(jù)式(8)就可以計算出流體的流量了。

Q=AV

(8)

2 實驗結(jié)果

為了驗證本實驗方法的正確性和可靠性，做了一個實際裝置。該裝置的正視圖、俯視圖和局部圖如圖6所示。

本實驗采用多次測量取平均值的方法，實驗測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗測得的數(shù)據(jù)

S流體阻力系數(shù)Cd取0.038 6，到此除角度和扭矩這兩個數(shù)據(jù)外，其他待測數(shù)據(jù)已全部測出。角度和扭矩由角度傳感器和扭矩傳感器測得，用MATLAB得出仿真結(jié)果，圖7為某次測量的仿真曲線。多次試驗測得的特殊時刻的角度和扭矩如表2所示。

(a)正視圖

(b)俯視圖

(c)局部圖圖6 非滿管流量計

圖7 角度與扭矩同步測量結(jié)果示意圖

實驗次數(shù)T/(N·m)T1/(N·m)α/(°)10.3470.886145.420.3530.893143.530.3460.879146.240.3490.883147.350.3450.882144.9平均值0.3480.885145.4

其中T為當(dāng)α=90°時的扭矩，多次測量取平均值0.348 N·m；T1為當(dāng)α=180°時的扭矩，取平均值0.885 N·m；α為當(dāng)扭矩發(fā)生很大變化時的角度，取平均值145.4°。綜合所有測量數(shù)據(jù)算得流量Q=14.946 m3/s。

3 結(jié)論

本文中提出的設(shè)計方法成本相對較低，同時能很好地滿足井漏、井涌的預(yù)警需求。該測量方法具有很強(qiáng)的實際意義，其發(fā)展前景十分廣闊。

[1] 楊勇,胡書林,陳開聯(lián).鉆井工程事故分析與預(yù)報.錄井技術(shù),2003(2):54-59.

[2] 朱文鑒,李硯藻.井涌井漏實時預(yù)測策略研究.國外地質(zhì)勘探技術(shù),1996(2):29-33.

[3] 霍亮生,顧祖寶,喻岫杏.基于多種勵磁方式的電磁流量計控制系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器,2014(2):29-31.

[4] HOU Y L,YAO J T,ZENG D X,et al.Development and calibration of a hyperstatic six-component force/torque sensor.Chinese Journal of Mechanical Engineering,2009(4):505-513.

[5] 馬軍山,王向朝,方祖捷,等.精密角度傳感器及其標(biāo)定技術(shù)的研究.光學(xué)學(xué)報,2001(2):232-235.

[6] 衛(wèi)開夏,李斌,陳堅禎.非滿管電磁流量計液位測量方法研究.傳感技術(shù)學(xué)報,2008(12):2106-2110.

[7] 袁中林,梁君英.靶式流量計的分類及應(yīng)用.自動化儀表,2008(4)：67-70.

Design of Flow-measurement in Partially Filled Pipes

ZHANG Ji-jun1,MENG Xiang-qing1,SHEN Qin2,FAN Jian-chao2

(1.College of Economics and Management,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.College of Information Science and Engineering,Center South University,Changsha,410075,China)

The current flow meter is only applied to full filled pipes.Through the research on low efficiency and poor accuracy existed in the current measuring process for partially filled pipes,a new smart meter for non-full pipes was introduced in this paper.This instrument mainly used torque sensors and angle sensors to collect the information of equipment such as torque，angle and so on.Furthermore,the MATLAB simulation technology was used to calculate the non-full pipes’ current from the measured data.The theoretical analysis and experiment results indicat that this instrument is suitable to be used for measuring the flow of partially filled pipes,which greatly improves the accuracy of the non-full pipe flow measurement as well as its cost is low,and it helps realizing the intelligent measuring of the non-full pipes’ current.

current-measurement in partially filled pipes;flow;torque sensors;matlab;proportion;liquid level

2015-01-23 收修改稿日期：2015-08-02

TP216

A

1002-1841(2015)10-0040-03

張吉軍(1963—)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事管理科學(xué)與工程、技術(shù)經(jīng)濟(jì)及管理、項目管理、石油工程管理等方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：swpuzjj@163.com