非满管流量测量仪的设计

张吉军，孟祥卿，申 钦，凡建超

(1.西南石油大学经济管理学院，四川成都 610500；2.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410075)



非满管流量测量仪的设计

张吉军1，孟祥卿1，申 钦2，凡建超2

(1.西南石油大学经济管理学院，四川成都 610500；2.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410075)

针对现行的流量计只适用于满管情况，在测量非满管流量的过程中存在的效率低、准确性差等问题，设计了一种用于测量非满管流量的智能测量仪。该仪器主要采用扭矩传感器和角度传感器对设备的扭矩、角度等信息进行采集，并通过MATLAB仿真技术对测量结果进行相关处理最后计算出非满管流量计的流量。理论分析和实验结果表明该装置适用于非满管流量的测量，极大地提高了非满管流量测量的精度并且成本低廉，实现了非满管流量测量的智能化。

非满管流量测量；流量；扭矩传感器；MATLAB；密度;液位

0 引言

在钻井过程中(钻进、固井、测试或修井等各种井下作业)，泥浆、水泥或其他工作液漏失到地层中的现象，称为井漏。而井内流体层压力大于钻井液或洗井液柱静压力时,含流体层中的流体或气体将侵入井筒内,积累至一定量后,随井筒内液体循环至井口,在井口形成沸腾状,这种现象称为井涌。而井涌往往是井喷的先兆，因此，对此种现象必须要高度重视[1]。

当下监测钻井作业过程中判断是否发生井漏、井涌的方法主要为体积守恒法[2]，若抽出的泥浆体积大于灌入的泥浆体积，则可认为发生了井涌；若小于，则可视作发生了井漏。

现在工业上用的较多的是电磁流量计，但是电磁流量计也存在着许多不可忽视的问题，如液体中含有气泡和非满管的现象、电极腐蚀、电极结垢及电极短路和衬里变形等情况，尤其是对于非满管条件时的流量测量，电磁流量计存在着很大的测量误差[3]。因此，本文提出了一种在非满管条件下，泥浆流量测量的设计方案。

1 测量原理及装置介绍

1.1 测量装置介绍

图1为测量装置简要示意图，其中容器A为钻井管道出口处的一开口容器。容器内为从井底流出的泥浆液。转动轴B靠电机驱动旋转。部件C为安装在部件B上的一个连杆。其尾端连接着一个固定容积的容器D。

图1 测量装置示意图

其中容器D主要有2个作用：第一、用来从容器中舀出一定体积的液体；第二、用来阻挡液体流动，产生压差。转动轴B与连杆C的连接处装有一个扭矩传感器[4]，一个角度传感器[5]。测量装置的示意图如图2所示。

图2 测量装置的示意图

1.2 横截面积测量原理及方法

对于非满管情况下的流量测量，它的横截面积是不确定的，所以我们需要测出流体的液面高度，从而求出流体的横截面积，然后结合流体的流速计算出流量[6]。如图3所示，为靶板(为一容器)从液体中离开的时刻。此时可测量得到液位高度h为

h=H-Lsinα

(1)

式中：H为转动轴B与容器A底部的高度，m；L为连杆C的长度，m；α为角度传感器检测出连杆与水平方向所成的角度，(°)。

图3 液位测量原理示意图

图3中，图示位置为容器D离开液面的临界位置。设此时刻为t0时刻，则t0-，容器还处于水中，受到液体浮力，转动轴B上的扭矩传感器可以检测到很小的力矩。而t0+时刻，容器D离开液面，并从液体中舀出一定质量的液体，此时，转动轴B上的扭矩传感器检测到的为一稍大的力矩。根据此特性，可以确定t0时刻，并通过角度传感器检测到此时如图1所示的角度α，根据式(1)则能求出液位高度。那么可以得到横截面积A为：

当h

(2)

当h>R时，

(3)

式中：R为排水管的半径，m；h为测量出来的液面高度，m。

1.3 流速测量原理及方法

非满管流量测量仪流速测量原理源于靶式流量计[7]：当介质在测量管中流动时，因其自身的动能与靶板产生压差，而产生对靶板的作用力，使靶板产生微量的位移，其作用力的大小与介质流速的平方成正比，其数学公式：

F=Cd·A·ρ·v2/2

(4)

式中：F为靶板所受的作用力，N；Cd为流体阻力系数；A为靶板对测量管轴向投影面积，m2；ρ为工况下介质密度，kg/m3；v为介质在测量管中的特征流速，m/s。

从而可以推导出流速大小为

(5)

如果已知了F、A、ρ和Cd这些数据，可以将流速v1求出。其中流体阻力系数Cd可以由工业给出并且横截面积A已由1.2得出，所以下面将介绍本设计中测量作用力F和密度ρ的方法。

1.3.1 作用力F的测量

作用力F是由扭矩传感器测出，如图4所示，当容器D逆时针旋转至如图4所示的位置(即角度传感器检测出连杆C与水平方向成90°)时，转动轴B上的扭矩传感器测出泥浆液对F的冲力。

图4 作用力F测量示意图

此时作用力F为

(6)

式中：T为扭矩，N·m；L为连杆C的长度，m；θ为角度传感器检测出连杆C与水平方向的角度(此处即为90°)，(°)。

所以只要读出此时扭矩传感器的示数并测量出连杆的长度，即可以算出作用力F。

1.3.2 密度ρ的测量

如图4所示，当连杆C逆时针旋转至部件B下方时，从容器A中取样一定质量的液体。而当连杆C旋转至如图5所示的位置(即角度传感器检测出连杆C与水平方向成180°)时，安装在转动轴B上的扭矩传感器测出当前的容器D与容器D中液体的质量。

图5 密度测量示意图

此时密度ρ为

ρ=(T1/Lg-M0)/V0

(7)

式中：T1为角度传感器检测出连杆C与水平方向成180°角时扭矩传感器的示数，N·m；L为连杆C的长度，m；g为重力系数，N/kg；M0为容器D的空载质量，kg；V0为容器D的体积，m3。

此时F和ρ均已测出，则可根据式(5)算出流体的流速v。再根据式(8)就可以计算出流体的流量了。

Q=AV

(8)

2 实验结果

为了验证本实验方法的正确性和可靠性，做了一个实际装置。该装置的正视图、俯视图和局部图如图6所示。

本实验采用多次测量取平均值的方法，实验测得的数据如表1所示。

表1 实验测得的数据

S流体阻力系数Cd取0.038 6，到此除角度和扭矩这两个数据外，其他待测数据已全部测出。角度和扭矩由角度传感器和扭矩传感器测得，用MATLAB得出仿真结果，图7为某次测量的仿真曲线。多次试验测得的特殊时刻的角度和扭矩如表2所示。

(a)正视图

(b)俯视图

(c)局部图图6 非满管流量计

图7 角度与扭矩同步测量结果示意图

实验次数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为当α=90°时的扭矩，多次测量取平均值0.348 N·m；T1为当α=180°时的扭矩，取平均值0.885 N·m；α为当扭矩发生很大变化时的角度，取平均值145.4°。综合所有测量数据算得流量Q=14.946 m3/s。

3 结论

本文中提出的设计方法成本相对较低，同时能很好地满足井漏、井涌的预警需求。该测量方法具有很强的实际意义，其发展前景十分广阔。

[1] 杨勇,胡书林,陈开联.钻井工程事故分析与预报.录井技术,2003(2):54-59.

[2] 朱文鉴,李砚藻.井涌井漏实时预测策略研究.国外地质勘探技术,1996(2):29-33.

[3] 霍亮生,顾祖宝,喻岫杏.基于多种励磁方式的电磁流量计控制系统.仪表技术与传感器,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] 马军山,王向朝,方祖捷,等.精密角度传感器及其标定技术的研究.光学学报,2001(2):232-235.

[6] 卫开夏,李斌,陈坚祯.非满管电磁流量计液位测量方法研究.传感技术学报,2008(12):2106-2110.

[7] 袁中林,梁君英.靶式流量计的分类及应用.自动化仪表,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

张吉军(1963—)，博士，教授，博士生导师，主要从事管理科学与工程、技术经济及管理、项目管理、石油工程管理等方面的教学与研究工作。E-mail：swpuzjj@163.com