微机全自控毛细管狭缝流变仪.pdf

第移第期酉声石油 学院学 报玉,年月微机全自控毛细管狭缝流变仪黄逸仁赖琼芳石油开发系摘要这种毛细管狭缝流变仪,采用微型计算机数据采集和控制系统,可以在线或离线自动测量非牛顿 流体的流 变特性,特别适用于地质或石 油钻井液洗井液流变特性的 浏 定。仪器测量范围广,对低粘度和高拈度流体均适 用,测量 准确,自动刚量 时相时误差小手或等于,剪切速率范围为。、秒一,操作方便。主题词非牛顿流体拈度计计其机控制计算机应用中图法分类号月两在石油开发工程中常常涉及到非牛顿流体的输送 和处理,尤其是在石油、地质钻井过程中,要使用大量具有复杂流变特性的泥浆。即时准确测定各种泥浆的流变性是保证安全、优质、快 速进行钻井和完井的重要措施之一。目前,在石油现场和实验室内最常用 的是同心 圆筒式旋转粘度计和圆形截面的毛细管粘度计。这些粘度计轻便、操作简单,但尚不能完全满足要求。为此我们研制了微机全 自控毛细管狭缝流变仪。该仪器在计算机输入指令控制下自动完成定时测量、计算、数据处理、误差修正、打印结果和绘制流变曲线等全部工作,并在仪器响应速度允许的范围内实现数据的快速采集。该仪器采用狭缝流道便于安装传感器,同时流体在狭缝中的流动情况很接近流体在环空中的流动,因此该仪器所测流体的流变参数用于环空有关计算更符合实际情况。该仪器具有在线或离线 自动测定“、“秒一范围内牛顿流体和非牛顿流体的流变性的特点,测量范围广,对低枯度和高粘度流体均适用,测量准确,操作方便。仪器的工作原理毛细管狭缝流变仪的工作原理是使流体流经具有一定高度、宽度和长度的矩形截面一一收稿 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/的毛细管狭缝时将产生压降。而压降的大小与流体的流里、流变特性有关,测定流休流经毛细管狭缝的压降和流量,就可以确定被侧流体的流变性。设狭缝宽度为、高度为、长度为在直角坐标系中,流体的流动方向为其速度场可表示为,二一。因,可只考虑速度沿 方向的变化,于是变形速度张里表示如下入厂。迪蟒经。卿口丁夕勿其偏应力张量可表示为山八皿、巴代入运动方程,并注意到在测粘流区,沿狭缝管偏应力与压力梯度均保持常数,可,一蔽,一下山鱼二上令则从式中解出代入了式得下一一九口习一一一式 中,一彻一粤处作用在流体上的切应力石下在夕处作用在流体上的切应力。几一因体积流量。一。歹,分部积分上式,并利用管壁处边界条件,、。尽下“幼,八少二石一贝,。一”,婴华一口将上式中积分变量夕变换为 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/由式夕二代入式得人。,二二 二丫,丫,二一,止理丝丝口。,一蕊业爪鲤川考虑 到剪切速率,二 二二一口口牙,冰,丫。,一二一石,丫将上式对,求导数得礼一奋“十一荟式中礼一在,一要处流体的剪切速率由“,式、一会此”将式和式代入又式得礼一器一号十合一备、夕则护,二视枯度将并令厂上佗华卜二十 二 一 共 丫二典子之、丁”二子三、式代入式件,得勺二凡作,玩夕干由式、式、式可以看出,只要侧得被侧流 体的流童和相应的压降就可以确定剪切应力、,剪切速率和视枯度,代入适当的流变模式则可确定被侧流体的流变参数。仪器的结构仪器由电控计量泵、稳压容器、毛细管狭缝流道和压力传感器、流体收集器、微型 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/计算机数据采集控制系统和输出系统组成如图所示。电控计量 浆直通阀稳压容器滤器压力表直通阀滤 阀槽池毛细管狭缝压 力传 感器流体收集器微型计算机操作拉制器数据输出装置口口,泊图仪器结构示意图毛细管狭缝是具有矩形截面的毛细管,其上装有一个压力传感器。电控计量泵将定量被测流休从槽池经滤 阀和滤器泵入稳压容器,然后经毛细管狭缝流入收集器,流至槽池。装于毛细管狭缝上的压力传感器测定流体经压力传感器至出口处的压降。压力信号经传感器转换为 电信号,放大后经模数转换器送入计算机,在计算机 中进行计算、数据处理后,将结果送 至数据输出装置。一输出方式可采用屏幕显示、打印结果和绘制流变曲线等。该仪器可根据测量要求由程序控制采集时间,实现定时测量。计算泵的排量 由计算机控制,排量的大小由程序给定,相应子该排量下的控制信号由程序给定后经数摸转换器转换成摸拟信号后送 至操作控制器飞用操 作控制器可 以对泵的排量进行 自动和手动调整操作。自动操作时,整个测量过程包括流变参数和流变曲线的测定按程序自动进行手动操作时,除手动给定计量泵的排量外,其它如数据采集、计算、数据处理、输出仍然 自动进行。在石油钻井过程中,需要同时采集的数据较多,如转速、钻压、扭矩等,采样间隔时间短,故本仪器采用个摸拟量输入通道差动输入时为个,个摸拟量输出通道,位微处理机高速数据采集控制系统,以便和其它参数的采集、数据处理共用一台材,图仪器工作 原理图微机。该系统邮一微型计算机和、转换板、压力传感器、输出装置等组成如图所示。、转换板输入和输出信号为、士 伏,采样频率最高为转换精度。一工。一由于本仪器来用子微型计算机进行数据采集和控制,计量泵的排量可以无级 自动调整,从而实现了在线或离线自动测定流变参数和流一变曲线,更换不同量程的传感器和不同几何尺寸的毛细管狭缝可实现剪切速率切毛卜鲜秒”范围内各种粘度流体流变性的测定,以及 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/从层流至紊流状态减阻特性的测定,并可进行各种流变摸式宾汉、幕律、卡森、罗伯逊斯蒂夫、赫谢尔巴克莱等摸式流变参数的确定。仪器的标定为了检验仪器的工作原理、测试方法 的正确性和仪器 的精确程度,采用清水进行标定。在层流状态下根据毛细管狭缝流变仪所表粘度相对误差手 动操作温度件卜。序号二一“一“测数据,按照有关公式计算出水的粘度林,并用所测水温根 据经验公式计算出水的粘度卜,由协和林可确定相对误差。生竺二旦在手动操作下,仪器测得水的粘度如表所示,由表可见其相对误差。在 自动操作下测得水的粘度如表所示,表中件平均为平均粘度,为相关系数,由于自动调整排量时存在偏差,其测量精度较手动操作时低,一般相对误 差,这可以满足工业上监测的要求。表粘度相对误差自操动作温度序号林二林平均。一一。结论所研制的用于非牛顿流体流变特性测定的毛细管狭缝流变仪的结构和测定方法是可行的。研制的微机数据采集和控制系统实现了非牛顿流体流变特性在线或离线自动测定。用水标定结果表明毛细管狭缝流变仪有较高的测量精度,粘度的测量范围和剪切速率范围宽,能满足工业监测的要求。参考文献 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/,陈文芳非牛顿流体力学科学出版社,张福炎,周根林等微型计算机的原理与应用南京大学出版社,吕一丫阴炸乙石欠乙址一一一,一,。“一,国际石油经济研讨会在无锡举行由中国石油学会经济学会主办的国 际石油经济研讨会于十月中旬在江苏无锡市举行。参加这次会议的有美、苏、日等八个国家的代表和中方代表多人,我院管理工程系主任李光耀出席了会议并宣读了 由他撰写的论 文关于石油工业 的定量经济决 策问题。科韩 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/