双曲线无脊薄壁堰在井口泥浆流量测量的应用

为了制造井口泥浆流量计的一次仪表，首先要解决一次仪表的关键部位-薄壁堰的过水断面问题。要求过水断面的形状能使流量(Q)与水头(H)之间的关系成正比例变化，以便测得稳定的准确的连续流量和简化一次仪表上的转换器制造。为此，笔者设计了过水断面形状，并通过室内实验，得到了较为理想的85-01号薄壁堰。但要应用于流量计的一次仪表还有待进一步研究。
1、试验目的
在钻进过程中，及时掌握井口泥浆流量的变化情况，对分析井下地层有无漏失、井涌以及优选有关参数实现平衡地层压力钻井具有重要意义。目前，在开口槽中测量泥浆瞬时流量的一次仪表上，只有几种不同形状的薄壁堰（矩形、直角三角形和梯形等），它们的流量和水头的变化均为指数变化关系，即非线性变化，所以满足不了连续测量的需要。重庆石油仪修厂于1971年在试制全自动气测仪的过程中，笔者曾提出以双曲线薄壁堰做井口泥浆流量计的一次仪表的方案。经过室内水力学实验和现场生产试验，表明这种有脊的双曲线薄壁堰的流量与作用水头之间的变化关系基本上是线性的；流量系数随作用水头的升高略有增大，但在泥浆槽中工作时，堰口下面的脊（堰口底边离水槽底的高度）阻挡了泥浆，产生了沉沙，需要每隔一定时间清除一次沉沙（见图1）。显然，这样的一次仪表不受现场工作人员所欢迎。近来，又设计出下方开有补偿孔的无脊双曲线薄壁堰，进行了水力学实验（见图2）。

2、双曲线薄壁堰及其补偿底孔的工作原理

1.双曲线薄壁堰的线性流量特征

如图3所示，当薄壁堰口尺寸的变化关系为双曲线时，由于流速故流量Q

（1）式表明，双曲线薄壁堰的通过流量与作用水头之间，具有线性变化关系。

2.矩形底孔的补偿作用

根据双曲线薄壁堰口尺寸变化关系为即纵坐标y值趋近于零时，横坐标x值趋近无穷大。这在堰板的实际制作上是无法实现的。若将堰口曲线的最低纵坐标取为yo，在yo一下至（-yo）增开一矩形，即高为2yo，宽为2x。的补偿孔，从数学上可以证明，坐标原点以下所增大的矩形面积（A补）正好等于舍去的曲边面积（A补）。由图3可知

（2）与（3）式比较可得

A内=A补=A外

3、试验方法及结果

为了分别进行有补偿孔和无补偿孔两种情况下无脊双曲线薄壁堰的流量特性试验，用尺寸缩小成1/10的模型进行室内水力学实验。如图4所示，将两种薄壁堰（见图5和图6）焊接在水槽出口处。实验结果见表1和表2。

4、初步认识

用85-01号和85-02号两种双曲线薄壁堰，在试验水槽端安装成无脊有补偿孔和无补偿孔两种情况，进行了多次实验，所得数据通过整理，画出流量特性曲线，见图7和图8。

根据上述实验，得到以下认识：

1.具有补偿底孔的双曲线无脊薄壁堰（见图7），在作用水头超过补偿孔以上时，通过流量与作用水头之间具有较好的线性变化关系，其流量系数K值基本保持在20.5cm³/s·mm左右。

2.无补偿底孔的双曲线无脊薄壁堰，见图8，其流量与作用水头之间变化关系基本上是线性的，流量系数K值随作用水头升高略有增大。

3.无脊双曲线薄壁堰在工作时对液流中的泥沙无阻挡作用，可用于开口槽中测量含有固体颗粒的液体流量。

4.具有补偿孔的双曲线无脊薄壁堰，在作用水头很低的情况下其流量与作用水头之间的变化关系是非线性的。但在高作用水头下其流量系数K却保持不变，这与钻井条件下井口流量大，作用水头高德情况相一致。故此种双曲线无脊薄壁堰作为井口泥浆流量连续测量的一次仪表是比较适合的。