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閱讀：254發(fā)布時間：2021-12-20
四電極電磁流量計磁場分布特性數(shù)值模擬
[摘.. 要] 文章開展了四電極電磁流量計磁場分布數(shù)值模擬研究工作。采用有限元分析方法計算了四電極電磁流量計磁場分布特性, 考察了四電極電磁流量計權(quán)重函數(shù)分布。分析了儀器偏心、流體磁導(dǎo)率對磁場分布影響。為正確理解注聚井中四電極電磁流量計測量響應(yīng)特性提供了理論分析基礎(chǔ), 指出了采用有限元技術(shù)是分析電磁流量計測量特性的較好途徑。
[關(guān)鍵詞] 流量測量; 四電極電磁流量計; 磁場分布; 數(shù)值模擬
隨著油田已進(jìn)入三次采油階段, 注聚合物驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)成為油田提高原油采收率的重要手段之一。注聚合物驅(qū)油原理是提高注入粘彈性聚合物溶液流體粘度, 增大聚合物流體平面及縱向波及面積, 減少注入流體在高滲透率地層中的竄流, 提高巖芯微觀驅(qū)油效率, 最終達(dá)到減少殘余油飽和度與提高原油采收率目的[ 1~ 2] 。為使聚合物溶液進(jìn)入預(yù)先設(shè)定油層并能得到一個較為均勻的聚合物驅(qū)前緣, 需要準(zhǔn)確確定從注聚井中進(jìn)入各油層聚合物的注入量, 所以, 注聚井中流量測量是注聚三次采油技術(shù)中一項(xiàng)重要測試內(nèi)容。由于電磁流量計無轉(zhuǎn)動部件, 實(shí)際測試時不破壞聚合物分子結(jié)構(gòu), 對測試環(huán)境無放射性污染且不受聚合物溶液粘度和密度影響, 所以, 大慶油田在注聚井中推廣使用了外流式四電極電磁流量計測井方法。自早期電磁流量計基本理論建立以來[ 3~ 5] , 雖然電磁流量計在理論及技術(shù)上有了很大發(fā)展[ 6~ 15] , 但是, 由于影響電磁流量計測量精度因素很多, 從流場及磁場分布角度綜合分析電磁流量計響應(yīng)特性仍然是值得研究領(lǐng)域, 尤其是近年來隨著計算流體力學(xué)及電磁場有限元分析技術(shù)迅速發(fā)展, 為解決復(fù)雜流動及磁場分布條件下的電磁流量計響應(yīng)預(yù)測問題提供了良好機(jī)遇。由于儀器傾斜與偏心、流體電磁特性變化等因素都會給電磁流量計響應(yīng)帶來影響, 這些測井環(huán)境因素對電磁流量計響應(yīng)影響需要從數(shù)值模擬角度給予理論分析, 從而為注聚井中電磁流量計流量測井提供理論分析基礎(chǔ)。本文重點(diǎn)分析了四電極電磁流量計磁場分布特性, 考察了四電極電磁流量計權(quán)重函數(shù)分布, 并分析了儀器偏心及流體磁導(dǎo)率變化因素對磁場分布特性影響, 為正確理解四電極電磁流量計測量特性提供了理論分析方法。
1.. 注聚井中四電極電磁流量計
圖1為外流式四電極電磁流量計測井儀器示意圖。儀器由上下扶正器、傳感器、電路筒及電池倉等部分組成, 其中傳感器是流量計的核心部分, 上下扶正器用于在測量時使流量計居于套管位置。四電極電磁流量計采用四個均勻相隔分布排列的勵磁線圈及四個測量電極, 相對于單對電極的電磁流量計而言, 這種勵磁結(jié)構(gòu)的磁場分布相對比較均勻, 有利于減小由于磁場分布不均勻所帶來的測量誤差。傳感器部分主要由磁路系統(tǒng)、測量導(dǎo)管、電極、外殼、干擾調(diào)整裝置及若干引線組成。儀器采用外流式結(jié)構(gòu)。儀器結(jié)構(gòu)尺寸為: 儀器外徑為35mm, 其中測量電極段外徑為33..8mm, 傳感器長度為44..5mm。儀器總長度為1200mm。圖1.. 外流式四電極電磁流量計測井儀器圖
2.. 四電極電磁流量計測量區(qū)域內(nèi)磁場分布
為獲得測量區(qū)域內(nèi)磁場分布, 采用ANSYS 商用有限元分析軟件對電磁流量計磁場分布特性進(jìn)行仿真。由麥克斯韋方程導(dǎo)出的3 分量矢量泊松方程如下: .. ..x 1.. ..Ax ..x + .. ..y 1....Ax ..y + .. ..z 1....Ax ..z = - Jx ( 1) .. ..x 1.. ..Ay ..x + .. ..y 1....Ay ..y + .. ..z 1....Ay ..z = - Jy ( 2) .. ..x 1....Az ..x + .. ..y 1....Az ..y + .. ..z 1....Az ..z = - Jz ( 3) 對于本文所使用的二維平面場(X - Y 平面) , 矢量磁勢A..和電流密度J..相互平行且只有z 方向分量, 即: Ax = Ay = 0, Az =A .. ; Jx = Jy = 0, Jz = J .. , 則由( 3) 式可得: .. ..x 1.. ..A.. ..x + .. ..y 1....A.. ..y = - J.. ( 4) 所用模型中介質(zhì)為線性介質(zhì), 磁導(dǎo)率..為一常數(shù), 故上式可簡化為: .. ..x ..A.. ..x + .. ..y ..A.. ..y = - ..J.. ( 5) 在使用ANSYS 有限元計算時, 自由度為磁勢, 施加載荷時只要在各線圈上施加電流密度值即可。模型有兩種邊界條件: ( 1) D irich let條件( AZ約束) : 磁通量平行于模型邊界; ( 2) N eumann條件(自然邊界條件) : 磁通量垂直于模型邊界。第二種條件為默認(rèn)的邊界條件。對于電磁流量計在管道中的模型, 只需滿足自然邊界條件。故施加了電流密度后, 即可進(jìn)行計算。在施加電流密度時, 可用下式計算: J .. = n i .. a ( 6) 式中: J.. 為電流密度; n 為線圈的匝數(shù); i .. 為通入線圈的電流; a為線圈的橫截面積。在ANSYS環(huán)境下用有限元法求解的關(guān)鍵是對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖2 ( a) 為用于磁場計算建立的分區(qū)介質(zhì)模型, 圖2 ( b) 為磁場計算網(wǎng)格剖分模型, 可以看出: 在靠近線圈和電極的部分網(wǎng)格剖分較密, 而在其它部分則較稀疏, 劃分后網(wǎng)格劃分單元數(shù)為3577。在進(jìn)行有限元分析時, 需要給每種材料施加磁導(dǎo)率屬性, 圖2 ( a) 中將六種不同屬性材料用不同顏色顯示出。模型中有六種不同的材料: 填料、線圈、電極、1C r18N i9Ti、聚四氯乙烯襯里、流體(可假定為水)。將六種不同屬性的材料用不同顏色顯示設(shè)置好各種材料的磁導(dǎo)率, 施加電流密度后, 即可計算磁場分布。由于儀器結(jié)構(gòu)尺寸非常對稱, 儀器位于管道中心, 通電后四個線圈相當(dāng)于交替放置的N 極與S極, 故產(chǎn)生的磁場也是對稱分布的。流體從儀器與油管環(huán)形空間流過, 切割磁力線產(chǎn)生感生電勢, 通過四個對稱分布的電極即可進(jìn)行測量。磁場仿真計算結(jié)果如圖3所示, 從圖中可以看出:圖2.. 儀器在油管中磁場分析模型及網(wǎng)格剖分圖圖3.. 儀器與油管環(huán)形測量區(qū)域磁場分布圖在儀器與油管環(huán)形空間內(nèi)磁場幾乎是均勻分布的, 尤其是在靠近儀器探頭表面區(qū)域磁力線分布更加密集均勻, 所以, 該部分應(yīng)有較高測量靈敏度。整體上說四電極電磁流量計具有較均勻的磁場分布特點(diǎn), 這有利于四電極電磁流量計聚合物流量測量。
3.. 儀器偏心對磁場分布影響
在儀器使用過程中, 由于各種環(huán)境因素的影響, 有時儀器并不一定處于管道中心位置, 而會偏離中心一定的距離, 此時激勵線圈產(chǎn)生的磁場在管道內(nèi)分布情況也發(fā)生變化。圖4 為儀器在管道中向右偏心1mm、2mm、3mm、4mm 時磁通線分布, 可以看出: 當(dāng)儀器偏離中心位置時, 儀器與油管環(huán)形空間內(nèi)磁通線呈非對稱分布; 隨著儀器向右繼續(xù)偏移, 右邊磁通線分布明顯密集, 而左邊則分布明顯稀疏。圖4.. 儀器偏心時磁通線分布圖因此, 井下四電極電磁流量計用于測量時, 儀器應(yīng)盡量在井內(nèi)保持居中位置, 只要儀器發(fā)生偏心, 在管道中激勵磁場分布就會發(fā)生變化, 隨之電磁流量計權(quán)重函數(shù)分布也就會發(fā)生變化, 進(jìn)而流體切割磁力線時產(chǎn)生的感應(yīng)電勢發(fā)生變化, 最終導(dǎo)致儀器測量結(jié)果因偏心產(chǎn)生較大誤差。
4.. 流體磁導(dǎo)率對磁場分布影響磁性是一切物質(zhì)都具有的屬性, 物質(zhì)的磁性與原子、離子或分子組成的微觀結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系, 而磁導(dǎo)率是表征物質(zhì)磁化能力的物理量。清水與聚合物溶液物質(zhì)具有不同的分子結(jié)構(gòu), 所以, 在電磁流量計激發(fā)磁場條件下, 這兩種物質(zhì)產(chǎn)生的磁化效果是不相同的。孫作達(dá)等[ 16] 采用電磁感應(yīng)方法定性地對空氣、水及300萬~ 800萬分子量的聚丙烯酰胺溶液(聚合物) 進(jìn)行了磁導(dǎo)率測試分析, 研究得出的結(jié)論是: 空氣磁導(dǎo)率; 純水次之; 聚丙烯酰胺溶液。這個實(shí)驗(yàn)測試分析結(jié)果對我們定性分析清水及聚合物溶液中的電磁流量計測量響應(yīng)特性有實(shí)際意義。以下我們考察四電極電磁流量計測量場域內(nèi)水及聚合物溶液介質(zhì)的磁場分布特性。設(shè)定水的相對磁導(dǎo)率為..r = 1, 聚合物溶液相對磁導(dǎo)率為..r = 0..5。圖5 為測量場域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁通線分布, 可以看出: 聚合物溶液產(chǎn)生的磁通線稀疏, 而水中磁通線密度比圖5.. 水及聚合物介質(zhì)時磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁通線分布圖聚合物要大。一般來說, 磁通線密度越大, 磁感應(yīng)強(qiáng)度也越大, 其電磁流量計測量靈敏度就越高。根據(jù)圖5中磁感應(yīng)強(qiáng)度分布就可以計算其平均值。圖6為平均磁感應(yīng)強(qiáng)度B 與相對磁導(dǎo)率..r 的關(guān)系圖, 表明了流體介質(zhì)磁導(dǎo)率變化對磁場強(qiáng)度有較大影響。
5.. 四電極電磁流量計權(quán)重函數(shù)分布
根據(jù)Sherc liff電磁流量計測量理論有[ 4] : U = ..S v .. .. (B.. .. .. G ) ds ( 7) 令w .. = .. G, 則上式寫為: U = ..S v .. (B.. ..w .. ) .. ds ( 8) 圖6.. 平均磁感應(yīng)強(qiáng)度與流體介質(zhì)相對磁導(dǎo)率關(guān)系圖2 式中: w .. 為權(quán)重函數(shù); v.. 為局部流速; B.. 為磁感應(yīng)強(qiáng)度。權(quán)重函數(shù)w .. 物理意義: 磁場分布不同時, 流體流過磁場時在管道截面上流體微元切割磁力線時產(chǎn)生的感應(yīng)電勢對總感應(yīng)電勢貢獻(xiàn)大小。由( 8) 式可知, 當(dāng)權(quán)重函數(shù)w 及流速剖面v為非軸對稱時, 流量測量會產(chǎn)生較大的誤差。四電極電磁流量計權(quán)重函數(shù)可認(rèn)為是兩電極權(quán)重函數(shù)的疊加。兩電極權(quán)重函數(shù)的表達(dá)式可表示為[ 4] : w (x, y ) = a2 .. ( a2 + x2 - y2 ) a4 + 2a2 ( x2 - y2 ) + ( x2 + y2 ) 2 ( 9) 則四電極權(quán)重函數(shù)可以寫為: w ( x, y ) = a2 .. ( a2 + x2 - y2 ) a4 + 2a2 (x 2 - y2 ) + (x 2 + y2 ) 2 + .. .. .. .. .. a2 .. ( a2 + y2 - x2 ) a4 + 2a2 (y 2 - x2 ) + (x 2 + y2 ) 2 ( 10) 式中: a為管子半徑。對于外流式四電極電磁流量計來說, 只需要將方程( 10) 中的相應(yīng)變量轉(zhuǎn)換到儀器與油管環(huán)形空間坐標(biāo)即可, 計算出的外流式電磁流量計權(quán)重函數(shù)如圖7 所示?？梢钥闯? 4個勵磁線圈位置處權(quán)重函數(shù)值高, 說明此處對感應(yīng)電勢的貢獻(xiàn)大, 其它區(qū)域權(quán)重函數(shù)值低, 說明這個區(qū)域?qū)Ω袘?yīng)電勢的貢獻(xiàn)小。從圖7中也可以看出: 在儀器與油管環(huán)形測量區(qū)域內(nèi)權(quán)重函數(shù)分布還是比較均勻的, 這有利于流量測量精度的提高。圖7.. 外流式四電極電磁流量計的權(quán)重函數(shù)分布圖
6.. 結(jié)論
( 1) 理論上計算了四電極電磁流量計磁場分布, 指出了四電極電磁流量計具有對稱分布的磁場分布特性, 且靠近電極附近其更高的權(quán)重函數(shù)分布, 并具有更好的流量測量靈敏度。
( 2) 分析了儀器偏心及流體磁導(dǎo)率變化對四電極電磁流量計磁場分布的影響, 由此推論出這些影響因素會導(dǎo)致電磁流量計響應(yīng)會偏離理想條件下響應(yīng)輸出。
( 3) 基于磁場有限元分析技術(shù)的電磁流量計響應(yīng)數(shù)值模擬研究有助于電磁流量計測量特性進(jìn)一步認(rèn)識。[參考文獻(xiàn)] [ 1] H an D..K.., Y ang C..Z.., Zhang Z..Q.., Lou Z..H.., ChangY.. Recent deve lopm ent of enhanced o il recove ry in Ch ina [ J] . Journal o f Petro leum Science and Eng inee ring, 1999, 22: 181- 188.. [ 2] 王德民, 程杰成, 吳軍政, 王剛.. 聚合物驅(qū)油技術(shù)在大慶油田的應(yīng)用[ J] .. 石油學(xué)報, 2005, 26 ( 1) : 74- 78.. [ 3] 謝榮華.. 創(chuàng)新監(jiān)測技術(shù), 服務(wù)油田開發(fā), 為創(chuàng)建百年油田提供可靠技術(shù)保障[ J] .. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā), 2006, --擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網(wǎng)站：
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