四電極電磁流量計(jì)磁場(chǎng)分布特性數(shù)值模擬四電極電磁流量計(jì)磁場(chǎng)分布特性數(shù)值模擬
[摘.. 要] 文章開(kāi)展了四電極電磁流量計(jì)磁場(chǎng)分布數(shù)值模擬研究工作。采用有限元分析方法計(jì)算了四電極電磁流量計(jì)磁場(chǎng)分布特性, 考察了四電極電磁流量計(jì)權(quán)重函數(shù)分布。分析了儀器偏心、流體磁導(dǎo)率對(duì)磁場(chǎng)分布影響。為正確理解注聚井中四電極電磁流量計(jì)測(cè)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(jì)測(cè)量特性的較好途徑。
[關(guān)鍵詞] 流量測(cè)量; 四電極電磁流量計(jì); 磁場(chǎng)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(gè)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(cè)量是注聚三次采油技術(shù)中一項(xiàng)重要測(cè)試內(nèi)容。由于電磁流量計(jì)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件, 實(shí)際測(cè)試時(shí)不破壞聚合物分子結(jié)構(gòu), 對(duì)測(cè)試環(huán)境無(wú)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(jì)測(cè)井方法。自早期電磁流量計(jì)基本理論建立以來(lái)[ 3~ 5] , 雖然電磁流量計(jì)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(jì)測(cè)量精度因素很多, 從流場(chǎng)及磁場(chǎng)分布角度綜合分析電磁流量計(jì)響應(yīng)特性仍然是值得研究領(lǐng)域, 尤其是近年來(lái)隨著計(jì)算流體力學(xué)及電磁場(chǎng)有限元分析技術(shù)迅速發(fā)展, 為解決復(fù)雜流動(dòng)及磁場(chǎng)分布條件下的電磁流量計(jì)響應(yīng)預(yù)測(cè)問(wèn)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(huì)給電磁流量計(jì)響應(yīng)帶來(lái)影響, 這些測(cè)井環(huán)境因素對(duì)電磁流量計(jì)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(jì)流量測(cè)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(jì)磁場(chǎng)分布特性, 考察了四電極電磁流量計(jì)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(duì)磁場(chǎng)分布特性影響, 為正確理解四電極電磁流量計(jì)測(cè)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(jì)
圖1為外流式四電極電磁流量計(jì)測(cè)井儀器示意圖。儀器由上下扶正器、傳感器、電路筒及電池倉(cāng)等部分組成, 其中傳感器是流量計(jì)的核心部分, 上下扶正器用于在測(cè)量時(shí)使流量計(jì)居于套管位置。四電極電磁流量計(jì)采用四個(gè)均勻相隔分布排列的勵(lì)磁線圈及四個(gè)測(cè)量電極, 相對(duì)于單對(duì)電極的電磁流量計(jì)而言, 這種勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)分布相對(duì)比較均勻, 有利于減小由于磁場(chǎng)分布不均勻所帶來(lái)的測(cè)量誤差。傳感器部分主要由磁路系統(tǒng)、測(cè)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(cè)量電極段外徑為33..8mm, 傳感器長(zhǎng)度為44..5mm。儀器總長(zhǎng)度為1200mm。圖1.. 外流式四電極電磁流量計(jì)測(cè)井儀器圖
2.. 四電極電磁流量計(jì)測(cè)量區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)分布
為獲得測(cè)量區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)分布, 采用ansys 商用有限元分析軟件對(duì)電磁流量計(jì)磁場(chǎng)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(duì)于本文所使用的二維平面場(chǎng)(x - y 平面) , 矢量磁勢(shì)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(jiǎn)化為: .. ..x ..a.. ..x + .. ..y ..a.. ..y = - ..j.. ( 5) 在使用ansys 有限元計(jì)算時(shí), 自由度為磁勢(shì), 施加載荷時(shí)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(duì)于電磁流量計(jì)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(jì)算。在施加電流密度時(shí), 可用下式計(jì)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(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖2 ( a) 為用于磁場(chǎng)計(jì)算建立的分區(qū)介質(zhì)模型, 圖2 ( b) 為磁場(chǎng)計(jì)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(shí), 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(jì)算磁場(chǎng)分布。由于儀器結(jié)構(gòu)尺寸非常對(duì)稱, 儀器位于管道中心, 通電后四個(gè)線圈相當(dāng)于交替放置的n 極與s極, 故產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是對(duì)稱分布的。流體從儀器與油管環(huán)形空間流過(guò), 切割磁力線產(chǎn)生感生電勢(shì), 通過(guò)四個(gè)對(duì)稱分布的電極即可進(jìn)行測(cè)量。磁場(chǎng)仿真計(jì)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(chǎng)分析模型及網(wǎng)格剖分圖圖3.. 儀器與油管環(huán)形測(cè)量區(qū)域磁場(chǎng)分布圖在儀器與油管環(huán)形空間內(nèi)磁場(chǎng)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(cè)量靈敏度。整體上說(shuō)四電極電磁流量計(jì)具有較均勻的磁場(chǎng)分布特點(diǎn), 這有利于四電極電磁流量計(jì)聚合物流量測(cè)量。
3.. 儀器偏心對(duì)磁場(chǎng)分布影響
在儀器使用過(guò)程中, 由于各種環(huán)境因素的影響, 有時(shí)儀器并不一定處于管道中心位置, 而會(huì)偏離中心一定的距離, 此時(shí)激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(shí)磁通線分布, 可以看出: 當(dāng)儀器偏離中心位置時(shí), 儀器與油管環(huán)形空間內(nèi)磁通線呈非對(duì)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(shí)磁通線分布圖因此, 井下四電極電磁流量計(jì)用于測(cè)量時(shí), 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(lì)磁場(chǎng)分布就會(huì)發(fā)生變化, 隨之電磁流量計(jì)權(quán)重函數(shù)分布也就會(huì)發(fā)生變化, 進(jìn)而流體切割磁力線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)發(fā)生變化, 最終導(dǎo)致儀器測(cè)量結(jié)果因偏心產(chǎn)生較大誤差。
4.. 流體磁導(dǎo)率對(duì)磁場(chǎng)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(jì)激發(fā)磁場(chǎng)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(duì)空氣、水及300萬(wàn)~ 800萬(wàn)分子量的聚丙烯酰胺溶液(聚合物) 進(jìn)行了磁導(dǎo)率測(cè)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(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析結(jié)果對(duì)我們定性分析清水及聚合物溶液中的電磁流量計(jì)測(cè)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(jì)測(cè)量場(chǎng)域內(nèi)水及聚合物溶液介質(zhì)的磁場(chǎng)分布特性。設(shè)定水的相對(duì)磁導(dǎo)率為..r = 1, 聚合物溶液相對(duì)磁導(dǎo)率為..r = 0..5。圖5 為測(cè)量場(chǎng)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(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁通線分布圖聚合物要大。一般來(lái)說(shuō), 磁通線密度越大, 磁感應(yīng)強(qiáng)度也越大, 其電磁流量計(jì)測(cè)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(jì)算其平均值。圖6為平均磁感應(yīng)強(qiáng)度b 與相對(duì)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(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度有較大影響。
5.. 四電極電磁流量計(jì)權(quán)重函數(shù)分布
根據(jù)sherc liff電磁流量計(jì)測(cè)量理論有[ 4] : u = ..s v .. .. (b.. .. .. g ) ds ( 7) 令w .. = .. g, 則上式寫(xiě)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(duì)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(chǎng)分布不同時(shí), 流體流過(guò)磁場(chǎng)時(shí)在管道截面上流體微元切割磁力線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)對(duì)總感應(yīng)電勢(shì)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(duì)稱時(shí), 流量測(cè)量會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。四電極電磁流量計(jì)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(xiě)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(duì)于外流式四電極電磁流量計(jì)來(lái)說(shuō), 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(jì)算出的外流式電磁流量計(jì)權(quán)重函數(shù)如圖7 所示。可以看出: 4個(gè)勵(lì)磁線圈位置處權(quán)重函數(shù)值高, 說(shuō)明此處對(duì)感應(yīng)電勢(shì)的貢獻(xiàn)大, 其它區(qū)域權(quán)重函數(shù)值低, 說(shuō)明這個(gè)區(qū)域?qū)Ω袘?yīng)電勢(shì)的貢獻(xiàn)小。從圖7中也可以看出: 在儀器與油管環(huán)形測(cè)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(cè)量精度的提高。圖7.. 外流式四電極電磁流量計(jì)的權(quán)重函數(shù)分布圖
6.. 結(jié)論
( 1) 理論上計(jì)算了四電極電磁流量計(jì)磁場(chǎng)分布, 指出了四電極電磁流量計(jì)具有對(duì)稱分布的磁場(chǎng)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(cè)量靈敏度。
( 2) 分析了儀器偏心及流體磁導(dǎo)率變化對(duì)四電極電磁流量計(jì)磁場(chǎng)分布的影響, 由此推論出這些影響因素會(huì)導(dǎo)致電磁流量計(jì)響應(yīng)會(huì)偏離理想條件下響應(yīng)輸出。
( 3) 基于磁場(chǎng)有限元分析技術(shù)的電磁流量計(jì)響應(yīng)數(shù)值模擬研究有助于電磁流量計(jì)測(cè)量特性進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。[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(bào), 2005, 26 ( 1) : 74- 78.. [ 3] 謝榮華.. 創(chuàng)新監(jiān)測(cè)技術(shù), 服務(wù)油田開(kāi)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(kāi)發(fā), 2006,--擴(kuò)展閱讀：開(kāi)封中儀流量?jī)x表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、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(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)開(kāi)封中儀網(wǎng)站：