摘(zhai)要:油水(shui)兩相流(liu)中存在(zài)非導電(dian)物質,對(duì)電磁流(liu)量計 測(ce)量結果(guo)存在一(yi)定影響(xiǎng)。在高流(liu)速下兩(liǎng)相流的(de)測量中(zhōng),電磁流(liu)量計測(ce)量中卻(què)出現了(le)與低流(liu)速時不(bu)同的測(cè)量結果(guo)，該現象(xiàng)在工業(ye)生産中(zhong)一直未(wei)得到較(jiào)滿意的(de)解釋。介(jie)紹了電(diàn)磁流量(liàng)計的基(ji)本原理(li),分析了(le)可能影(ying)響電磁(cí)流量計(jì)感應信(xin)号的因(yīn)素。研究(jiu)了非導(dao)電物質(zhi)對電磁(ci)流量計(jì)權重函(han)數分布(bù)情況的(de)影響,對(duì)高流速(su)兩相流(liú)測量結(jie)果進行(hang)解釋。仿(páng)真實驗(yan)表明,在(zài)--定的含(hán)水率範(fàn)圍内，流(liu)體中的(de)非導電(dian)物質半(bàn)徑較小(xiao)時,對電(dian)磁流量(liàng)計的權(quán)重函數(shu)影響很(hěn)小。該研(yan)究結果(guǒ)可爲兩(liǎng)相流電(dian)磁流量(liang)生産測(ce)量提供(gong)-定的參(cān)考依據(jù)。
0引言
　　油(you)水兩相(xiàng)流動是(shi)石油工(gong)業中十(shi)分普遍(bian)的現象(xiàng)，油水兩(liǎng)相流流(liu)量的測(ce)量是産(chan)出剖面(mian)測井應(ying)用最廣(guang)泛的一(yi)種,解決(jué)油水兩(liǎng)相流流(liu)量的測(cè)量問題(tí)是測井(jǐng)工業中(zhong)最熱門(men)的課題(ti)之一。電(dian)磁流量(liàng)計是重(zhong)要的流(liú)量測量(liàng)儀表,近(jin)年來,電(dian)磁流量(liàng)計開始(shi)應用于(yú)多相流(liú)測量,尤(you)其在高(gao)含水的(de)石油測(ce)井方面(miàn)應用廣(guang)泛,電磁(cí)流量計(ji)應用于(yu)多相流(liu)理論中(zhōng)具有獨(du)特的優(yōu)點,如對(dui)流速分(fen)布不太(tài)敏感，管(guan)道中無(wu)阻礙流(liu)體流動(dong)的部件(jian)[2-3]。電磁流(liú)量計的(de)基本理(li)論是建(jian)立在單(dān)相流的(de)理論基(jī)礎.上的(de),流體存(cún)在氣泡(pào)或油泡(pao)等非導(dao)電物質(zhi)時,非導(dǎo)電物質(zhì)在通過(guo)電磁流(liú)量計傳(chuán)感器時(shí)不産生(shēng)感應電(diàn)勢,所以(yǐ)電磁流(liu)量計的(de)測量結(jie)果會因(yin)含水率(lǜ)不同而(ér)産生--定(ding)變化。但(dàn)是,在電(diàn)磁流量(liang)計實際(ji)測量中(zhong)卻發現(xiàn)當測量(liàng)流速高(gāo)于--定範(fan)圍後,電(dian)磁流量(liàng)計的測(ce)量值在(zài)很大範(fàn)圍不會(hui)因爲含(hán)水率不(bu)同而不(bú)同,這一(yī)問題是(shì)工業測(cè)量生産(chǎn)中以及(jí)研究人(ren)員的關(guan)注問題(tí)之一。
　　通(tōng)過非導(dǎo)電物質(zhi)對電磁(cí)流量計(jì)權重函(han)數的影(ying)響,結合(he)雷諾數(shu)、湍流度(du)對這一(yi)問題進(jìn)行闡述(shù),以求獲(huò)得這一(yī)問題的(de)合理解(jie)釋,爲電(dian)磁流量(liang)計在高(gao)流速含(han)水率在(zài)一定範(fàn)圍内時(shi)兩相流(liú)的測量(liang)提供一(yī)定參考(kǎo)依據。
1流(liú)量計感(gǎn)應電勢(shi)理論基(jī)礎
　　當導(dǎo)電流體(ti)流過外(wai)加磁場(chǎng)時,切割(gē)磁力線(xian)。根據法(fa)拉第電(dian)磁感應(yīng)定律,在(zai)流體中(zhong)就會産(chǎn)生感應(ying)電動勢(shì),且通過(guò)測量感(gan)應運動(dong)勢的值(zhí)獲取流(liu)體的速(su)度和流(liú)量,這就(jiù)是電磁(ci)流量計(jì)測量流(liú)量的基(jī)本原理(lǐ)。由Maxwell方程(cheng)及--定的(de)假設條(tiao)件,可得(dé)電磁流(liú)量計的(de)感應電(dian)勢的表(biǎo)達方程(chéng)
 
　　式中,U爲(wèi)兩電極(jí)的電勢(shì)差;矢量(liàng)V爲導電(diàn)流體的(de)流速;B爲(wèi)磁感應(ying)強度;A爲(wèi)對所有(yǒu)空間積(jī)分;W爲矢(shi)量權函(hán)數,它是(shi)一個隻(zhī)由電磁(ci)流量計(jì)本身結(jié)構決定(dìng)的量。不(bu)同結構(gòu)的電磁(cí)流量計(ji)權重函(hán)數不同(tóng)，研究人(rén)員分析(xi)了外流(liu)式四電(diàn)極電磁(ci)流量權(quan)重函數(shu)[1]。
2高流速(su)兩相流(liu)下測量(liàng)值與分(fen)析
　　在模(mó)拟井實(shí)驗中,采(cai)用集流(liú)的内流(liú)式電磁(cí)流量計(jì)測量兩(liǎng)相流,該(gāi)電磁流(liu)量計檢(jian)測電極(ji)測量信(xìn)号是利(li)用法拉(la)第電磁(cí)感應定(dìng)律。檢測(cè)電極安(ān)裝在流(liú)量測量(liàng)傳感器(qi)流體輸(shū)送管道(dào)上,将通(tong)過傳感(gan)器導管(guan)中的油(you)氣水多(duō)相流流(liú)體的流(liú)速轉變(biàn)成檢測(cè)電極兩(liang)端的感(gǎn)應電勢(shì)信号。當(dāng)通過電(diàn)磁流量(liang)計的總(zǒng)流量較(jiao)大時,一(yī)定的含(hán)水率範(fan)圍内，例(li)如含水(shuǐ)率在50%~100%時(shi),高流速(su)下電磁(ci)流量計(jì)流量測(ce)量值基(ji)本在某(mǒu)一值附(fu)近。表1所(suǒ)示爲高(gāo)流速下(xià)電磁流(liu)量計兩(liang)相流測(cè)量顯示(shi)值。表1中(zhōng),各列表(biǎo)示不同(tóng)含水率(lǜ)下電磁(ci)流量計(jì)測量結(jié)果,各行(háng)表示不(bú)同流速(su)下測量(liàng)結果(電(dian)磁流量(liang)計輸出(chū)爲響應(yīng)頻率,單(dān)位爲Hz),下(xià)面從理(lǐ)論上對(dui)這一問(wen)題進行(háng)研究。
 
　　由(yóu)流量計(ji)的感應(yīng)電勢理(lǐ)論基礎(chu)可知,流(liú)量計的(de)感應電(diàn)勢差由(yóu)流量計(ji)管徑半(bàn)徑R、流體(ti)的流速(sù)分布V、磁(ci)感應強(qiáng)度分布(bù)B、權重函(hán)數分布(bu)W确定.
　　由(you)于油與(yu)水磁化(hua)率近似(si)相等[5],兩(liǎng)相流流(liu)體中油(yóu)泡的存(cun)在對流(liu)量計磁(ci)場分布(bu)影響較(jiào)小，所以(yi)油水兩(liǎng)相流對(dui)流量計(jì)傳感器(qi)截面上(shang)磁感應(ying)強度分(fen)布幾乎(hu)沒有影(yǐng)響。在總(zǒng)流量一(yī)定的情(qíng)況下,含(hán)水率不(bu)同并不(bu)影響電(dian)磁流量(liang)計截面(miàn)的平均(jun)流速,采(cǎi)用FLUENT仿真(zhen)出傳感(gan)器管道(dao)内不同(tóng)徑向含(hán)水率的(de)速度分(fen)布,提取(qu)不同徑(jing)向的流(liú)體速度(du),并進行(hang)數值分(fèn)析,也說(shuō)明含水(shui)率不同(tong)總流量(liang)相同時(shi)測量區(qu)域的速(su)度分布(bù)是相近(jìn)的。非導(dao)電物質(zhi)在流體(ti)中切割(gē)磁力線(xian)不産生(sheng)感應電(diàn)勢,故而(er)其權重(zhòng)函數的(de)貢獻率(lǜ)爲0。但是(shì)，在高流(liú)速下含(hán)水率50%與(yǔ)含水率(lü)100%測量的(de)數值一(yī)樣大或(huò)甚至還(hái)大的現(xiàn)象一直(zhí)困惑着(zhe)工程技(jì)術人員(yuan)。
　　實驗發(fā)現,電磁(ci)流量計(jì)測量低(dī)流速兩(liǎng)相流時(shí)流體中(zhong)的油泡(pào)半徑較(jiao)大,分布(bù)也不是(shi)很均勻(yún)，兩相流(liú)的電磁(cí)流量計(jì)感應電(dian)動勢的(de)計算模(mo)型由文(wén)獻[6]給出(chu)。而高流(liú)速時，由(you)于流量(liàng)計中的(de)流體速(sù)度較快(kuài),流體中(zhong)油水分(fen)布均勻(yun),且油泡(pao)較小，較(jiào)分散,油(yóu)泡以細(xì)小分散(san)狀存在(zai)于水連(lian)續相中(zhōng)。
　　雷諾數(shu)是表征(zhēng)流體流(liu)動情況(kuang)的無量(liang)綱數。雷(léi)諾數較(jiào)小時,黏(nian)滞力對(duì)流場的(de)影響大(da)于慣性(xìng)力，流場(chang)中流速(sù)的擾動(dong)會因黏(nián)滞力而(ér)衰減，流(liú)體流動(dong)穩定,爲(wèi)層流;反(fan)之,若雷(léi)諾數較(jiào)大時，慣(guàn)性力對(duì)流場的(de)影響大(da)于黏滞(zhì)力,流體(ti)流動不(bu)穩定，流(liú)速的微(wēi)小變化(hua)容易發(fā)展.增強(qiang),形成紊(wěn)亂、不規(guī)則的湍(tuan)流流場(chǎng)。流态轉(zhuǎn)變時的(de)雷諾數(shu)值稱爲(wei)臨界雷(léi)諾數。一(yi)般管道(dào)雷諾數(shu)Re<2100爲層流(liu)狀态,Re>4000爲(wei)湍流狀(zhuang)态，Re=2100~4000時爲(wèi)過渡狀(zhuang)态。表2列(liè)出不同(tóng)含水率(lü)與不同(tong)流速下(xia)的雷諾(nuo)數。
 
　　在湍(tuan)流下，由(you)于流體(ti)流動不(bú)穩定,平(píng)均流中(zhong)會不斷(duàn)産生大(da)尺度渦(wo);大尺度(du)渦由于(yu)不穩定(dìng)破碎爲(wei)小尺度(du)渦,小尺(chǐ)度渦本(běn)身也不(bu)穩定，因(yīn)此又會(huì)再破碎(sui)爲更小(xiao)的渦。流(liú)速越高(gāo)流體的(de)雷諾數(shu)越大,流(liu)體流動(dong)小尺寸(cun)結構越(yue)細,且在(zài)流體中(zhōng)分布較(jiào)均勻。
3非(fei)導電物(wù)質存在(zài)時權重(zhong)函數
　　高(gao)流速時(shí),電磁流(liu)量計中(zhōng)的流體(ti)爲湍流(liú),且雷諾(nuò)數越大(da)，流體小(xiǎo)尺寸結(jie)構越小(xiao)。但流體(tǐ)整體向(xiàng)前的流(liú)速不會(hui)因爲湍(tuan)流而減(jian)小,這樣(yàng)的情況(kuàng)下可知(zhī)電磁流(liú)量計流(liu)體中的(de)非導電(diàn)物體的(de)尺寸更(gèng)小。當含(hán)水率不(bu)變,非導(dao)電物體(tǐ)物質半(bàn)徑變小(xiǎo)後對電(diàn)磁流量(liang)計的整(zhěng)體流速(su)分布不(bú)變、對流(liu)量計的(de)磁場分(fèn)布影響(xiang)較小。根(gen)據式(1)可(kě)知，電磁(ci)流量計(jì)中非導(dǎo)電物質(zhì)的半徑(jing)大小對(duì)流量計(ji)的權重(zhong)函數是(shì)有影響(xiang)的。
　　當電(dian)磁流量(liang)計中心(xīn)橫截面(mian)内含有(yǒu)M(M=0,1,2.,-.)個油泡(pào)時傳感(gǎn)器的權(quan)重函數(shu)分布情(qíng)況,本文(wén)算例設(shè)定M=3權重(zhòng)函數分(fèn)布情況(kuàng)計算方(fāng)式。圖1爲(wèi)電磁流(liu)量計傳(chuan)感器截(jié)面内存(cún)在3個球(qiú)形油泡(pào)時的結(jie)構模型(xing)圖。其中(zhōng),x軸與y軸(zhóu)與圖1描(miao)述--緻,圖(tu)1中隻顯(xiǎn)示了測(cè)量區域(yù)部分,測(cè)量區域(yu)流體中(zhong)存在3個(ge)油泡。y正(zheng)半軸、負(fù)半軸與(yu)管壁的(de)交點是(shi)流量計(jì)的電極(ji)位置。
 
　　圖(tú)1中3個油(you)泡相互(hù)不重疊(dié),此時傳(chuan)感器内(nèi)部感應(ying)電勢仍(réng)滿足Laplace方(fāng)程。爲了(le)對該問(wen)題進行(hang)求解,需(xu)建立2種(zhǒng)坐标系(xi),一種是(shì)以傳感(gan)器中心(xin)爲原點(dian)建立的(de)二維直(zhí)角坐标(biao)系(x,y),另一(yi)種是以(yǐ)各個油(yóu)泡中心(xin)爲原點(dian)建立的(de)M個二維(wéi)極坐标(biāo)系(ri,θi)。首先(xiān)在二維(wéi)直角坐(zuo)标系下(xia)對該問(wèn)題進行(háng)求解(本(běn)例M=3),求解(jie)感應電(diàn)勢方程(chéng)時需借(jiè)用一個(gè)輔助的(de)格林函(han)數G,G滿足(zu)Laplace方程且(qiě)邊界條(tiao)件
 
　　式中(zhōng),R爲電磁(ci)流量計(ji)半徑的(de)長度值(zhí);მG/an爲電勢(shi)在半徑(jing)方向上(shàng)的導數(shu);δ(θ)爲電勢(shì)G在流量(liàng)計管壁(bi)處所滿(mǎn)足的條(tiao)件,其值(zhí)僅在電(dian)極表面(miàn)處不爲(wèi)0。當流體(tǐ)中存在(zài)油泡時(shí),G表達式(shì)爲
   

　　式中(zhong),R爲測量(liang)管的半(ban)徑;x與y分(fèn)别表示(shi)測量區(qū)域中的(de)位置。
　　當(dang)電磁流(liu)量計流(liu)體中存(cun)在3個油(you)泡時,G=G+G1+G2+G3圖(tu)2顯示了(le)流量計(ji)流體截(jié)面中存(cún)在3個不(bú)重疊的(de)油泡時(shí),流量計(jì)截面内(nei)部權重(zhòng)函數wy分(fen)布圖;從(cong)式(2)以及(ji)仿真圖(tu)中可以(yi)發現油(you)泡所在(zài)位置權(quan)重函數(shù)值是0。當(dang)然，存在(zài)多個油(you)泡分布(bu)在不同(tong)位置流(liú)體中時(shí)權重函(hán)數分布(bu)情況也(ye)可以用(yong)上述方(fāng)法計算(suan)。
 
　　仿真實(shí)驗中,設(she)定不同(tóng)大小的(de)非導電(dian)物質對(dui)電磁流(liu)量計權(quan)重函數(shù)進行仿(pang)真,如圖(tú)3所示爲(wèi)不同大(da)小非導(dao)電物質(zhì)對電磁(cí)流量計(ji)權重函(hán)數的影(yǐng)響。圖3中(zhong)左邊的(de)分别爲(wèi)權重函(hán)數分布(bù)圖，右邊(bian)分别爲(wei)權重函(han)數等勢(shi)圖,其中(zhōng)R單位爲(wei)cm。從圖3中(zhong)可見,當(dang)電磁流(liu)量計中(zhong)的非導(dǎo)電物質(zhì)半徑越(yue)來越小(xiǎo)，對電磁(ci)流量計(ji)的權重(zhòng)函數的(de)影響就(jiu)越小。
　　爲(wei)了更清(qing)楚地揭(jie)示電磁(ci)流量計(jì)的權重(zhong)函數與(yu)流量計(jì)中非導(dǎo)電物質(zhi)半徑之(zhī)間的關(guan)系,定義(yi)c爲非導(dao)電物質(zhì)對流量(liang)計權重(zhòng)函數的(de)影響的(de)評價指(zhi)标式中(zhōng),Wxy爲含有(yǒu)油泡等(děng)非導電(dian)物質時(shí)電磁流(liu)量計在(zai)測量區(qū)域坐标(biāo)(x,y)的權重(zhong)函數;Wxy0爲(wei)電磁流(liú)量計不(bú)含非導(dao)電物質(zhì)時測量(liang)區域坐(zuo)标(x,y)的權(quan)重函數(shù);A爲權重(zhòng)函數區(qu)域(測量(liang)區域)。
 
　　圖(tu)4爲不同(tong)大小非(fēi)導電物(wù)質對流(liu)量計權(quán)重函數(shù)的影響(xiǎng)分析圖(tu)。圖4中橫(heng)軸爲非(fēi)導電物(wù)質半徑(jìng),縱軸爲(wei)權重函(han)數的影(yǐng)響因子(zi)c。從仿真(zhēn)結果可(ke)以看出(chu)流體中(zhōng)的非導(dao)電物質(zhi)半徑較(jiào)小時,對(dui)電磁流(liu)量計的(de)權重函(han)數影響(xiang)越小。在(zài)本例中(zhong)，當流體(ti)中非導(dao)電物質(zhi)小于0.02R時(shi),對電磁(cí)流量計(jì)的權重(zhong)函數分(fèn)布幾乎(hu)沒有影(yǐng)響。
4結束(shù)語
(1)讨論(lun)了高流(liú)速下電(dian)磁流量(liang)計流量(liang)測量值(zhí)不因含(han)水率的(de)變化而(er)不同的(de)因素。通(tong)過數值(zhi)計算可(kě)知,在高(gao)流速下(xià),雷諾數(shu)增高,油(yóu)泡以細(xì)小分散(sàn)狀存在(zai)于水連(lián)續相中(zhong),這一變(biàn)化對流(liu)體流速(sù)分布沒(mei)有影響(xiang)。計算分(fèn)析了水(shui)連續相(xiang)中存在(zài)細小分(fen)散狀的(de)油泡對(duì)流量計(ji)權重函(hán)數影響(xiǎng)情況。
(2) 在(zài)一定的(de)含水率(lǜ)範圍内(nèi)，當流量(liang)計中非(fēi)導電物(wù)質半徑(jing)減小到(dao)--定範圍(wei)時,非導(dǎo)電物質(zhì)電磁流(liu)量計權(quan)重函數(shù)分布對(dui)電磁流(liú)量計輸(shū)出影響(xiang)很小,進(jìn)而解釋(shi)了高流(liu)速時在(zài)一定含(hán)水率範(fàn)圍内電(diàn)磁流量(liàng)計輸出(chu)測量值(zhi)基本不(bú)變的原(yuan)因
(3)結果(guo)可爲高(gāo)流速電(diàn)磁流量(liàng)計兩相(xiang)流産出(chu)剖面測(ce)井實際(ji)應用提(tí)供理論(lun)參考及(jí)生産測(cè)井解釋(shi)依據。

以(yi)上内容(rong)源于網(wang)絡，如有(yǒu)侵權聯(lián)系即删(shan)除!