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      時間:2022-8-29 08:54:12

    Φ29電磁流量計原理及示值偏差分析

    摘要:電磁流量在油田開發中主要應用于水井的分層流量測試和驗漏。電磁流量計受到測井環境、套管狀況、井內流體性質等因素的影響,會出現示值偏差,介紹電磁流量計原理,同時就影響流量計測井的幾個因素進行了淺析,對油田后期開發測井生產有指導作用。
    1前言
      吸水剖面測井資料是油田測井不可缺少的動態監測資料,當油田開發進人中后期,準確掌握注.水井各小層的吸水情況能夠為油藏中和調整,挖潛增效提供可靠的數據。
      目前進行的分層流量測井是通過直讀式電磁流量計下人注水井中,在正常配注情況下測取水井各個層位對于注人水的分配比例,從而根據測量結果對水井進行調剖堵水,提高注人水在各個層位的波及系數,提高油層的驅油效率,從而提高采收率。電磁流量計是隨著電子技術的發展而迅速發展起來的基于法拉第電磁感應定理的用來測量導電性液體體積流量的儀表。與其它流量測量儀表相比,電磁流量計具有一-些突出的優點:測量有導電性的介質的流量不受其溫度、豁度、密度、壓力等物理參數的影響;無機械慣性,反映靈敏,可測瞬時脈動流.量;直線性好,測量準確度高,測量范圍寬,耐腐蝕性能強等等,因此在眾多的流量儀表中,電磁流量計成為發展最快的流量儀表之一。.
    2電磁流量計測量原理
      直讀電磁流量計的測量原理基于法拉第電磁感應定律。電磁流量計的測量原理如圖1所示,當流體在磁場中作切割磁力線運動時,流體中帶電粒子受羅侖磁力的作用將感應出與流速成正比的感應電動勢,當流速分布相對于測量管中心軸對稱時,電極檢測到的流量信號將與被測流體的平均流速成正比,然后求得液體的體積流量。
    電磁流量計結構圖 
      電磁流量計儀器的內部結構如圖2所示。在均勻磁場中,安置--根非導磁材料制成的內徑為d且在內壁襯有絕緣材料的測量導管。當導電液體在.測量導管流動時,將作切割磁力線運動。假設所有液體質點都以平均流速V運動,液流速度在整個測量導管的截面上是均勻一致的。把液體看成許多.直徑為d且連續運動著的薄圓盤結構,薄盤等效于長度為d的導電體,其切割磁力線的速度相當于V。由電磁感應原理可知,在液體薄圓盤內將產生連續的感應電動勢E:
     
    式中:E一感應電動勢(V);
    B一磁感應強度(T);
    d一測量導管直徑(cm);
    V一被測液體的平均流速(cm/s)。
      感應電動勢E可通過位于測量導管直徑兩端的一對電極輸出。E的方向垂直于液體流向和磁力線方向,可用右手定則判斷。
    通過導管的流量q為
     
      由上式可知,對于帶電粒子均勻分布的流體,當磁場強度一定時,感應電壓與流體的流速成線性關系,與流體的溫度、壓力、密度和粘度等物理參數無關,所以電磁流量計具有許多其它機械式流量計無可比擬的優點,能實現大量程范圍的高精度測量。直讀式電磁流量計原理框圖如圖3所示。
     
      當磁感應強度B保持常數時,被測流體的體積流量q與感應電動勢E成正比。即
     
      式(4)是在均勻直流磁場條件下導出的。由于直流磁場使管道中的導電液體電解,電極極化,所以會影響測量的準確度。因此通常采用交流磁場工作,交流磁場的磁感應強度B表示為:
     
      式(8)說明,當d一定及磁感應強度B保持常數時,被測流體的體積流量q與兩極間的電動勢E成正比,由此可以得到被測流體的流量。
      電磁流量計主要用于測量電導率大于10-4/cm·Ω的單相流體。不適用氣體、蒸汽?蛇M行雙向流動測量。對儀表前后直管段的要求不高,不受流體的溫度、壓力、密度、粘度等參數的影響。但被測流體內不應有不均勻的氣體和固體,不應有大量的磁性物質。
     
    3重29電磁流量計響應影響因素分析
      電磁流量計常被用來測量管道中導電流體的流量,不管流體的性質如何,只要其具有微弱的導電性(電導率>8X10-5m/s)即可進行測量。通常油田注人的聚合物混合液的導電性能良好,符合這種測量條件。
      電磁流量計自從商品化以來,其技術進步十分明顯,新材料、新設計和制造技術的采用,尤其是采用了大規模集成電路、單片機和計算機,其技術性能指標和功能都有很大提高,特別是抗干擾能力、可靠性和穩定性的改善尤為明顯。從以上推導的表達式看,感應電壓與流體的流速成線性關系,似乎與其它因素無關。事實上,客觀條件的限制導致了電磁流量計還受到以下因素的影響,影響大時流量計甚至不能正常工作,具體分析如下;
    3.1流速分布影響
      當流速分布相對于測量管中心軸對稱時,電極檢測到的流量信號將與被測流體的平均流速成正.比。當流速分布相對管中心為非軸對稱時,還用,上述公式計算流量時將會產生測量誤差。因為電極上得到的感生電動勢是測量管內所有液體共同貢獻的結果,每一個流體質點都有貢獻。由于各個流體質點相對于電極的幾何位置不同,即使各質點速度一樣,它們對電動勢的貢獻也是不同的。越靠近電極的質點對電動勢的貢獻越大。也就是說,電極附近的感應電動勢較大,與兩電極平面成90度的地方的流體產生的感應電動勢就小。如果電極附近的流速非軸對稱偏大,測得的流量信號就比實際流量值大;反之,電極附近的流速非軸對稱偏小,測得的流量信號也就偏小。為了消除由于流速分布而產生的測量誤差,在電磁流量傳感器前應有--定長度的直管段,以保證流速的軸對稱分布。
    3.2磁場邊緣效應影響
      由前述可知,電磁流量計的基本表達式是在假.定沿流體的流動方向,上磁場始終是均勻為前提下推導而得到的。這就意味著沿管軸方向上的磁場無限長,而實際流量計的線圈長度是有限的,并且為了實現流量計的小型化,總是希望勵磁線圈和測量管的長度越短越好。這樣就會出現磁場邊緣效應,即磁場軸向長度對感應電動勢幅值和勵磁線圈兩端的磁感應強度不均勻。磁場中間部分大致是均勻的,兩端則逐漸減弱,形成不均勻的邊緣,最后.下降為零。使得液體內部電場E也不均勻,產生渦電流。由渦電流所產生的二次磁通反過來改變磁場邊緣部分的工作磁通,使磁場的均勻性進--步遭到破壞。這時在電極.上測量到的感應電動勢與無限長磁場下的感應電動勢不一樣,產生了誤差。理論分析表明,為了減少邊緣效應,勵磁線圈的軸向長度應為測量管內徑的1.4~1.52倍。這樣才可以使電極.上產生的感應電動勢接近于無限長磁場的理論計算值。
      假如管壁是導電的,磁場邊緣效應更加明顯,從而導致電極.上感應電動勢的損失增加,所以管壁通常要涂_上絕緣層。假如介質的電導率極高(如液.態金屬),磁場邊緣區域兩側的磁場分別被削弱和增強。所以測量電導率高的介質不宜用交流勵磁,而應用直流勵磁。若被測介質中含有導磁性物質(鐵鉆、鎳之類),磁場邊緣效應就更復雜。由于導磁性物質的存在,使磁場發生嚴重畸變,造成測量的非線性。
    3.3液體電導率影響
      使用電磁流量計的前提條件是被測液體必須是導電的,不能低于閾值(即下限值)。電導率低于閾值會產生測量誤差直至不能使用。通用型電磁流量計的閾值在10-4~(5X10-6)s/cm之間。電磁流量計不適用于電導率很低的介質的根本原因在于傳感器與轉換器的阻抗匹配問題。目前,轉換器的輸人阻抗一-般只能達到100~200M,也就是說要保證0.1%的傳輸精度傳感器內阻Rs必須小于100~200KΩ。若電極直徑0.01m,可得到被測.介質電導率的最低值。
     
      工業用水及其水溶液的電導率大于10-4s/cm,酸、堿、鹽液的電導率在10-4~10-1s/cm之間,使用不存在問題,低度蒸餾水為10-5S/cm也不存在問題。石油制品和有機溶劑電導率過低就不能使用。對于氣體、蒸氣以及含大量氣泡的液體就無法:使用了。
    3.4流體粘度、流體溫度及環境溫度影響
      通常認為電磁流量計所測體積流量不受液體電導率(只要大于某一閾值)、液體粘度、液體溫度和環境溫度等參量的影響。但實際應用中,流體粘度、流體溫度及環境溫度等或多或少對測量有些影響。實驗研究表明,如果要求精度較高,基本誤差小于0.5%~1%,則液體粘度、液體溫度和環境溫度的影響就不可忽略;如果要求測量精度不高,可以忽略不計。
    3.5流體含有混入物影響
      電磁流量計在許多使用狀況下,被測流體中都會含有混人物。一般而言,混人成泡狀流的微小油氣泡仍可正常工作,但測得的是含油氣泡體積的混.合體積流量;如果油氣體含量增加到形成彈狀流,因電極可能被氣體蓋住使電路瞬間斷開,出現輸出晃動甚至不能正常工作。
      含有非鐵磁性顆;蚶w維的固液兩相流同樣可以測得其體積流量。固體含量較高的流體,如鉆井泥漿、鉆探固井水泥漿、紙漿等實際上已屬非牛頓流體。由于固體在載體液中-.起流動,兩者之間有滑動,速度上有差異,單相流液體校驗的儀表用于固液兩相流會產生誤差。雖然還未見到電磁流量計應用于固液兩相流中固型物影響的系統實驗報告,但國外有報道稱固型物含量有14%時誤差在3%范圍內。
    3.6附著和沉淀影響
      電磁流量計使用時間長或者是用于測量易附著和沉淀物質的流體時,會在管壁,上產生附著層,若附著的是比液體電導率高的導電物質,信號將被短路不能工作,若是非導電物質則首先應注意電極的污染。若附著于襯里管璧層為氧化鐵銹層,或以金屬為主要成分的燃料,其電導率大于液體電導率,測得的流量值將比實際流量小;若為碳酸鈣等水垢層,其電導率低于液體,測得的測量值將高于實際流量。若附著層電導率與液體相同,按上式計算附加誤差為零,但僅局限于附著層厚度小的條件。此種情況下,流通面積減小,但平均流速增加,二者相互間可抵消。
    3.7電極表面效應影響
      電極表面效應分為表面化學反應、電化學和極.化現象以及電極的觸媒作用三方面;瘜W反應效應如電極表面與被測介質接觸后,形成鈍化膜或氧化層。它們對耐腐蝕性能起到積極的保護作用,但也可能增加接觸電阻。電化學電勢變化和極化現.象會產生干擾電勢而形成噪聲。漿液噪聲和流動噪聲即是電極表面噪聲的表現。漿液噪聲是在測量泥漿纖維等液固兩相流時,固體顆粒(或液體中的氣泡)擦過電極表面,電極表面接觸電化學電勢突然變化,輸出流量信號出現尖峰脈沖狀噪聲。流體噪聲是在測量較低電導率液體流量時,電極的電化學電勢定期變化,產生隨流速增加而頻率增加的隨機噪聲,引起儀表輸出出現波動現象。極化電勢是電感生電動勢在兩電極極性不同,導致電解質在電極表面產生極化。雖然交變勵磁將極化電勢減弱了幾個數量級,但不能完全消除極化電勢干擾的影響。極化電勢和液體介質性質以及電極材料性質有關。
    3.8變壓器效應影響
      電磁流量計的兩個電極、輸入輸出回路和介質一起構成了一個閉合回路。勵磁線圈相當于變壓器的初級線圈,該閉合回路相當于次級線圈。這個次級線圈不可能與勵磁磁力線完全平行,總有一部分交變的磁力線穿過該閉合回路平面,形成了所謂的“變壓器效應”。干擾電動勢e,,根據楞次定律得:
     
      可見e1與勵磁電源頻率有關,而與流量大小和傳感器口徑無關。降低勵磁電源頻率可減小這種干擾。
    4結論
      在石油開發中,測井是一個非常重要的環節,測井儀器是石油測井使用的專業測量器具,直接影響油井的測量結果,在油田后期開發難度不斷加大情況下,積極應用測井新設備、新技術是提高測井成功率的有效途徑,在測井實際工作中盡量規避電磁流量的影響因素,為油田后期高效開發提供的技術支撐。

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