开封市中仪流量仪表有限公司
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阅读：134发布时间：2021-12-21
注聚井中电磁流量计测量特性分析
摘要: 基于计算流体动力学技术, 计算了仪器与油管环形测量区域内聚合物溶液流速剖面分布; 采用有限元方法, 得到了四电极电磁流量计磁场分布, 在确定流量计权重函数分布情况下, 从理论上考察了清水与聚合物溶液流体分布条件下四电极电磁流量计响应输出特性。根据实验测量结果, 从理论上解释了清水与聚合物溶液中仪器响应产生差别的原因。此外, 还考察了流场中存在铁磁性悬浮物颗粒及仪器倾斜因素对仪器响应输出的影响, 为注聚井中四电极电磁流量计流量测量精度改进提供了理论依据, 采用流场及磁场有限元分析技术, 有助于提高电磁流量计测量特性。
关键词: 注聚井; 电磁流量计; 测量特性; 磁场分布; 流速分布
大庆油田已进入三次采油阶段, 注聚合物驱油技术已经成为油田提高原油采收率的重要手段[ 1..2] , 为使聚合物溶液进入预先设定油层并能得到一个较为均匀的聚合物驱前缘, 需要准确确定从注聚井中进入各油层聚合物的注入量, 因此, 注聚井中流量测量是其中的重要测试内容[ 3..6] 。大庆油田外流式四电极电磁流量计在注聚井中流量测井实践表明, 电磁流量计在聚合物溶液及清水中测量响应有较大差别。由于仪器倾斜及流场中存在悬浮颗粒等各种因素, 都会给电磁流量计响应带来影响, 这些测井环境因素对电磁流量计响应影响须要从数值模拟角度给予理论解释与分析, 从而为注聚井中电磁流量计流量测井提供理论分析基础。在分析四电极电磁流量计流场及磁场分布的基础上, 笔者重点考察了流速剖面分布对电磁流量计响应输出特性影响, 取得了对电磁流量计实验结果较好的分析效果。
1 .. 四电极电磁流量计理论模型
根据Sher clif f 电磁流量计测量理论[ 3] , 有U = ....S .. v .. (B .. w) .. d S ( 1) 式中: U 为电磁流量计感应电势输出, w 为权重函数, v 为局部流速分布, B 为磁感应强度分布, S 为流道内流体占据的截面积。权重函数w 含义为, 磁场分布不同时, 流体流过磁场时在管道截面上流体微元切割磁力线时产生的感应电势对总感应电势贡献大小不同。由式( 1) 可知, 当权重函数w 及流速剖面v 为非轴对称分布时, 流量测量会产生较大误差。首先采用ANSYS 有限元分析软件对电磁流量计测量区域内磁场分布特点进行考察。
在二维平面场( X- Y 平面) 中, 矢量磁势A 和电流密度J 相互平行且只有z 方向分量, 即: A x = Ay = 0, A z = A; J x = J y = 0, J z = J。模型中介质为线性介质, 磁导率..为常数。由麦克斯韦方程导出的分矢量泊松方程为.. ..x ..A ..x + .. ..y ..A ..y = - ..J ( 2)
模型有两种边界条件: .. Dirichlet 条件( AZ 约束) , 即磁通量平行于模型边界; .. Neumann 条件( 自然边界条件) , 即磁通量垂直于模型边界。第2 种条件为默认的边界条件。对于电磁流量计在管道中的模型, 只须满足自然边界条件, 故施加电流密度后可进行磁场计算。
设定水的相对磁导率..r = 1, 由于聚合物溶液磁导率小于水的磁导率[ 7] , 在模拟计算时, 假定聚合物溶液相对磁导率..r = 0.. 5, 如图1 所示。从图1 可以看出: 聚合物溶液产生的磁通线稀疏, 而水中磁通线密度图1.. 油管与仪器环形区域内磁场分布Fig. 1 .. Magnetic f ield distribution in annular area between flowmeter and tubing 则较大, 其磁场强度也越大。由式( 1) 可知, 磁场强度越大, 其电磁流量计灵敏度越高。由于仪器结构尺寸非常对称, 仪器位于管道中心, 通电后4 个线圈相当于交替放置的N 极与S 极, 故产生的磁场也是对称分布的。流体从仪器与油管环形空间流过, 切割磁力线产生感生电势, 通过4 个对称分布的电极即可进行流量测量。
2 .. 电磁流量计在聚合物溶液及清水管流中动态实验
外流式四电极电磁流量计在聚合物溶液中的动态实验是在大庆油田测试技术服务分公司多相流流动环路中进行的, 实验目的是为了认识电磁流量计在清水及聚合物溶液中响应特性。使用模拟井内径为125 mm, 井筒高度为13m, 内衬有长为6m、内径为62mm 的油管, 实验时用扶正器使仪器居中。实验用聚合物溶液为相对分子质量为( 3~ 8) .. 106 的聚丙烯酰胺, 配制不同质量分数、密度约为1.. 0 g/ cm3 聚合物。在清水中标定的流量范围为0~ 200 m3 / d, 在聚合物溶液中标定的流量范围为0~ 150m3 / d。聚合物溶液黏度与聚合物质量分数实验关系可通过化验分析获得。图2 为井下四电极电磁流量计及测量响应曲线图。从实验结果可以看出, 在清水中的测量响应线在相同流量时总是高于聚合物响应线, 尤其是流量增大时差异更明显。此外, 当聚合物溶液黏度变化时, 每支仪器对黏度变化的响应值差别很小, 表明电磁流量计受流体黏度的影响不显著。图2.. 四电极电磁流量计在聚合物及清水中测量响应Fig. 2 .. The measurement response of four electrodes electromagnetic f lowmeter in pure water and polymer solutions
3 .. 四电极智能电磁流量计响应数值模拟
3.. 1 .. 计算测量场域内流速分布的标准..- ..模型在标准..- ..模型中[ 8] , ..和..为两个基本未知量, 与之相对应的输运方程为..( ..k ) ..t + ..( ..kui ) ..x i = .. ..x j ..+ ..t ..k .. k ..x j + Gk + Gb - ....- Ym + Sk ( 3) ..( ....) ..t + ..( ....ui ) ..x i = .. ..x j ..+ ..t .... .. .. ..x j + C1.. ..k ( Gk + C3..G b ) - C2.. ....2 k + S.. ( 4) 式中: ui 表示时均速度; Gk 为由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项; Gb 为由于浮力引起的湍动能k 的产生项; Ym 代表可压湍流中脉动扩张的贡献; ..为因分子黏性而引入的流体动力黏度; ..t 为湍动黏度( 空间坐标函数, 取决于流动状态) ; C1.., C2..和C3..为经验常数; ..k 和.... 分别为与湍动能k 和耗散率.. 对应的Prandt l 数; S k 和S.. 为用户定义的源项。在此模型中, 根据Launder 等推荐值, 模型常数取值分别为: C1..= 1.. 44; C2..= 1.. 92; C3..= 1; ..k = 1.. 0; ....= 1.. 3。
3.. 2 .. 油管与仪器环形空间流速分布
仿真模型油管管径为62 mm, 油管长度设定为2 000mm, 仪器直径为35 mm。为了在仪器使用过程中测量电极不受损坏, 测量处专门设计成凹槽形状。所以测量处仪器直径为33.. 8 mm, 仪器长度为1 200 mm, 仪器测量电极段长度为44.. 5mm。计算仪器与油管环形空间流场计算时单元网格剖分数为( 10~ 60) .. 104。由于油管长度较长且与管径比例相差太大, 无法完整显示网格, 这里忽略变化很小的部分, 仅取仪器顶部、仪器测量段及仪器尾部网格, 合并后的整体网格剖分情况如图3 所示。若设定聚合物质量分数变化范围为0.. 05% ~ 0.. 2% , 则计算出的测量电极处流速分布呈中心对称, 随着黏度的增大, 流速分布中心流速也随之增大。清水流速剖面分布比聚合物流速剖面分布平坦些, 其中心流速比聚合物小, 而环形空间两侧存在比图3.. 流场剖分网格及测量电极位置处流速分布Fig . 3 .. Meshed model of flow field distribution and f low velocity at the measurement electrode section 聚合物流速大的区域。尽管聚合物中心流速比清水要大, 但是清水在中心区域外的两边流速要比对应的聚合物流速要大。
3.. 3 .. 四电极智能电磁流量计响应数值模拟
四电极电磁流量计权重函数可认为两电极权重函数的叠加。两电极权重函数的表达式为[ 3] w ( x , y ) = a2 .. ( a2 + x 2 - y 2 ) a4 + 2a2 ( x 2 - y 2 ) + ( x 2 + y 2 ) 2 .. ( 5) 则四电极权重函数可以表示为w ( x , y ) = a2 .. ( a2 + x 2 - y2 ) a4 + 2a2 ( x 2 - y 2 ) + ( x 2 + y 2 ) 2 + .. .. a2 .. ( a2 + y 2 - x 2 ) a4 + 2a2 ( y2 - x 2 ) + ( x 2 + y 2 ) 2 ( 6) 式中: a 为归一化的管子半径; x 与y 分别为测量场域内平面直角坐标位置变量。根据前面采用有限元分析方法计算的磁场强度分布, 结合测量场域内流速剖面分布及权重函数分布, 最后由式( 1) 就可以计算出四电极电磁流量计响应输出, 如图4 所示。由图4 可以看出: 假设清水磁导率与聚合物不同, 清水中电磁流量计响应大于聚合物中的响应; 尽管聚合物黏度变化, 但在相同聚合物流量时, 电磁流量计响应输出结果差别不很明显, 说明聚合物在轴对称流速分布时, 黏度变化对流量测量影响不大。以上数值模拟结果也与图2 所示的在清水与聚合物溶液中实验测量结果相吻合, 较好地解释了在清水与聚合物溶液中电磁流量计响应差异的原因, 并对聚合物黏度变化对流量测量影响不大给出了理论计算依据。图4.. 清水与聚合物的电磁流量计响应预测结果Fig . 4 .. Prediction response of electromagnetic flowmeter in pure water and polymer solution
4 .. 测井环境对电磁流量计响应影响
4.. 1 .. 仪器在油管中倾斜时的流速分布
从图5 可以看出: 当仪器向左侧倾斜1..时, 仪器顶部及测量段流场分布有很大变化, 说明仪器倾斜时对流场分布影响很大; 当仪器在油管中倾斜时, 电磁流量计权重函数会发生较大的非对称分布, 仪器倾斜带来的流速非对称分布会给仪器测量精度带来较大影响。实际测井时, 应尽可能保持仪器的居中扶正效果。图5 .. 仪器在油管内倾斜1..时流速分布Fig. 5.. Flow velocity distribution at the condition of 1.. inclination of f lowmeter in oil pipe
4.. 2 .. 存在悬浮物颗粒时流速分布
图6( a) 为注入聚合物流量为100 m3 / d 时流场有悬浮物颗粒时的流速分布, 其中聚合物黏度为14mPa..s, 油管直径为62mm, 仪器直径为38mm, 悬图6.. 管壁结垢及流场有悬浮物颗粒时流速分布Fig. 6.. Flow velocity distribution with suspended particles presenting 浮物颗粒直径为4mm。注入不同流量聚合物时测量电极处流速分布如图6( b) 所示。可以看出: 有悬浮物颗粒时流速剖面发生很大畸变, 尤其是高流量时畸变更为严重, 这种情况下电磁流量计测量聚合物流量会有较大误差。
5 .. 结.. 论
( 1) 从磁场与流速剖面分布角度, 对清水及聚合物溶液中的电磁流量计测量响应存在的差异进行了数值模拟计算, 验证了清水中仪器常数高于聚合物中的仪器常数。
( 2) 根据理论上计算的智能电磁流量计测量区域内流速剖面在不同黏度聚合物中的分布规律可知, 电磁流量计在轴对称流动的聚合物溶液中仪器常数变化不显著。
( 3) 理论上计算了仪器倾斜及悬浮颗粒存在时电磁流量计测量区域内流速剖面分布, 得到流速剖面非轴对称分布, 进而影响电磁流量计测量响应特性。
参考文献
[ 1] .. H an D K, Yang C Z, Zh ang Z Q, et al. Recent development of en.. hanced oil recovery in Chin a [ J] . Journal of Pet roleum S cience an d E ngineering, 1999, 22( 1/ 3) : 181..188.
[ 2] .. 王德民, 程杰成, 吴军政, 等. 聚合物驱油技术在大庆油田的应用--扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：
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