摘要(yao):油水(shui)兩相(xiang)流中(zhong)存在(zai)非導(dao)電物(wu)質,對(dui)電磁(ci)流量(liang)計 測(ce)量結(jie)果存(cun)在一(yi)定影(ying)響。在(zai)高流(liu)速下(xia)兩相(xiang)流的(de)測量(liang)中,電(dian)磁流(liu)量計(ji)測量(liang)中卻(que)出現(xian)了與(yu)低流(liu)速時(shi)不同(tong)的測(ce)量結(jie)果，該(gai)現象(xiang)在工(gong)業生(sheng)産中(zhong)一直(zhi)未得(de)到較(jiao)滿意(yi)的解(jie)釋。介(jie)紹了(le)電磁(ci)流量(liang)計的(de)基本(ben)原理(li),分析(xi)了可(ke)能影(ying)響電(dian)磁流(liu)量計(ji)感應(ying)信号(hao)的因(yin)素。研(yan)究了(le)非導(dao)電物(wu)質對(dui)電磁(ci)流量(liang)計權(quan)重函(han)數分(fen)布情(qing)況的(de)影響(xiang),對高(gao)流速(su)兩相(xiang)流測(ce)量結(jie)果進(jin)行解(jie)釋。仿(pang)真實(shi)驗表(biao)明,在(zai)--定的(de)含水(shui)率範(fan)圍内(nei)，流體(ti)中的(de)非導(dao)電物(wu)質半(ban)徑較(jiao)小時(shi),對電(dian)磁流(liu)量計(ji)的權(quan)重函(han)數影(ying)響很(hen)小。該(gai)研究(jiu)結果(guo)可爲(wei)兩相(xiang)流電(dian)磁流(liu)量生(sheng)産測(ce)量提(ti)供-定(ding)的參(can)考依(yi)據。
0引(yin)言
　　油(you)水兩(liang)相流(liu)動是(shi)石油(you)工業(ye)中十(shi)分普(pu)遍的(de)現象(xiang)，油水(shui)兩相(xiang)流流(liu)量的(de)測量(liang)是産(chan)出剖(pou)面測(ce)井應(ying)用最(zui)廣泛(fan)的一(yi)種,解(jie)決油(you)水兩(liang)相流(liu)流量(liang)的測(ce)量問(wen)題是(shi)測井(jing)工業(ye)中最(zui)熱門(men)的課(ke)題之(zhi)一。電(dian)磁流(liu)量計(ji)是重(zhong)要的(de)流量(liang)測量(liang)儀表(biao),近年(nian)來,電(dian)磁流(liu)量計(ji)開始(shi)應用(yong)于多(duo)相流(liu)測量(liang),尤其(qi)在高(gao)含水(shui)的石(shi)油測(ce)井方(fang)面應(ying)用廣(guang)泛,電(dian)磁流(liu)量計(ji)應用(yong)于多(duo)相流(liu)理論(lun)中具(ju)有獨(du)特的(de)優點(dian),如對(dui)流速(su)分布(bu)不太(tai)敏感(gan)，管道(dao)中無(wu)阻礙(ai)流體(ti)流動(dong)的部(bu)件[2-3]。電(dian)磁流(liu)量計(ji)的基(ji)本理(li)論是(shi)建立(li)在單(dan)相流(liu)的理(li)論基(ji)礎.上(shang)的,流(liu)體存(cun)在氣(qi)泡或(huo)油泡(pao)等非(fei)導電(dian)物質(zhi)時,非(fei)導電(dian)物質(zhi)在通(tong)過電(dian)磁流(liu)量計(ji)傳感(gan)器時(shi)不産(chan)生感(gan)應電(dian)勢,所(suo)以電(dian)磁流(liu)量計(ji)的測(ce)量結(jie)果會(hui)因含(han)水率(lü)不同(tong)而産(chan)生--定(ding)變化(hua)。但是(shi),在電(dian)磁流(liu)量計(ji)實際(ji)測量(liang)中卻(que)發現(xian)當測(ce)量流(liu)速高(gao)于--定(ding)範圍(wei)後,電(dian)磁流(liu)量計(ji)的測(ce)量值(zhi)在很(hen)大範(fan)圍不(bu)會因(yin)爲含(han)水率(lü)不同(tong)而不(bu)同,這(zhe)一問(wen)題是(shi)工業(ye)測量(liang)生産(chan)中以(yi)及研(yan)究人(ren)員的(de)關注(zhu)問題(ti)之一(yi)。
　　通過(guo)非導(dao)電物(wu)質對(dui)電磁(ci)流量(liang)計權(quan)重函(han)數的(de)影響(xiang),結合(he)雷諾(nuo)數、湍(tuan)流度(du)對這(zhe)一問(wen)題進(jin)行闡(chan)述,以(yi)求獲(huo)得這(zhe)一問(wen)題的(de)合理(li)解釋(shi),爲電(dian)磁流(liu)量計(ji)在高(gao)流速(su)含水(shui)率在(zai)一定(ding)範圍(wei)内時(shi)兩相(xiang)流的(de)測量(liang)提供(gong)一定(ding)參考(kao)依據(ju)。
1流量(liang)計感(gan)應電(dian)勢理(li)論基(ji)礎
　　當(dang)導電(dian)流體(ti)流過(guo)外加(jia)磁場(chang)時,切(qie)割磁(ci)力線(xian)。根據(ju)法拉(la)第電(dian)磁感(gan)應定(ding)律,在(zai)流體(ti)中就(jiu)會産(chan)生感(gan)應電(dian)動勢(shi),且通(tong)過測(ce)量感(gan)應運(yun)動勢(shi)的值(zhi)獲取(qu)流體(ti)的速(su)度和(he)流量(liang),這就(jiu)是電(dian)磁流(liu)量計(ji)測量(liang)流量(liang)的基(ji)本原(yuan)理。由(you)Maxwell方程(cheng)及--定(ding)的假(jia)設條(tiao)件,可(ke)得電(dian)磁流(liu)量計(ji)的感(gan)應電(dian)勢的(de)表達(da)方程(cheng)
 
　　式中(zhong),U爲兩(liang)電極(ji)的電(dian)勢差(cha);矢量(liang)V爲導(dao)電流(liu)體的(de)流速(su);B爲磁(ci)感應(ying)強度(du);A爲對(dui)所有(you)空間(jian)積分(fen);W爲矢(shi)量權(quan)函數(shu),它是(shi)一個(ge)隻由(you)電磁(ci)流量(liang)計本(ben)身結(jie)構決(jue)定的(de)量。不(bu)同結(jie)構的(de)電磁(ci)流量(liang)計權(quan)重函(han)數不(bu)同，研(yan)究人(ren)員分(fen)析了(le)外流(liu)式四(si)電極(ji)電磁(ci)流量(liang)權重(zhong)函數(shu)[1]。
2高流(liu)速兩(liang)相流(liu)下測(ce)量值(zhi)與分(fen)析
　　在(zai)模拟(ni)井實(shi)驗中(zhong),采用(yong)集流(liu)的内(nei)流式(shi)電磁(ci)流量(liang)計測(ce)量兩(liang)相流(liu),該電(dian)磁流(liu)量計(ji)檢測(ce)電極(ji)測量(liang)信号(hao)是利(li)用法(fa)拉第(di)電磁(ci)感應(ying)定律(lü)。檢測(ce)電極(ji)安裝(zhuang)在流(liu)量測(ce)量傳(chuan)感器(qi)流體(ti)輸送(song)管道(dao)上,将(jiang)通過(guo)傳感(gan)器導(dao)管中(zhong)的油(you)氣水(shui)多相(xiang)流流(liu)體的(de)流速(su)轉變(bian)成檢(jian)測電(dian)極兩(liang)端的(de)感應(ying)電勢(shi)信号(hao)。當通(tong)過電(dian)磁流(liu)量計(ji)的總(zong)流量(liang)較大(da)時,一(yi)定的(de)含水(shui)率範(fan)圍内(nei)，例如(ru)含水(shui)率在(zai)50%~100%時,高(gao)流速(su)下電(dian)磁流(liu)量計(ji)流量(liang)測量(liang)值基(ji)本在(zai)某一(yi)值附(fu)近。表(biao)1所示(shi)爲高(gao)流速(su)下電(dian)磁流(liu)量計(ji)兩相(xiang)流測(ce)量顯(xian)示值(zhi)。表1中(zhong),各列(lie)表示(shi)不同(tong)含水(shui)率下(xia)電磁(ci)流量(liang)計測(ce)量結(jie)果,各(ge)行表(biao)示不(bu)同流(liu)速下(xia)測量(liang)結果(guo)(電磁(ci)流量(liang)計輸(shu)出爲(wei)響應(ying)頻率(lü),單位(wei)爲Hz),下(xia)面從(cong)理論(lun)上對(dui)這一(yi)問題(ti)進行(hang)研究(jiu)。
 
　　由流(liu)量計(ji)的感(gan)應電(dian)勢理(li)論基(ji)礎可(ke)知,流(liu)量計(ji)的感(gan)應電(dian)勢差(cha)由流(liu)量計(ji)管徑(jing)半徑(jing)R、流體(ti)的流(liu)速分(fen)布V、磁(ci)感應(ying)強度(du)分布(bu)B、權重(zhong)函數(shu)分布(bu)W确定(ding).
　　由于(yu)油與(yu)水磁(ci)化率(lü)近似(si)相等(deng)[5],兩相(xiang)流流(liu)體中(zhong)油泡(pao)的存(cun)在對(dui)流量(liang)計磁(ci)場分(fen)布影(ying)響較(jiao)小，所(suo)以油(you)水兩(liang)相流(liu)對流(liu)量計(ji)傳感(gan)器截(jie)面上(shang)磁感(gan)應強(qiang)度分(fen)布幾(ji)乎沒(mei)有影(ying)響。在(zai)總流(liu)量一(yi)定的(de)情況(kuang)下,含(han)水率(lü)不同(tong)并不(bu)影響(xiang)電磁(ci)流量(liang)計截(jie)面的(de)平均(jun)流速(su),采用(yong)FLUENT仿真(zhen)出傳(chuan)感器(qi)管道(dao)内不(bu)同徑(jing)向含(han)水率(lü)的速(su)度分(fen)布,提(ti)取不(bu)同徑(jing)向的(de)流體(ti)速度(du),并進(jin)行數(shu)值分(fen)析,也(ye)說明(ming)含水(shui)率不(bu)同總(zong)流量(liang)相同(tong)時測(ce)量區(qu)域的(de)速度(du)分布(bu)是相(xiang)近的(de)。非導(dao)電物(wu)質在(zai)流體(ti)中切(qie)割磁(ci)力線(xian)不産(chan)生感(gan)應電(dian)勢,故(gu)而其(qi)權重(zhong)函數(shu)的貢(gong)獻率(lü)爲0。但(dan)是，在(zai)高流(liu)速下(xia)含水(shui)率50%與(yu)含水(shui)率100%測(ce)量的(de)數值(zhi)一樣(yang)大或(huo)甚至(zhi)還大(da)的現(xian)象一(yi)直困(kun)惑着(zhe)工程(cheng)技術(shu)人員(yuan)。
　　實驗(yan)發現(xian),電磁(ci)流量(liang)計測(ce)量低(di)流速(su)兩相(xiang)流時(shi)流體(ti)中的(de)油泡(pao)半徑(jing)較大(da),分布(bu)也不(bu)是很(hen)均勻(yun)，兩相(xiang)流的(de)電磁(ci)流量(liang)計感(gan)應電(dian)動勢(shi)的計(ji)算模(mo)型由(you)文獻(xian)[6]給出(chu)。而高(gao)流速(su)時，由(you)于流(liu)量計(ji)中的(de)流體(ti)速度(du)較快(kuai),流體(ti)中油(you)水分(fen)布均(jun)勻,且(qie)油泡(pao)較小(xiao)，較分(fen)散,油(you)泡以(yi)細小(xiao)分散(san)狀存(cun)在于(yu)水連(lian)續相(xiang)中。
　　雷(lei)諾數(shu)是表(biao)征流(liu)體流(liu)動情(qing)況的(de)無量(liang)綱數(shu)。雷諾(nuo)數較(jiao)小時(shi),黏滞(zhi)力對(dui)流場(chang)的影(ying)響大(da)于慣(guan)性力(li)，流場(chang)中流(liu)速的(de)擾動(dong)會因(yin)黏滞(zhi)力而(er)衰減(jian)，流體(ti)流動(dong)穩定(ding),爲層(ceng)流;反(fan)之,若(ruo)雷諾(nuo)數較(jiao)大時(shi)，慣性(xing)力對(dui)流場(chang)的影(ying)響大(da)于黏(nian)滞力(li),流體(ti)流動(dong)不穩(wen)定，流(liu)速的(de)微小(xiao)變化(hua)容易(yi)發展(zhan).增強(qiang),形成(cheng)紊亂(luan)、不規(gui)則的(de)湍流(liu)流場(chang)。流态(tai)轉變(bian)時的(de)雷諾(nuo)數值(zhi)稱爲(wei)臨界(jie)雷諾(nuo)數。一(yi)般管(guan)道雷(lei)諾數(shu)Re<2100爲層(ceng)流狀(zhuang)态,Re>4000爲(wei)湍流(liu)狀态(tai)，Re=2100~4000時爲(wei)過渡(du)狀态(tai)。表2列(lie)出不(bu)同含(han)水率(lü)與不(bu)同流(liu)速下(xia)的雷(lei)諾數(shu)。
 
　　在湍(tuan)流下(xia)，由于(yu)流體(ti)流動(dong)不穩(wen)定,平(ping)均流(liu)中會(hui)不斷(duan)産生(sheng)大尺(chi)度渦(wo);大尺(chi)度渦(wo)由于(yu)不穩(wen)定破(po)碎爲(wei)小尺(chi)度渦(wo),小尺(chi)度渦(wo)本身(shen)也不(bu)穩定(ding)，因此(ci)又會(hui)再破(po)碎爲(wei)更小(xiao)的渦(wo)。流速(su)越高(gao)流體(ti)的雷(lei)諾數(shu)越大(da),流體(ti)流動(dong)小尺(chi)寸結(jie)構越(yue)細,且(qie)在流(liu)體中(zhong)分布(bu)較均(jun)勻。
3非(fei)導電(dian)物質(zhi)存在(zai)時權(quan)重函(han)數
　　高(gao)流速(su)時,電(dian)磁流(liu)量計(ji)中的(de)流體(ti)爲湍(tuan)流,且(qie)雷諾(nuo)數越(yue)大，流(liu)體小(xiao)尺寸(cun)結構(gou)越小(xiao)。但流(liu)體整(zheng)體向(xiang)前的(de)流速(su)不會(hui)因爲(wei)湍流(liu)而減(jian)小,這(zhe)樣的(de)情況(kuang)下可(ke)知電(dian)磁流(liu)量計(ji)流體(ti)中的(de)非導(dao)電物(wu)體的(de)尺寸(cun)更小(xiao)。當含(han)水率(lü)不變(bian),非導(dao)電物(wu)體物(wu)質半(ban)徑變(bian)小後(hou)對電(dian)磁流(liu)量計(ji)的整(zheng)體流(liu)速分(fen)布不(bu)變、對(dui)流量(liang)計的(de)磁場(chang)分布(bu)影響(xiang)較小(xiao)。根據(ju)式(1)可(ke)知，電(dian)磁流(liu)量計(ji)中非(fei)導電(dian)物質(zhi)的半(ban)徑大(da)小對(dui)流量(liang)計的(de)權重(zhong)函數(shu)是有(you)影響(xiang)的。
　　當(dang)電磁(ci)流量(liang)計中(zhong)心橫(heng)截面(mian)内含(han)有M(M=0,1,2.,-.)個(ge)油泡(pao)時傳(chuan)感器(qi)的權(quan)重函(han)數分(fen)布情(qing)況,本(ben)文算(suan)例設(she)定M=3權(quan)重函(han)數分(fen)布情(qing)況計(ji)算方(fang)式。圖(tu)1爲電(dian)磁流(liu)量計(ji)傳感(gan)器截(jie)面内(nei)存在(zai)3個球(qiu)形油(you)泡時(shi)的結(jie)構模(mo)型圖(tu)。其中(zhong),x軸與(yu)y軸與(yu)圖1描(miao)述--緻(zhi),圖1中(zhong)隻顯(xian)示了(le)測量(liang)區域(yu)部分(fen),測量(liang)區域(yu)流體(ti)中存(cun)在3個(ge)油泡(pao)。y正半(ban)軸、負(fu)半軸(zhou)與管(guan)壁的(de)交點(dian)是流(liu)量計(ji)的電(dian)極位(wei)置。
 
　　圖(tu)1中3個(ge)油泡(pao)相互(hu)不重(zhong)疊,此(ci)時傳(chuan)感器(qi)内部(bu)感應(ying)電勢(shi)仍滿(man)足Laplace方(fang)程。爲(wei)了對(dui)該問(wen)題進(jin)行求(qiu)解,需(xu)建立(li)2種坐(zuo)标系(xi),一種(zhong)是以(yi)傳感(gan)器中(zhong)心爲(wei)原點(dian)建立(li)的二(er)維直(zhi)角坐(zuo)标系(xi)(x,y),另一(yi)種是(shi)以各(ge)個油(you)泡中(zhong)心爲(wei)原點(dian)建立(li)的M個(ge)二維(wei)極坐(zuo)标系(xi)(ri,θi)。首先(xian)在二(er)維直(zhi)角坐(zuo)标系(xi)下對(dui)該問(wen)題進(jin)行求(qiu)解(本(ben)例M=3),求(qiu)解感(gan)應電(dian)勢方(fang)程時(shi)需借(jie)用一(yi)個輔(fu)助的(de)格林(lin)函數(shu)G,G滿足(zu)Laplace方程(cheng)且邊(bian)界條(tiao)件
 
　　式(shi)中,R爲(wei)電磁(ci)流量(liang)計半(ban)徑的(de)長度(du)值;მG/an爲(wei)電勢(shi)在半(ban)徑方(fang)向上(shang)的導(dao)數;δ(θ)爲(wei)電勢(shi)G在流(liu)量計(ji)管壁(bi)處所(suo)滿足(zu)的條(tiao)件,其(qi)值僅(jin)在電(dian)極表(biao)面處(chu)不爲(wei)0。當流(liu)體中(zhong)存在(zai)油泡(pao)時,G表(biao)達式(shi)爲
   

　　式(shi)中,R爲(wei)測量(liang)管的(de)半徑(jing);x與y分(fen)别表(biao)示測(ce)量區(qu)域中(zhong)的位(wei)置。
　　當(dang)電磁(ci)流量(liang)計流(liu)體中(zhong)存在(zai)3個油(you)泡時(shi),G=G+G1+G2+G3圖2顯(xian)示了(le)流量(liang)計流(liu)體截(jie)面中(zhong)存在(zai)3個不(bu)重疊(die)的油(you)泡時(shi),流量(liang)計截(jie)面内(nei)部權(quan)重函(han)數wy分(fen)布圖(tu);從式(shi)(2)以及(ji)仿真(zhen)圖中(zhong)可以(yi)發現(xian)油泡(pao)所在(zai)位置(zhi)權重(zhong)函數(shu)值是(shi)0。當然(ran)，存在(zai)多個(ge)油泡(pao)分布(bu)在不(bu)同位(wei)置流(liu)體中(zhong)時權(quan)重函(han)數分(fen)布情(qing)況也(ye)可以(yi)用上(shang)述方(fang)法計(ji)算。
 
　　仿(pang)真實(shi)驗中(zhong),設定(ding)不同(tong)大小(xiao)的非(fei)導電(dian)物質(zhi)對電(dian)磁流(liu)量計(ji)權重(zhong)函數(shu)進行(hang)仿真(zhen),如圖(tu)3所示(shi)爲不(bu)同大(da)小非(fei)導電(dian)物質(zhi)對電(dian)磁流(liu)量計(ji)權重(zhong)函數(shu)的影(ying)響。圖(tu)3中左(zuo)邊的(de)分别(bie)爲權(quan)重函(han)數分(fen)布圖(tu)，右邊(bian)分别(bie)爲權(quan)重函(han)數等(deng)勢圖(tu),其中(zhong)R單位(wei)爲cm。從(cong)圖3中(zhong)可見(jian),當電(dian)磁流(liu)量計(ji)中的(de)非導(dao)電物(wu)質半(ban)徑越(yue)來越(yue)小，對(dui)電磁(ci)流量(liang)計的(de)權重(zhong)函數(shu)的影(ying)響就(jiu)越小(xiao)。
　　爲了(le)更清(qing)楚地(di)揭示(shi)電磁(ci)流量(liang)計的(de)權重(zhong)函數(shu)與流(liu)量計(ji)中非(fei)導電(dian)物質(zhi)半徑(jing)之間(jian)的關(guan)系,定(ding)義c爲(wei)非導(dao)電物(wu)質對(dui)流量(liang)計權(quan)重函(han)數的(de)影響(xiang)的評(ping)價指(zhi)标式(shi)中,Wxy爲(wei)含有(you)油泡(pao)等非(fei)導電(dian)物質(zhi)時電(dian)磁流(liu)量計(ji)在測(ce)量區(qu)域坐(zuo)标(x,y)的(de)權重(zhong)函數(shu);Wxy0爲電(dian)磁流(liu)量計(ji)不含(han)非導(dao)電物(wu)質時(shi)測量(liang)區域(yu)坐标(biao)(x,y)的權(quan)重函(han)數;A爲(wei)權重(zhong)函數(shu)區域(yu)(測量(liang)區域(yu))。
 
　　圖4爲(wei)不同(tong)大小(xiao)非導(dao)電物(wu)質對(dui)流量(liang)計權(quan)重函(han)數的(de)影響(xiang)分析(xi)圖。圖(tu)4中橫(heng)軸爲(wei)非導(dao)電物(wu)質半(ban)徑,縱(zong)軸爲(wei)權重(zhong)函數(shu)的影(ying)響因(yin)子c。從(cong)仿真(zhen)結果(guo)可以(yi)看出(chu)流體(ti)中的(de)非導(dao)電物(wu)質半(ban)徑較(jiao)小時(shi),對電(dian)磁流(liu)量計(ji)的權(quan)重函(han)數影(ying)響越(yue)小。在(zai)本例(li)中，當(dang)流體(ti)中非(fei)導電(dian)物質(zhi)小于(yu)0.02R時,對(dui)電磁(ci)流量(liang)計的(de)權重(zhong)函數(shu)分布(bu)幾乎(hu)沒有(you)影響(xiang)。
4結束(shu)語
(1)讨(tao)論了(le)高流(liu)速下(xia)電磁(ci)流量(liang)計流(liu)量測(ce)量值(zhi)不因(yin)含水(shui)率的(de)變化(hua)而不(bu)同的(de)因素(su)。通過(guo)數值(zhi)計算(suan)可知(zhi),在高(gao)流速(su)下,雷(lei)諾數(shu)增高(gao),油泡(pao)以細(xi)小分(fen)散狀(zhuang)存在(zai)于水(shui)連續(xu)相中(zhong),這一(yi)變化(hua)對流(liu)體流(liu)速分(fen)布沒(mei)有影(ying)響。計(ji)算分(fen)析了(le)水連(lian)續相(xiang)中存(cun)在細(xi)小分(fen)散狀(zhuang)的油(you)泡對(dui)流量(liang)計權(quan)重函(han)數影(ying)響情(qing)況。
(2) 在(zai)一定(ding)的含(han)水率(lü)範圍(wei)内，當(dang)流量(liang)計中(zhong)非導(dao)電物(wu)質半(ban)徑減(jian)小到(dao)--定範(fan)圍時(shi),非導(dao)電物(wu)質電(dian)磁流(liu)量計(ji)權重(zhong)函數(shu)分布(bu)對電(dian)磁流(liu)量計(ji)輸出(chu)影響(xiang)很小(xiao),進而(er)解釋(shi)了高(gao)流速(su)時在(zai)一定(ding)含水(shui)率範(fan)圍内(nei)電磁(ci)流量(liang)計輸(shu)出測(ce)量值(zhi)基本(ben)不變(bian)的原(yuan)因
(3)結(jie)果可(ke)爲高(gao)流速(su)電磁(ci)流量(liang)計兩(liang)相流(liu)産出(chu)剖面(mian)測井(jing)實際(ji)應用(yong)提供(gong)理論(lun)參考(kao)及生(sheng)産測(ce)井解(jie)釋依(yi)據。

以(yi)上内(nei)容源(yuan)于網(wang)絡，如(ru)有侵(qin)權聯(lian)系即(ji)删除(chu)!