电磁相关法流量测量传感器检测电极距离研究*

王月明, 孔令富, 刘兴斌, 李英伟, 张玉辉

(1.内蒙古科技大学 数理生学院,内蒙古 包头 014010；2.燕山大学 信息工程学院,河北 秦皇岛 066004；3.大庆油田测试技术服务分公司，黑龙江 大庆 163453)

0 引 言

在石油生产测井中，由于目前尚没有专门适合的多相流流量测量仪器设备，为了测量油气水多相流，人们把一些单相流流量仪表应用于油气水多相流的流量测量之中[1～4]，但各种流量计都反映出不同的问题。电磁流量计因其在管道中无阻碍流动部件，维护方便，结构简单，测量范围较宽广，使用可靠，并可应用在狭小空间的流量测量中[5]。近年来,传统的单相流电磁流量计已开始应用于高含水率多相流流量测量，特别在高含水油田注水井、注聚井的注入剖面测井中应用更为广泛[6]，并在一定程度上能提高测井成功率[7]。但是,传统单相流电磁流量计在生产测井方面也存在明显不足：传统单相流电磁流量计在测量含水率较低多相流，即流体中非导电物质(油气泡)等含量较高时，流量计测量结果扰动性大，使得流量计计量误差增加，尤其在被测量流体流动速度较慢时，传统电磁流量计测量误差更大。在相关法测量技术应用于石油生产测井油气水多相流流速、流量测量方面：刘兴斌首次提出了基于电导传感器测量高含水油井流量和含水率的方法，并成功研制了电导相关测井仪器[8]，孔令富、李英伟对电导传感器的油水两相流测量方法进行了研究[9]，目前，电导式传感器作为油气水多相流持水率测量仪成功地应用于石油生产测井中，在石油生产测井中电导式相关流量传感器也可以计量涡轮流量计无法测量的出砂井油水两相流流量，但一定程度上会受到适用范围的限制[10]。刘兴斌、赵娜等人将热示踪法应用于低产液水平井井下油水两相流流量测量[11]，可以较好地解决流体粘附问题，但是,热示踪方法只能对较低流速下的流体流量进行测量，且测量精度与放热时间、流体速度等因素都有关系。

目前，井下油气水多相流流量准确测量依旧是未能很好解决的实际问题。鉴于此，本文提出一种新型的油气水多相流电磁相关法流量测量传感器，以解决石油生产测井中油气水多相流测量中存在的问题；同时通过仿真实验分析给出了电磁相关法流量测量模型中两对检测电极之间的距离设计参数，为电磁相关法流量测量传感器检测电极之间距离的参数设计提供指导意见。

1 电磁相关法流量测量模型

1.1 电磁相关法流量测量传感器模型

为了解决生产测井中的油气水多相流流量测量问题，提出一种油气水多相流电磁相关法流量测量模型，如图1所示为电磁相关法流量测量模型，图1(a)为电磁相关法流量测量模型图，电磁相关法流量由励磁结构产生磁场，两对检测电极不是在测量管同一径向截面，而是在测量管同一轴向截面上。电磁相关法流量测量模型电极剖切平面的剖视图如图1(b)所示，其中,A1与C1构成一对检测电极，A2与C2构成另一对检测电极，两对检测电极处于同一励磁线圈产生的较均匀磁场中且相距适当距离，多相流流量可通过两对检测电极的测量信号进行运算获取。

图1 电磁相关法流量测量模型

该测量方法是在流体通过的管道相隔L的适当距离上安装两对检测电极(分别称为上游电极和下游电极)，两对检测电极提取能反映被测流体流动状况的测量信号。当两对检测电极获取的检测信号波动较小(多相流中非导电相含量较小,即高含水流体等情况)时，两对检测电极检测信号相关性较差，可采用电磁流量测量方法对流体流量进行测量；当两对检测电极获取的检测信号存在一定波动(多相流中非导电相含量增加等情况)时，两对检测电极测量信号相关性较好，通过相关法对测量信号处理计算,进而获得多相流流体速度与流量。因此，电磁相关法流量测量模型可以测量以水为连续相的两相流或多相流流量，电磁相关法流量测量模型融合了电磁流量测量信息与相关法流量测量信息，使其流量测量范围较其它相关法流量传感器与传统使用于生产测井中井下集流式电磁流量计宽广，同时扩展了电磁流量测量法流体中油气含率的量程范围，而且保持较好的测量精度。

油气水多相流电磁相关法流量测量模型能扩大生产测井中多相流油气含率的量程范围并提高流量测量精度，且具有连续测量、无放射性、低成本等优点。为了研究电磁相关法流量计两对检测电极之间的距离L的设计要求，建立电磁相关法流量测量传感器轴向检测电极截面模型，如图2所示，两对检测电极相距L的距离，传感器测量管道直径为2R，测量管的中心轴称为y轴，x轴与y轴构成直角坐标系，x轴位于两对检测电极中心线，两轴交汇点为坐标原点，设定仿真模型高度为14R(即y轴为-7R～7R)，分别如图2中所示。

图2 电磁相关法流量测量传感器模型

1.2 敏感场灵敏度定义

电磁流量检测电极测量的基本方程[12]

(1)

为了定量地考查流量计内部非导电物质(油气泡)对电磁流量计敏感场的分布影响，定义c为敏感场灵敏度，即

(2)

式中jx为有非导电物质(油气泡)虚电流在x方向上的分量，j0x为无非导电物质(油气泡)时虚电流在x方向上的分量。

2 电磁相关法流量测量模型仿真实验

为了考查电磁相关法流量测量传感器中两对检测电极距离L的设计方法。建立Ansys仿真模型，仿真模型如图2所示，设定为垂直上升管，在仿真实验中，设定测量管直径为2R，两对检测电极两端给一定的电压值，仿真模型设计一定半径的非导电物质(油气泡)由流体底部进入，沿着y轴随着上升的流体向上运动，仿真实验对电磁相关法流量传感器中流体的虚电流进行考查，在y轴-6.5R～6.5R内每隔0.5R采集一次仿真数据。通过分析，以获得电磁相关法流量测量传感器两对检测电极的较佳距离。

2.1 仿真实验

仿真实验中，设定流经电磁相关法流量测量传感器的流体中非导电物质(油气泡)半径分别为0.2R，0.3R，0.4R，对电磁流量测量传感器的敏感场灵敏度c分布情况进行分析。大量实验研究结果表明：相关法流量测量技术中上游、下游测量信号间距离设置为R～4R(R为测量管道半径)之间较为适宜[13]，因此，本文L设定为R～4R之间，Ansys仿真模型中两对检测电极距离分别设定为2R,3R，4R，非导电物质(油气泡)通过传感器的中心轴线(y轴)，仿真不同检测电极距离对传感器敏感场灵敏度c的情况影响，已获得较佳的两对电极距离问题答案。

这里只显示其中部分实验的仿真图，如图3所示。但是，虚电流分布图无法准确地获取检测电极之间的不同距离L对传感器信号影响关系。为此，本文运用敏感场灵敏度c对仿真数据进行进一步分析。

图3 传感器两对检测电极距离为4R时非导电物质存在时敏感场分布情况

如图4所示为传感器两对检测电极不同距离L与流量测量传感器敏感场灵敏度关系图，横轴表示非导电物质(油气泡)在电磁流量测量传感器y轴的位置，图中各图例分别代表了不同大小检测电极距离时非导电物质(油气泡)在不同位置时敏感场灵敏度c的变化情况。

图4 不同检测电极距离时流量测量传感器敏感场灵敏度关系

2.2 仿真结果分析

仿真结果可以得出：对于含有半径一定的非导电物质(油气泡)多相流流体，检测电极距离L越大，非导电物质(油气泡)对传感器的敏感场灵敏度c的响应特性在电磁相关法流量测量传感器中心位置时(y=0)就越小；仿真实验也可以说明，当电磁相关法流量测量传感器两对检测电极距离一定时，非导电物质(油气泡)半径越大，非导电物质(油气泡)位于电磁相关法流量测量传感器中心位置时(y=0)与位于检测电极截面位置时的敏感场灵敏度c相差就越大。由仿真结果可得：不同大小的非导电物质(油气泡)对与传感器两对检测电极距离不同时，传感器内部敏感场灵敏度也不同。

如果使得电磁相关法流量测量传感器两对检测电极获取的电势感应信号具有较好的相关性，就要使非导电物质(油气泡)对两对检测电极测量的感应信号产生的波动信号相互独立，即当非导电物质(油气泡)通过第一对检测电极时对第二对检测电极获取的测量信号影响较小。运用敏感场灵敏度c的响应特性可以描述出非导电物质(油气泡)对电磁相关法流量测量传感器两对检测电极产生的影响。为了对不同大小的非导电物质(油气泡)在传感器不同距离下信号波动幅度变化影响进一步进行研究，定义传感器中点信号幅度波动比来评价这一问题，幅度波动比定义如下

(3)

通过传感器幅度波动比的定义来进一步分析检测电极信号的相关性，如表1所示。从幅度波动比定义可知,油气泡半径大小不同时，传感器两对检测电极相对距离要求也不同，当油气泡半径较小时，仿真实验中非导电物质半径为0.2R与0.3R时，传感器两对检测电极间距离为3R～4R较好。当油气泡半径较大时(大于0.4R)传感器两对检测电极相距2R～4R均可以。

表1 信号幅度波动比分析

在模拟井油气水多相流实流实验中，实验中运用电磁式流量测量仪获取不同流量与不同含水率多相流测量信号[14]，不同的含水率电磁式流量测量信号有所不同，但在油气水多相流实流实验观察中发现存在以下规律：当低流速时(流速<3 m/s时)，流体中的油气泡较大，分布也不是很均匀(油气泡的半径为0.4R的仿真实验基本上仿真此类问题)；当通过电磁流量测量传感器的多相流流体流量较大时，由于流体速度较快(流速>8 m/s时)，流体中油气水分布均匀，且油气泡较小，较分散(实流实验表明:这类问题运用电磁式流量测量方法即可获取流体速度)；当油气水多相流流体速度介于以上2种速度之间时，油气泡分布随机化且大小介于以上2种情况之间(油气泡的半径为0.2R的仿真实验基本上仿真此类问题)。更多的实流实验内容可参考文献[14]。

3 结束语

本文提出了一种电磁相关法流量测量传感器，该传感器融合了电磁流量测量信息与相关法流量测量信息，用来解决石油生产测井中油气水多相流流量测量问题；同时，通过对传感器内部虚电流及其敏感场的仿真，讨论了电磁相关法流量测量传感器两对检测电极之间的距离参数设计问题，为电磁相关法流量测量传感器两对检测电极的距离设计提供参考依据。

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