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  时间:2022-8-29 08:54:12

Φ29电磁流量计原理及示值偏差分析

摘要:电磁流量在油田开发中主要应用于水井的分层流量测试和验漏。电磁流量计受到测井环境、套管状况、井内流体性质等因素的影响,会出现示值偏差,介绍电磁流量计原理,同时就影响流量计测井的几个因素进行了浅析,对油田后期开发测井生产有指导作用。
1前言
  吸水剖面测井资料是油田测井不可缺少的动态监测资料,当油田开发进人中后期,准确掌握注.水井各小层的吸水情况能够为油藏中和调整,挖潜增效提供可靠的数据。
  目前进行的分层流量测井是通过直读式电磁流量计下人注水井中,在正常配注情况下测取水井各个层位对于注人水的分配比例,从而根据测量结果对水井进行调剖堵水,提高注人水在各个层位的波及系数,提高油层的驱油效率,从而提高采收率。电磁流量计是随着电子技术的发展而迅速发展起来的基于法拉第电磁感应定理的用来测量导电性液体体积流量的仪表。与其它流量测量仪表相比,电磁流量计具有一-些突出的优点:测量有导电性的介质的流量不受其温度、豁度、密度、压力等物理参数的影响;无机械惯性,反映灵敏,可测瞬时脉动流.量;直线性好,测量准确度高,测量范围宽,耐腐蚀性能强等等,因此在众多的流量仪表中,电磁流量计成为发展最快的流量仪表之一。.
2电磁流量计测量原理
  直读电磁流量计的测量原理基于法拉第电磁感应定律。电磁流量计的测量原理如图1所示,当流体在磁场中作切割磁力线运动时,流体中带电粒子受罗仑磁力的作用将感应出与流速成正比的感应电动势,当流速分布相对于测量管中心轴对称时,电极检测到的流量信号将与被测流体的平均流速成正比,然后求得液体的体积流量。
电磁流量计结构图 
  电磁流量计仪器的内部结构如图2所示。在均匀磁场中,安置--根非导磁材料制成的内径为d且在内壁衬有绝缘材料的测量导管。当导电液体在.测量导管流动时,将作切割磁力线运动。假设所有液体质点都以平均流速V运动,液流速度在整个测量导管的截面上是均匀一致的。把液体看成许多.直径为d且连续运动着的薄圆盘结构,薄盘等效于长度为d的导电体,其切割磁力线的速度相当于V。由电磁感应原理可知,在液体薄圆盘内将产生连续的感应电动势E:
 
式中:E一感应电动势(V);
B一磁感应强度(T);
d一测量导管直径(cm);
V一被测液体的平均流速(cm/s)。
  感应电动势E可通过位于测量导管直径两端的一对电极输出。E的方向垂直于液体流向和磁力线方向,可用右手定则判断。
通过导管的流量q为
 
  由上式可知,对于带电粒子均匀分布的流体,当磁场强度一定时,感应电压与流体的流速成线性关系,与流体的温度、压力、密度和粘度等物理参数无关,所以电磁流量计具有许多其它机械式流量计无可比拟的优点,能实现大量程范围的高精度测量。直读式电磁流量计原理框图如图3所示。
 
  当磁感应强度B保持常数时,被测流体的体积流量q与感应电动势E成正比。即
 
  式(4)是在均匀直流磁场条件下导出的。由于直流磁场使管道中的导电液体电解,电极极化,所以会影响测量的准确度。因此通常采用交流磁场工作,交流磁场的磁感应强度B表示为:
 
  式(8)说明,当d一定及磁感应强度B保持常数时,被测流体的体积流量q与两极间的电动势E成正比,由此可以得到被测流体的流量。
  电磁流量计主要用于测量电导率大于10-4/cm·Ω的单相流体。不适用气体、蒸汽。可进行双向流动测量。对仪表前后直管段的要求不高,不受流体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响。但被测流体内不应有不均匀的气体和固体,不应有大量的磁性物质。
 
3重29电磁流量计响应影响因素分析
  电磁流量计常被用来测量管道中导电流体的流量,不管流体的性质如何,只要其具有微弱的导电性(电导率>8X10-5m/s)即可进行测量。通常油田注人的聚合物混合液的导电性能良好,符合这种测量条件。
  电磁流量计自从商品化以来,其技术进步十分明显,新材料、新设计和制造技术的采用,尤其是采用了大规模集成电路、单片机和计算机,其技术性能指标和功能都有很大提高,特别是抗干扰能力、可靠性和稳定性的改善尤为明显。从以上推导的表达式看,感应电压与流体的流速成线性关系,似乎与其它因素无关。事实上,客观条件的限制导致了电磁流量计还受到以下因素的影响,影响大时流量计甚至不能正常工作,具体分析如下;
3.1流速分布影响
  当流速分布相对于测量管中心轴对称时,电极检测到的流量信号将与被测流体的平均流速成正.比。当流速分布相对管中心为非轴对称时,还用,上述公式计算流量时将会产生测量误差。因为电极上得到的感生电动势是测量管内所有液体共同贡献的结果,每一个流体质点都有贡献。由于各个流体质点相对于电极的几何位置不同,即使各质点速度一样,它们对电动势的贡献也是不同的。越靠近电极的质点对电动势的贡献越大。也就是说,电极附近的感应电动势较大,与两电极平面成90度的地方的流体产生的感应电动势就小。如果电极附近的流速非轴对称偏大,测得的流量信号就比实际流量值大;反之,电极附近的流速非轴对称偏小,测得的流量信号也就偏小。为了消除由于流速分布而产生的测量误差,在电磁流量传感器前应有--定长度的直管段,以保证流速的轴对称分布。
3.2磁场边缘效应影响
  由前述可知,电磁流量计的基本表达式是在假.定沿流体的流动方向,上磁场始终是均匀为前提下推导而得到的。这就意味着沿管轴方向上的磁场无限长,而实际流量计的线圈长度是有限的,并且为了实现流量计的小型化,总是希望励磁线圈和测量管的长度越短越好。这样就会出现磁场边缘效应,即磁场轴向长度对感应电动势幅值和励磁线圈两端的磁感应强度不均匀。磁场中间部分大致是均匀的,两端则逐渐减弱,形成不均匀的边缘,最后.下降为零。使得液体内部电场E也不均匀,产生涡电流。由涡电流所产生的二次磁通反过来改变磁场边缘部分的工作磁通,使磁场的均匀性进--步遭到破坏。这时在电极.上测量到的感应电动势与无限长磁场下的感应电动势不一样,产生了误差。理论分析表明,为了减少边缘效应,励磁线圈的轴向长度应为测量管内径的1.4~1.52倍。这样才可以使电极.上产生的感应电动势接近于无限长磁场的理论计算值。
  假如管壁是导电的,磁场边缘效应更加明显,从而导致电极.上感应电动势的损失增加,所以管壁通常要涂_上绝缘层。假如介质的电导率极高(如液.态金属),磁场边缘区域两侧的磁场分别被削弱和增强。所以测量电导率高的介质不宜用交流励磁,而应用直流励磁。若被测介质中含有导磁性物质(铁钻、镍之类),磁场边缘效应就更复杂。由于导磁性物质的存在,使磁场发生严重畸变,造成测量的非线性。
3.3液体电导率影响
  使用电磁流量计的前提条件是被测液体必须是导电的,不能低于阈值(即下限值)。电导率低于阈值会产生测量误差直至不能使用。通用型电磁流量计的阈值在10-4~(5X10-6)s/cm之间。电磁流量计不适用于电导率很低的介质的根本原因在于传感器与转换器的阻抗匹配问题。目前,转换器的输人阻抗一-般只能达到100~200M,也就是说要保证0.1%的传输精度传感器内阻Rs必须小于100~200KΩ。若电极直径0.01m,可得到被测.介质电导率的最低值。
 
  工业用水及其水溶液的电导率大于10-4s/cm,酸、碱、寻拿磐崴顾型竞的电导率在10-4~10-1s/cm之间,使用不存在问题,低度蒸馏水为10-5S/cm也不存在问题。石油制品和有机溶剂电导率过低就不能使用。对于气体、蒸气以及含大量气泡的液体就无法:使用了。
3.4流体粘度、流体温度及环境温度影响
  通常认为电磁流量计所测体积流量不受液体电导率(只要大于某一阈值)、液体粘度、液体温度和环境温度等参量的影响。但实际应用中,流体粘度、流体温度及环境温度等或多或少对测量有些影响。实验研究表明,如果要求精度较高,基本误差小于0.5%~1%,则液体粘度、液体温度和环境温度的影响就不可忽略;如果要求测量精度不高,可以忽略不计。
3.5流体含有混入物影响
  电磁流量计在许多使用状况下,被测流体中都会含有混人物。一般而言,混人成泡状流的微小油气泡仍可正常工作,但测得的是含油气泡体积的混.合体积流量;如果油气体含量增加到形成弹状流,因电极可能被气体盖住使电路瞬间断开,出现输出晃动甚至不能正常工作。
  含有非铁磁性颗粒或纤维的固液两相流同样可以测得其体积流量。固体含量较高的流体,如钻井泥浆、钻探固井水泥浆、纸浆等实际上已属非牛顿流体。由于固体在载体液中-.起流动,两者之间有滑动,速度上有差异,单相流液体校验的仪表用于固液两相流会产生误差。虽然还未见到电磁流量计应用于固液两相流中固型物影响的系统实验报告,但国外有报道称固型物含量有14%时误差在3%范围内。
3.6附着和沉淀影响
  电磁流量计使用时间长或者是用于测量易附着和沉淀物质的流体时,会在管壁,上产生附着层,若附着的是比液体电导率高的导电物质,信号将被短路不能工作,若是非导电物质则首先应注意电极的污染。若附着于衬里管璧层为氧化铁锈层,或以金属为主要成分的燃料,其电导率大于液体电导率,测得的流量值将比实际流量小;若为碳酸钙等水垢层,其电导率低于液体,测得的测量值将高于实际流量。若附着层电导率与液体相同,按上式计算附加误差为零,但仅局限于附着层厚度小的条件。此种情况下,流通面积减小,但平均流速增加,二者相互间可抵消。
3.7电极表面效应影响
  电极表面效应分为表面化学反应、电化学和极.化现象以及电极的触媒作用三方面。化学反应效应如电极表面与被测介质接触后,形成钝化膜或氧化层。它们对耐腐蚀性能起到积极的保护作用,但也可能增加接触电阻。电化学电势变化和极化现.象会产生干扰电势而形成噪声。浆液噪声和流动噪声即是电极表面噪声的表现。浆液噪声是在测量泥浆纤维等液固两相流时,固体颗粒(或液体中的气泡)擦过电极表面,电极表面接触电化学电势突然变化,输出流量信号出现尖峰脉冲状噪声。流体噪声是在测量较低电导率液体流量时,电极的电化学电势定期变化,产生随流速增加而频率增加的随机噪声,引起仪表输出出现波动现象。极化电势是电感生电动势在两电极极性不同,导致电解质在电极表面产生极化。虽然交变励磁将极化电势减弱了几个数量级,但不能完全消除极化电势干扰的影响。极化电势和液体介质性质以及电极材料性质有关。
3.8变压器效应影响
  电磁流量计的两个电极、输入输出回路和介质一起构成了一个闭合回路。励磁线圈相当于变压器的初级线圈,该闭合回路相当于次级线圈。这个次级线圈不可能与励磁磁力线完全平行,总有一部分交变的磁力线穿过该闭合回路平面,形成了所谓的“变压器效应”。干扰电动势e,,根据楞次定律得:
 
  可见e1与励磁电源频率有关,而与流量大小和传感器口径无关。降低励磁电源频率可减小这种干扰。
4结论
  在石油开发中,测井是一个非常重要的环节,测井仪器是石油测井使用的专业测量器具,直接影响油井的测量结果,在油田后期开发难度不断加大情况下,积极应用测井新设备、新技术是提高测井成功率的有效途径,在测井实际工作中尽量规避电磁流量的影响因素,为油田后期高效开发提供的技术支撑。

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