電磁相關法流量測量傳感器檢測電極距離研究*

王月明, 孔令富, 劉興斌, 李英偉, 張玉輝

(1.內蒙古科技大學 數理生學院,內蒙古 包頭 014010；2.燕山大學 信息工程學院,河北 秦皇島 066004；3.大慶油田測試技術服務分公司，黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

在石油生產測井中，由于目前尚沒有專門適合的多相流流量測量儀器設備，為了測量油氣水多相流，人們把一些單相流流量儀表應用于油氣水多相流的流量測量之中[1～4]，但各種流量計都反映出不同的問題。電磁流量計因其在管道中無阻礙流動部件，維護方便，結構簡單，測量范圍較寬廣，使用可靠，并可應用在狹小空間的流量測量中[5]。近年來,傳統的單相流電磁流量計已開始應用于高含水率多相流流量測量，特別在高含水油田注水井、注聚井的注入剖面測井中應用更為廣泛[6]，并在一定程度上能提高測井成功率[7]。但是,傳統單相流電磁流量計在生產測井方面也存在明顯不足：傳統單相流電磁流量計在測量含水率較低多相流，即流體中非導電物質(油氣泡)等含量較高時，流量計測量結果擾動性大，使得流量計計量誤差增加，尤其在被測量流體流動速度較慢時，傳統電磁流量計測量誤差更大。在相關法測量技術應用于石油生產測井油氣水多相流流速、流量測量方面：劉興斌首次提出了基于電導傳感器測量高含水油井流量和含水率的方法，并成功研制了電導相關測井儀器[8]，孔令富、李英偉對電導傳感器的油水兩相流測量方法進行了研究[9]，目前，電導式傳感器作為油氣水多相流持水率測量儀成功地應用于石油生產測井中，在石油生產測井中電導式相關流量傳感器也可以計量渦輪流量計無法測量的出砂井油水兩相流流量，但一定程度上會受到適用范圍的限制[10]。劉興斌、趙娜等人將熱示蹤法應用于低產液水平井井下油水兩相流流量測量[11]，可以較好地解決流體粘附問題，但是,熱示蹤方法只能對較低流速下的流體流量進行測量，且測量精度與放熱時間、流體速度等因素都有關系。

目前，井下油氣水多相流流量準確測量依舊是未能很好解決的實際問題。鑒于此，本文提出一種新型的油氣水多相流電磁相關法流量測量傳感器，以解決石油生產測井中油氣水多相流測量中存在的問題；同時通過仿真實驗分析給出了電磁相關法流量測量模型中兩對檢測電極之間的距離設計參數，為電磁相關法流量測量傳感器檢測電極之間距離的參數設計提供指導意見。

1 電磁相關法流量測量模型

1.1 電磁相關法流量測量傳感器模型

為了解決生產測井中的油氣水多相流流量測量問題，提出一種油氣水多相流電磁相關法流量測量模型，如圖1所示為電磁相關法流量測量模型，圖1(a)為電磁相關法流量測量模型圖，電磁相關法流量由勵磁結構產生磁場，兩對檢測電極不是在測量管同一徑向截面，而是在測量管同一軸向截面上。電磁相關法流量測量模型電極剖切平面的剖視圖如圖1(b)所示，其中,A1與C1構成一對檢測電極，A2與C2構成另一對檢測電極，兩對檢測電極處于同一勵磁線圈產生的較均勻磁場中且相距適當距離，多相流流量可通過兩對檢測電極的測量信號進行運算獲取。

圖1 電磁相關法流量測量模型

該測量方法是在流體通過的管道相隔L的適當距離上安裝兩對檢測電極(分別稱為上游電極和下游電極)，兩對檢測電極提取能反映被測流體流動狀況的測量信號。當兩對檢測電極獲取的檢測信號波動較小(多相流中非導電相含量較小,即高含水流體等情況)時，兩對檢測電極檢測信號相關性較差，可采用電磁流量測量方法對流體流量進行測量；當兩對檢測電極獲取的檢測信號存在一定波動(多相流中非導電相含量增加等情況)時，兩對檢測電極測量信號相關性較好，通過相關法對測量信號處理計算,進而獲得多相流流體速度與流量。因此，電磁相關法流量測量模型可以測量以水為連續相的兩相流或多相流流量，電磁相關法流量測量模型融合了電磁流量測量信息與相關法流量測量信息，使其流量測量范圍較其它相關法流量傳感器與傳統使用于生產測井中井下集流式電磁流量計寬廣，同時擴展了電磁流量測量法流體中油氣含率的量程范圍，而且保持較好的測量精度。

油氣水多相流電磁相關法流量測量模型能擴大生產測井中多相流油氣含率的量程范圍并提高流量測量精度，且具有連續測量、無放射性、低成本等優點。為了研究電磁相關法流量計兩對檢測電極之間的距離L的設計要求，建立電磁相關法流量測量傳感器軸向檢測電極截面模型，如圖2所示，兩對檢測電極相距L的距離，傳感器測量管道直徑為2R，測量管的中心軸稱為y軸，x軸與y軸構成直角坐標系，x軸位于兩對檢測電極中心線，兩軸交匯點為坐標原點，設定仿真模型高度為14R(即y軸為-7R～7R)，分別如圖2中所示。

圖2 電磁相關法流量測量傳感器模型

1.2 敏感場靈敏度定義

電磁流量檢測電極測量的基本方程[12]

(1)

為了定量地考查流量計內部非導電物質(油氣泡)對電磁流量計敏感場的分布影響，定義c為敏感場靈敏度，即

(2)

式中jx為有非導電物質(油氣泡)虛電流在x方向上的分量，j0x為無非導電物質(油氣泡)時虛電流在x方向上的分量。

2 電磁相關法流量測量模型仿真實驗

為了考查電磁相關法流量測量傳感器中兩對檢測電極距離L的設計方法。建立Ansys仿真模型，仿真模型如圖2所示，設定為垂直上升管，在仿真實驗中，設定測量管直徑為2R，兩對檢測電極兩端給一定的電壓值，仿真模型設計一定半徑的非導電物質(油氣泡)由流體底部進入，沿著y軸隨著上升的流體向上運動，仿真實驗對電磁相關法流量傳感器中流體的虛電流進行考查，在y軸-6.5R～6.5R內每隔0.5R采集一次仿真數據。通過分析，以獲得電磁相關法流量測量傳感器兩對檢測電極的較佳距離。

2.1 仿真實驗

仿真實驗中，設定流經電磁相關法流量測量傳感器的流體中非導電物質(油氣泡)半徑分別為0.2R，0.3R，0.4R，對電磁流量測量傳感器的敏感場靈敏度c分布情況進行分析。大量實驗研究結果表明：相關法流量測量技術中上游、下游測量信號間距離設置為R～4R(R為測量管道半徑)之間較為適宜[13]，因此，本文L設定為R～4R之間，Ansys仿真模型中兩對檢測電極距離分別設定為2R,3R，4R，非導電物質(油氣泡)通過傳感器的中心軸線(y軸)，仿真不同檢測電極距離對傳感器敏感場靈敏度c的情況影響，已獲得較佳的兩對電極距離問題答案。

這里只顯示其中部分實驗的仿真圖，如圖3所示。但是，虛電流分布圖無法準確地獲取檢測電極之間的不同距離L對傳感器信號影響關系。為此，本文運用敏感場靈敏度c對仿真數據進行進一步分析。

圖3 傳感器兩對檢測電極距離為4R時非導電物質存在時敏感場分布情況

如圖4所示為傳感器兩對檢測電極不同距離L與流量測量傳感器敏感場靈敏度關系圖，橫軸表示非導電物質(油氣泡)在電磁流量測量傳感器y軸的位置，圖中各圖例分別代表了不同大小檢測電極距離時非導電物質(油氣泡)在不同位置時敏感場靈敏度c的變化情況。

圖4 不同檢測電極距離時流量測量傳感器敏感場靈敏度關系

2.2 仿真結果分析

仿真結果可以得出：對于含有半徑一定的非導電物質(油氣泡)多相流流體，檢測電極距離L越大，非導電物質(油氣泡)對傳感器的敏感場靈敏度c的響應特性在電磁相關法流量測量傳感器中心位置時(y=0)就越小；仿真實驗也可以說明，當電磁相關法流量測量傳感器兩對檢測電極距離一定時，非導電物質(油氣泡)半徑越大，非導電物質(油氣泡)位于電磁相關法流量測量傳感器中心位置時(y=0)與位于檢測電極截面位置時的敏感場靈敏度c相差就越大。由仿真結果可得：不同大小的非導電物質(油氣泡)對與傳感器兩對檢測電極距離不同時，傳感器內部敏感場靈敏度也不同。

如果使得電磁相關法流量測量傳感器兩對檢測電極獲取的電勢感應信號具有較好的相關性，就要使非導電物質(油氣泡)對兩對檢測電極測量的感應信號產生的波動信號相互獨立，即當非導電物質(油氣泡)通過第一對檢測電極時對第二對檢測電極獲取的測量信號影響較小。運用敏感場靈敏度c的響應特性可以描述出非導電物質(油氣泡)對電磁相關法流量測量傳感器兩對檢測電極產生的影響。為了對不同大小的非導電物質(油氣泡)在傳感器不同距離下信號波動幅度變化影響進一步進行研究，定義傳感器中點信號幅度波動比來評價這一問題，幅度波動比定義如下

(3)

通過傳感器幅度波動比的定義來進一步分析檢測電極信號的相關性，如表1所示。從幅度波動比定義可知,油氣泡半徑大小不同時，傳感器兩對檢測電極相對距離要求也不同，當油氣泡半徑較小時，仿真實驗中非導電物質半徑為0.2R與0.3R時，傳感器兩對檢測電極間距離為3R～4R較好。當油氣泡半徑較大時(大于0.4R)傳感器兩對檢測電極相距2R～4R均可以。

表1 信號幅度波動比分析

在模擬井油氣水多相流實流實驗中，實驗中運用電磁式流量測量儀獲取不同流量與不同含水率多相流測量信號[14]，不同的含水率電磁式流量測量信號有所不同，但在油氣水多相流實流實驗觀察中發現存在以下規律：當低流速時(流速<3 m/s時)，流體中的油氣泡較大，分布也不是很均勻(油氣泡的半徑為0.4R的仿真實驗基本上仿真此類問題)；當通過電磁流量測量傳感器的多相流流體流量較大時，由于流體速度較快(流速>8 m/s時)，流體中油氣水分布均勻，且油氣泡較小，較分散(實流實驗表明:這類問題運用電磁式流量測量方法即可獲取流體速度)；當油氣水多相流流體速度介于以上2種速度之間時，油氣泡分布隨機化且大小介于以上2種情況之間(油氣泡的半徑為0.2R的仿真實驗基本上仿真此類問題)。更多的實流實驗內容可參考文獻[14]。

3 結束語

本文提出了一種電磁相關法流量測量傳感器，該傳感器融合了電磁流量測量信息與相關法流量測量信息，用來解決石油生產測井中油氣水多相流流量測量問題；同時，通過對傳感器內部虛電流及其敏感場的仿真，討論了電磁相關法流量測量傳感器兩對檢測電極之間的距離參數設計問題，為電磁相關法流量測量傳感器兩對檢測電極的距離設計提供參考依據。

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