摘要:電磁流量在油田開發(fā)中主要應(yīng)用于水井的分層流量測(cè)試和驗(yàn)漏。電磁流量計(jì)受到測(cè)井環(huán)境、套管狀況、井內(nèi)流體性質(zhì)等因素的影響,會(huì)出現(xiàn)示值偏差,介紹電磁流量計(jì)原理，同時(shí)就影響流量計(jì)測(cè)井的幾個(gè)因素進(jìn)行了淺析,對(duì)油田后期開發(fā)測(cè)井生產(chǎn)有指導(dǎo)作用。
1前言
吸水剖面測(cè)井資料是油田測(cè)井不可缺少的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，當(dāng)油田開發(fā)進(jìn)人中后期,正確掌握注.水井各小層的吸水情況能夠?yàn)橛筒刂泻驼{(diào)整,挖潛增效提供可靠的數(shù)據(jù)。
目前進(jìn)行的分層流量測(cè)井是通過直讀式電磁流量計(jì)下人注水井中，在正常配注情況下測(cè)取水井各個(gè)層位對(duì)于注人水的分配比例,從而根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)水井進(jìn)行調(diào)剖堵水，提高注人水在各個(gè)層位的波及系數(shù),提高油層的驅(qū)油效率,從而提高采收率。電磁流量計(jì)是隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的基于法拉第電磁感應(yīng)定理的用來測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。與其它流量測(cè)量?jī)x表相比，電磁流量計(jì)具有一-些突出的優(yōu)點(diǎn):測(cè)量有導(dǎo)電性的介質(zhì)的流量不受其溫度、豁度、密度、壓力等物理參數(shù)的影響;無機(jī)械慣性,反映靈敏,可測(cè)瞬時(shí)脈動(dòng)流.量;直線性好，測(cè)量精度高,測(cè)量范圍寬，耐腐蝕性能強(qiáng)等等,因此在眾多的流量?jī)x表中,電磁流量計(jì)成為發(fā)展最快的流量?jī)x表之一。.
2電磁流量計(jì)測(cè)量原理
直讀電磁流量計(jì)的測(cè)量原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律。電磁流量計(jì)的測(cè)量原理如圖1所示,當(dāng)流體在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí),流體中帶電粒子受羅侖磁力的作用將感應(yīng)出與流速成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)流速分布相對(duì)于測(cè)量管中心軸對(duì)稱時(shí),電極檢測(cè)到的流量信號(hào)將與被測(cè)流體的平均流速成正比,然后求得液體的體積流量。
電磁流量計(jì)儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。在均勻磁場(chǎng)中,安置--根非導(dǎo)磁材料制成的內(nèi)徑為d且在內(nèi)壁襯有絕緣材料的測(cè)量導(dǎo)管。當(dāng)導(dǎo)電液體在.測(cè)量導(dǎo)管流動(dòng)時(shí),將作切割磁力線運(yùn)動(dòng)。假設(shè)所有液體質(zhì)點(diǎn)都以平均流速V運(yùn)動(dòng),液流速度在整個(gè)測(cè)量導(dǎo)管的截面上是均勻一致的。把液體看成許多.直徑為d且連續(xù)運(yùn)動(dòng)著的薄圓盤結(jié)構(gòu),薄盤等效于長(zhǎng)度為d的導(dǎo)電體,其切割磁力線的速度相當(dāng)于V。由電磁感應(yīng)原理可知,在液體薄圓盤內(nèi)將產(chǎn)生連續(xù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E:
式中:E一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V);
B一磁感應(yīng)強(qiáng)度(T);
d一測(cè)量導(dǎo)管直徑(cm);
V一被測(cè)液體的平均流速(cm/s)。
感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E可通過位于測(cè)量導(dǎo)管直徑兩端的一對(duì)電極輸出。E的方向垂直于液體流向和磁力線方向,可用右手定則判斷。
通過導(dǎo)管的流量q為
由上式可知,對(duì)于帶電粒子均勻分布的流體,當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí),感應(yīng)電壓與流體的流速成線性關(guān)系,與流體的溫度、壓力、密度和粘度等物理參數(shù)無關(guān),所以電磁流量計(jì)具有許多其它機(jī)械式流量計(jì)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)大量程范圍的精度高測(cè)量。直讀式電磁流量計(jì)原理框圖如圖3所示。
當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持常數(shù)時(shí),被測(cè)流體的體積流量q與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E成正比。即
式(4)是在均勻直流磁場(chǎng)條件下導(dǎo)出的。由于直流磁場(chǎng)使管道中的導(dǎo)電液體電解,電極極化,所以會(huì)影響測(cè)量的精度。因此通常采用交流磁場(chǎng)工作,交流磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示為:
式(8)說明,當(dāng)d一定及磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持常數(shù)時(shí)，被測(cè)流體的體積流量q與兩極間的電動(dòng)勢(shì)E成正比，由此可以得到被測(cè)流體的流量。
電磁流量計(jì)主要用于測(cè)量電導(dǎo)率大于10-4/cm·Ω的單相流體。不適用氣體、蒸汽。可進(jìn)行雙向流動(dòng)測(cè)量。對(duì)儀表前后直管段的要求不高,不受流體的溫度、壓力、密度、粘度等參數(shù)的影響。但被測(cè)流體內(nèi)不應(yīng)有不均勻的氣體和固體,不應(yīng)有大量的磁性物質(zhì)。
3重29電磁流量計(jì)響應(yīng)影響因素分析
電磁流量計(jì)常被用來測(cè)量管道中導(dǎo)電流體的流量,不管流體的性質(zhì)如何，只要其具有微弱的導(dǎo)電性(電導(dǎo)率＞8X10-5m/s)即可進(jìn)行測(cè)量。通常油田注人的聚合物混合液的導(dǎo)電性能良好,符合這種測(cè)量條件。
電磁流量計(jì)自從商品化以來,其技術(shù)進(jìn)步十分明顯,新材料、新設(shè)計(jì)尤其是采用了大規(guī)模集成電路、單片機(jī)和計(jì)算機(jī),其技術(shù)性能指標(biāo)和功能都有很大提高,特別是抗干擾能力、可靠性和穩(wěn)定性的改善尤為明顯。從以上推導(dǎo)的表達(dá)式看,感應(yīng)電壓與流體的流速成線性關(guān)系，似乎與其它因素?zé)o關(guān)。事實(shí)上,客觀條件的限制導(dǎo)致了電磁流量計(jì)還受到以下因素的影響,影響大時(shí)流量計(jì)甚至不能正常工作,具體分析如下;
3.1流速分布影響
當(dāng)流速分布相對(duì)于測(cè)量管中心軸對(duì)稱時(shí),電極檢測(cè)到的流量信號(hào)將與被測(cè)流體的平均流速成正.比。當(dāng)流速分布相對(duì)管中心為非軸對(duì)稱時(shí),還用，上述公式計(jì)算流量時(shí)將會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。因?yàn)殡姌O上得到的感生電動(dòng)勢(shì)是測(cè)量管內(nèi)所有液體共同貢獻(xiàn)的結(jié)果,每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)都有貢獻(xiàn)。由于各個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于電極的幾何位置不同,即使各質(zhì)點(diǎn)速度一樣,它們對(duì)電動(dòng)勢(shì)的貢獻(xiàn)也是不同的。越靠近電極的質(zhì)點(diǎn)對(duì)電動(dòng)勢(shì)的貢獻(xiàn)越大。也就是說,電極附近的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大,與兩電極平面成90度的地方的流體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就小。如果電極附近的流速非軸對(duì)稱偏大，測(cè)得的流量信號(hào)就比實(shí)際流量值大;反之,電極附近的流速非軸對(duì)稱偏小,測(cè)得的流量信號(hào)也就偏小。為了消除由于流速分布而產(chǎn)生的測(cè)量誤差,在電磁流量傳感器前應(yīng)有--定長(zhǎng)度的直管段,以保證流速的軸對(duì)稱分布。
3.2磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)影響
由前述可知,電磁流量計(jì)的基本表達(dá)式是在假.定沿流體的流動(dòng)方向，上磁場(chǎng)始終是均勻?yàn)榍疤嵯峦茖?dǎo)而得到的。這就意味著沿管軸方向上的磁場(chǎng)無限長(zhǎng),而實(shí)際流量計(jì)的線圈長(zhǎng)度是有限的,并且為了實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的小型化,總是希望勵(lì)磁線圈和測(cè)量管的長(zhǎng)度越短越好。這樣就會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)邊緣效應(yīng),即磁場(chǎng)軸向長(zhǎng)度對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值和勵(lì)磁線圈兩端的磁感應(yīng)強(qiáng)度不均勻。磁場(chǎng)中間部分大致是均勻的,兩端則逐漸減弱,形成不均勻的邊緣,最后.下降為零。使得液體內(nèi)部電場(chǎng)E也不均勻,產(chǎn)生渦電流。由渦電流所產(chǎn)生的二次磁通反過來改變磁場(chǎng)邊緣部分的工作磁通,使磁場(chǎng)的均勻性進(jìn)--步遭到破壞。這時(shí)在電極.上測(cè)量到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與無限長(zhǎng)磁場(chǎng)下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不一樣,產(chǎn)生了誤差。理論分析表明,為了減少邊緣效應(yīng),勵(lì)磁線圈的軸向長(zhǎng)度應(yīng)為測(cè)量管內(nèi)徑的1.4~1.52倍。這樣才可以使電極.上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)接近于無限長(zhǎng)磁場(chǎng)的理論計(jì)算值。
假如管壁是導(dǎo)電的，磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)更加明顯，從而導(dǎo)致電極.上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的損失增加,所以管壁通常要涂_上絕緣層。假如介質(zhì)的電導(dǎo)率極高(如液.態(tài)金屬),磁場(chǎng)邊緣區(qū)域兩側(cè)的磁場(chǎng)分別被削弱和增強(qiáng)。所以測(cè)量電導(dǎo)率高的介質(zhì)不宜用交流勵(lì)磁，而應(yīng)用直流勵(lì)磁。若被測(cè)介質(zhì)中含有導(dǎo)磁性物質(zhì)(鐵鉆、鎳之類),磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)就更復(fù)雜。由于導(dǎo)磁性物質(zhì)的存在，使磁場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變,造成測(cè)量的非線性。
3.3液體電導(dǎo)率影響
使用電磁流量計(jì)的前提條件是被測(cè)液體必須是導(dǎo)電的,不能低于閾值(即下限值)。電導(dǎo)率低于閾值會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差直至不能使用。通用型電磁流量計(jì)的閾值在10-4~(5X10-6)s/cm之間。電磁流量計(jì)不適用于電導(dǎo)率很低的介質(zhì)的根本原因在于傳感器與轉(zhuǎn)換器的阻抗匹配問題。目前,轉(zhuǎn)換器的輸人阻抗一-般只能達(dá)到100~200M,也就是說要保證0.1%的傳輸精度傳感器內(nèi)阻Rs必須小于100~200KΩ。若電極直徑0.01m,可得到被測(cè).介質(zhì)電導(dǎo)率的最低值。
工業(yè)用水及其水溶液的電導(dǎo)率大于10-4s/cm,酸、堿、鹽液的電導(dǎo)率在10-4~10-1s/cm之間,使用不存在問題，低度蒸餾水為10-5S/cm也不存在問題。石油制品和有機(jī)溶劑電導(dǎo)率過低就不能使用。對(duì)于氣體、蒸氣以及含大量氣泡的液體就無法:使用了。
3.4流體粘度、流體溫度及環(huán)境溫度影響
通常認(rèn)為電磁流量計(jì)所測(cè)體積流量不受液體電導(dǎo)率(只要大于某一閾值)、液體粘度、液體溫度和環(huán)境溫度等參量的影響。但實(shí)際應(yīng)用中,流體粘度、流體溫度及環(huán)境溫度等或多或少對(duì)測(cè)量有些影響。實(shí)驗(yàn)研究表明，如果要求精度較高,基本誤差小于0.5%~1%,則液體粘度、液體溫度和環(huán)境溫度的影響就不可忽略;如果要求測(cè)量精度不高,可以忽略不計(jì)。
3.5流體含有混入物影響
電磁流量計(jì)在許多使用狀況下,被測(cè)流體中都會(huì)含有混人物。一般而言,混人成泡狀流的微小油氣泡仍可正常工作,但測(cè)得的是含油氣泡體積的混.合體積流量;如果油氣體含量增加到形成彈狀流，因電極可能被氣體蓋住使電路瞬間斷開,出現(xiàn)輸出晃動(dòng)甚至不能正常工作。
含有非鐵磁性顆�；蚶w維的固液兩相流同樣可以測(cè)得其體積流量。固體含量較高的流體,如鉆井泥漿、鉆探固井水泥漿、紙漿等實(shí)際上已屬非牛頓流體。由于固體在載體液中-.起流動(dòng),兩者之間有滑動(dòng),速度上有差異,單相流液體校驗(yàn)的儀表用于固液兩相流會(huì)產(chǎn)生誤差。雖然還未見到電磁流量計(jì)應(yīng)用于固液兩相流中固型物影響的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,但國(guó)外有報(bào)道稱固型物含量有14%時(shí)誤差在3%范圍內(nèi)。
3.6附著和沉淀影響
電磁流量計(jì)使用時(shí)間長(zhǎng)或者是用于測(cè)量易附著和沉淀物質(zhì)的流體時(shí),會(huì)在管壁，上產(chǎn)生附著層，若附著的是比液體電導(dǎo)率高的導(dǎo)電物質(zhì),信號(hào)將被短路不能工作,若是非導(dǎo)電物質(zhì)則首先應(yīng)注意電極的污染。若附著于襯里管璧層為氧化鐵銹層,或以金屬為主要成分的燃料,其電導(dǎo)率大于液體電導(dǎo)率,測(cè)得的流量值將比實(shí)際流量小;若為碳酸鈣等水垢層,其電導(dǎo)率低于液體,測(cè)得的測(cè)量值將高于實(shí)際流量。若附著層電導(dǎo)率與液體相同,按上式計(jì)算附加誤差為零,但僅局限于附著層厚度小的條件。此種情況下,流通面積減小,但平均流速增加，二者相互間可抵消。
3.7電極表面效應(yīng)影響
電極表面效應(yīng)分為表面化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)和極.化現(xiàn)象以及電極的觸媒作用三方面�；瘜W(xué)反應(yīng)效應(yīng)如電極表面與被測(cè)介質(zhì)接觸后,形成鈍化膜或氧化層。它們對(duì)耐腐蝕性能起到積極的保護(hù)作用,但也可能增加接觸電阻。電化學(xué)電勢(shì)變化和極化現(xiàn).象會(huì)產(chǎn)生干擾電勢(shì)而形成噪聲。漿液噪聲和流動(dòng)噪聲即是電極表面噪聲的表現(xiàn)。漿液噪聲是在測(cè)量泥漿纖維等液固兩相流時(shí)，固體顆粒(或液體中的氣泡)擦過電極表面,電極表面接觸電化學(xué)電勢(shì)突然變化,輸出流量信號(hào)出現(xiàn)尖峰脈沖狀噪聲。流體噪聲是在測(cè)量較低電導(dǎo)率液體流量時(shí),電極的電化學(xué)電勢(shì)定期變化，產(chǎn)生隨流速增加而頻率增加的隨機(jī)噪聲,引起儀表輸出出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。極化電勢(shì)是電感生電動(dòng)勢(shì)在兩電極極性不同,導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面產(chǎn)生極化。雖然交變勵(lì)磁將極化電勢(shì)減弱了幾個(gè)數(shù)量級(jí),但不能完全消除極化電勢(shì)干擾的影響。極化電勢(shì)和液體介質(zhì)性質(zhì)以及電極材料性質(zhì)有關(guān)。
3.8變壓器效應(yīng)影響
電磁流量計(jì)的兩個(gè)電極、輸入輸出回路和介質(zhì)一起構(gòu)成了一個(gè)閉合回路。勵(lì)磁線圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈,該閉合回路相當(dāng)于次級(jí)線圈。這個(gè)次級(jí)線圈不可能與勵(lì)磁磁力線完全平行，總有一部分交變的磁力線穿過該閉合回路平面,形成了所謂的“變壓器效應(yīng)”。干擾電動(dòng)勢(shì)e,,根據(jù)楞次定律得:
可見e1與勵(lì)磁電源頻率有關(guān),而與流量大小和傳感器口徑無關(guān)。降低勵(lì)磁電源頻率可減小這種干擾。
4結(jié)論
在石油開發(fā)中,測(cè)井是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，測(cè)井儀器是石油測(cè)井使用的專業(yè)測(cè)量器具,直接影響油井的測(cè)量結(jié)果，在油田后期開發(fā)難度不斷加大情況下,積極應(yīng)用測(cè)井新設(shè)備、新技術(shù)是提高測(cè)井成功率的有效途徑,在測(cè)井實(shí)際工作中盡量規(guī)避電磁流量的影響因素,為油田后期高效開發(fā)提供的技術(shù)支撐。
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