模拟流量计

油田提高原油采收率采用注聚合物驱油技术是非常重要手段之一，注聚合物驱油原理是提高注入粘弹性聚合物溶液流体粘度，增大聚合物流体平面及纵向波及面积，减少注入流体在高渗透率地层中的窜流，提高岩芯微观驱油效率，最终达到减少残余油饱和度与提高原油采收率目的。为使聚合物溶液进入预先设定油层并能得到一个较为均匀的聚合物驱前缘，需要准确确定从注聚井中进入各油层聚合物的注入量，所以，注聚井中流量测量是注聚三次采油技术中一项重要测试内容。由于电磁流量计无转动部件，实际测试时不破坏聚合物分子结构，对测试环境无放射性污染且不受聚合物溶液粘度和密度影响，所以，大庆油田在注聚井中推广使用了外流式四电极电磁流量计测井方法。自早期电磁流量计基本理论建立以来，虽然电磁流量计在理论及技术上有了很大发展，但是，由于影响电磁流量计测量精度因素很多，从流场及磁场分布角度综合分析电磁流量计响应特性仍然是值得研究领域，尤其是近年来随着计算流体力学及电磁场有限元分析技术迅速发展，为解决复杂流动及磁场分布条件下的电磁流量计响应预测问题提供了良好机遇。由于仪器倾斜与偏心、流体电磁特性变化等因素都会给电磁流量计响应带来影响，这些测井环境因素对电磁流量计响应影响需要从数值模拟角度给予理论分析，从而为注聚井中电磁流量计流量测井提供理论分析基础。本文重点分析了四电极电磁流量计磁场分布特性，考察了四电极电磁流量计权重函数分布，并分析了仪器偏心及流体磁导率变化因素对磁场分布特性影响，为正确理解四电极电磁流量计测量特性提供了理论分析方法。1、注聚井中四电极电磁流量计　　图1为外流式四电极电磁流量计测井仪器示意图。仪器由上下扶正器、传感器、电路筒及电池仓等部分组成，其中传感器是流量计的核心部分，上下扶正器用于在测量时使流量计居于套管中央位置。四电极电http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018811.gif磁流量计采用四个均匀相隔分布排列的励磁线圈及四个测量电极，相对于单对电极的电磁流量计而言，这种励磁结构的磁场分布相对比较均匀，有利于减小由于磁场分布不均匀所带来的测量误差。传感器部分主要由磁路系统、测量导管、电极、外壳、干扰调整装置及若干引线组成。仪器采用外流式结构。仪器结构尺寸为：仪器外径为35mm，其中测量电极段外径为33.8mm，传感器长度为44.5mm。仪器总长度为1200mm。http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018812.png图1 外流式四电极电磁流量计测井仪器图　　2 四电极电磁流量计测量区域内磁场分布　　为获得测量区域内磁场分布，采用ANSYS商用有限元分析软件对电磁流量计磁场分布特性进行仿真。由麦克斯韦方程导出的3分量矢量泊松方程如下：　　http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018813.png　　对于本文所使用的二维平面场（X-Y平面），矢量磁势http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018814.png和电流密度http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018815.png相互平行且只有z方向分量，即：Ax=http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018816.png则由（3）式可得：　　http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018817.png　　（4）　　所用模型中介质为线性介质，磁导率μ为一常数，故上式可简化为：　　http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018818.png　　（5）　　在使用ANSYS有限元计算时，自由度为磁势，施加载荷时只要在各线圈上施加电流密度值即可。模型有两种边界条件：（1）Dirichlet条件（AZ约束）：磁通量平行于模型边界；（2）Neumann条件（自然边界条件）：磁通量垂直于模型边界。第二种条件为默认的边界条件。对于电磁流量计在管道中的模型，只需满足自然边界条件。故施加了电流密度后，即可进行计算。在施加电流密度时，可用下式计算：　　http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018819.png （6）式中：http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/340188110.png为电流密度；n为线圈的匝数；http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/340188111.png为通入线圈的电流；a为线圈的横截面积。　　在ANSYS环境下用有限元法求解的关键是对模型进行网格划分。图2（a）为用于磁场计算建立的分区介质模型，图2（b）为磁场计算网格剖分模型，可以看出：在靠近线圈和电极的部分网格剖分较密，而在其它部分则较稀疏，划分后网格划分单元数为3577。在进行有限元分析时，需要给每种材料施加磁导率属性，图2（a）中将六种不同属性材料用不同颜色显示出。http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/340188112.png图2　仪器在油管中磁场分析模型及网格剖分图　　模型中有六种不同的材料：填料、线圈、电极、1Cr18Ni9Ti、聚四氯乙烯衬里、流体（可假定为水）。将六种不同属性的材料用不同颜色显示设置好各种材料的磁导率，施加电流密度后，即可计算磁场分布。由于仪器结构尺寸非常对称，仪器位于管道中心，通电后四个线圈相当于交替放置的N极与S极，故产生的磁场也是对称分布的。流体从仪器与油管环形空间流过，切割磁力线产生感生电势，通过四个对称分布的电极即可进行测量。　　磁场仿真计算结果如图3所示，从图中可以看出：http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/340188113.png图3　仪器与油管环形测量区域磁场分布图　　在仪器与油管环形空间内磁场几乎是均匀分布的，尤其是在靠近仪器探头表面区域磁力线分布更加密集均匀，所以，该部分应有较高测量灵敏度。整体上说四电极电磁流量计具有较均匀的磁场分布特点，这有利于四电极电磁流量计聚合物流量测量。　　3 仪器偏心对磁场分布影响　　在仪器使用过程中，由于各种环境因素的影响，有时仪器并不一定处于管道中心位置，而会偏离中心一定的距离，此时激励线圈产生的磁场在管道内分布情况也发生变化。图4为仪器在管道中向右偏心1mm、2mm、3mm、4mm时磁通线分布，可以看出：当仪器偏离中心位置时，仪器与油管环形空间内磁通线呈非对称分布；随着仪器向右继续偏移，右边磁通线分布明显密集，而左边则分布明显稀疏。http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/340188114.png图4 仪器偏心时磁通线分布图　　因此，井下四电极电磁流量计用于测量时，仪器应尽量在井内保持居中位置，只要仪器发生偏心，在管道中激励磁场分布就会发生变化，随之电磁流量计权重函数分布也就会发生变化，进而流体切割磁力线时产生的感应电势发生变化，最终导致仪器测量结果因偏心产生较大误差。　　4 流体磁导率对磁场分布影响　　磁性是一切物质都具有的属性，物质的磁性与原子、

一、工作原理电磁流量计是一种应用法拉第电磁感应定律的流量计，用于测量封闭管道中导电液体和浆的体积流量。电磁流量计由电磁流量传感器和电磁流量转换器两大部分组成。传感器工作原理是根据电磁感应定律，导电性液体介质在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，在与流动方向垂直的方向上产生与流速成比例的感应电势，即在信号电极上产生信号电压，通过计算流速，进而计算出流量。转换器工作原理:通用的仪器仪表不能检测电极上感应的信号，只能由配套转换器完成。转换器将流量信号放大转换后，再经相应的电路处理，可显示流量、总量等参数，并能输出脉冲、模拟电流等信号。流经流量计的流量在传感器电极上产生一个微弱的差分信号，输人至转换器的测量系统。经高输人阻抗放大器放大、滤波和自动零点调整及增益控制后，再经高性能、高精度SVFC转换，将模拟信号转换为数字信号。计算机将数字信号采样后，计算出流速以及期望得到的各种测量值，如模拟输出值、脉冲输出值等。LCD液晶显示器显示各测量值。二、电磁流量计的特点根据电磁流量计的工作原理和结构特点，可以看出:1)电磁流量计的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞，适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。2)电磁流量计不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力，节能效果显著，对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。3)电磁流量计所测得的体积流量，实际上不受流体密度、a度、温度、压力和电导率(只要在某阑值以上)变化明显的影响。4)与其他大部分流量仪表相比，前置直管段要求较低。5)测量范围度大，可选流量范围宽。满度值液体流速可在0. 5 ^-10m/s内选定，有些可达15m/s。智能仪表在出厂标定后，可在现场根据需要扩大和缩小流量范围，不必取下再做离线实流标定。仪表输出本质上是线性的。6)电磁流髦计的口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3m，可测正反双向流量，也可测脉冲流量，只要脉冲频率低于激磁频率很多即可.三、电磁流量计的精确度精度高的电磁流量计基本误差为(士0.2%~士0.5写)R,精度低的则为(土1写~土2.5%) FS。后跟R的是用仪表的示值误差除以被测量约定真值，并以百分数表示的基本误差限，也称相对误差;后跟FS的是用仪表的示值误差除以范围上限值，并以百分数表示的基本误差限，也称引用误差。比较正规的制造厂都有自己受控的产品实流校验规程，如开封仪表有限公司规程规定，0.3级的流量计其测量精度为土0. 3%R，在参比工作条件下，流量计实流校验测量精度控制在10. 28%R内，优于行业标准。测址精度可用误差曲线直观地表示。制造厂给出的误差曲线表示流量计在其测量范围内线性度变化的趋势，与给出的精确度指标是相对应的。电磁流量计制造厂所给出的流量计精度与误差曲线均指参比工作条件下的技术指标，用户应注意到与实际应用工况条件是有所区别的。按行业标准规定的参比工作条件是:环境温度:20C士2C; 相对湿度:60%一70 %;供电电源:额定电压土[/

质量流量计的四大优点　　 1、精确地定量控制流量　　 质量流量计可以精确地控制气体的给定量，这对很多工艺过程的流量控制、对于不同气体的比例控制等特别有用。　　 2、测量控制的自动化　　 质量流量计可以将流量测量值以输出标准电信号输出。这样很容易实现对流量的数字显示、累积流量自动计量、数据自动记录、计算机管理等。对质量流量计而言，还可以实现流量的自动控制。通常,模拟的MFC/MFM输入输出信号为0～+5V或4～20mA,数字式MFC/MFM还配有RS232或RS485数字串行通讯口,能非常方便地与计算机连接,进行自动控制。　　 3、流量的测量和控制不因温度或压力的波动而失准。　　 对于多数流量测控系统而言，很难避免系统的压力波动及环境和介质的温度变化。对于普通的流量计，压力及温度的波动将导致较大的误差；对于质量流量计，则一般可以忽略不计。　　 4、适用范围宽　　 质量流量计有很宽的工作压力范围，我们的产品可以从真空直到10MPa;可以适用于多种气体介质（包括一些腐蚀性气体，如HCL）；有很宽的流量范围，我们的产品最小流量范围可达0～5sccm，最大流量范围可达0～200slm。流量显示的分辨率可达满量程的0.1%,流量控制范围是满量程的2～100%量程比为－－50:1,因此在很多领域得到广泛应用。