摘要(yào):電磁流量在油(you)田開發中主要(yào)應用于水井的(de)分層流量測❄️試(shì)和驗漏。電磁流(liu)量計
受到測井(jing)環境、套管狀況(kuàng)、井内流體性質(zhì)等因素的影🔞響(xiang),會🈲出現示值偏(piān)差,介紹電磁流(liu)量計原理，同時(shí)就影響流量計(ji)測井的幾🙇♀️個因(yīn)素進行了淺析(xi),對油田後期開(kai)發測井生産有(you)指導作用。
1前言(yan)
吸水剖面測井(jing)資料是油田測(ce)井不可缺少的(de)動态監測資料(liào)，當油田開發進(jìn)人中後期,正确(que)掌握注.水井各(gè)小層的吸水情(qíng)況能🐉夠爲油藏(cáng)中和調整,挖潛(qian)增效提供可靠(kào)的數據。
目前進(jìn)行的分層流量(liang)測井是通過直(zhí)讀式電磁流量(liàng)計下人注水井(jing)中，在正常配注(zhù)情況下測取水(shuǐ)井各個層位對(dui)于注人水的分(fen)配比例,從而根(gen)據測量結果對(duì)水井進❗行調剖(pōu)堵水，提高注人(ren)水在各個層位(wèi)的波及系數,提(ti)高油層的驅♉油(yóu)效率,從而提高(gāo)采收率。電磁流(liú)量計是随着電(dian)子技術的發展(zhan)而迅速發展起(qǐ)來的👅基于法拉(lā)第電磁感應定(dìng)理的用來測🔴量(liàng)導電性液體體(ti)積流量的儀表(biǎo)。與其它流量測(ce)量儀表相比，電(diàn)磁流量計具有(you)一-些突出的優(you)點:測量有導電(diàn)性的介質的流(liú)💯量不受其溫度(du)、豁度、密度、壓力(li)等物理參數的(de)影響;無機械慣(guàn)性,反映靈敏,可(ke)測瞬時脈動流(liu).量;直線性好，測(cè)🌍量精度高,測量(liang)範圍寬，耐腐蝕(shi)性能強等等,因(yin)此在衆💞多的流(liu)量儀表中,電㊙️磁(ci)流量計成爲發(fā)展最快的流量(liàng)儀表之一。.
2電磁(cí)流量計測量原(yuan)理
直讀電磁流(liu)量計的測量原(yuan)理基于法拉第(dì)電磁感應定律(lǜ)。電磁流量計的(de)測量原理如圖(tú)1所示,當流體在(zài)磁場中作切割(gē)磁力線運動時(shi),流體中帶電粒(li)子🐅受羅侖磁力(lì)的💔作用将感應(ying)出與流速成正(zhèng)比的感應電動(dong)勢🆚，當流速分布(bù)相對于測量管(guǎn)中心軸對稱時(shí),電極檢測到的(de)流量信号将與(yǔ)被測流體的平(píng)均❤️流速成正比(bǐ),然後求得液體(ti)的體積流量。
電磁流量計(jì)儀器的内部結(jie)構如圖2所示。在(zài)均勻磁場中,安(ān)置--根非導磁材(cái)料制成的内徑(jìng)爲d且在内壁🐪襯(chèn)有絕緣材料的(de)測量導管。當導(dǎo)電液體在.測量(liang)導🏃♀️管流動時,将(jiāng)作切割磁力線(xiàn)運動。假設所有(you)液體質點都以(yǐ)平均流速V運動(dòng),液流速度在整(zhěng)個😄測量導管🔅的(de)截面上是均勻(yun)一緻的。把液體(tǐ)看成許多.直徑(jing)爲✌️d且連續運動(dòng)💘着的薄圓盤結(jié)構,薄盤等效于(yu)長✌️度爲🈲d的導電(diàn)體,其切割磁力(lì)線的速度相當(dang)于V。由電磁感應(yīng)原理可知,在液(ye)體🧑🏾🤝🧑🏼薄圓盤内将(jiāng)産生連續的感(gǎn)應電動勢E:
式中(zhōng):E一感應電動勢(shi)(V);
B一磁感應強度(du)(T);
d一測量導管直(zhi)徑(cm);
V一被測液體(tǐ)的平均流速(cm/s)。
感(gan)應電動勢E可通(tōng)過位于測量導(dao)管直徑兩端的(de)一對電極輸😄出(chu)。E的方向垂直于(yu)液體流向和磁(cí)力線方向,可用(yòng)右手定✍️則判斷(duàn)。
通過導管的流(liú)量q爲
由上式可(kě)知,對于帶電粒(lì)子均勻分布的(de)流體,當磁🌈場強(qiang)🙇🏻度一定時,感應(ying)電壓與流體的(de)流速成線性關(guan)系,與♍流體的溫(wen)度、壓🐇力、密度和(hé)粘度等物理參(cān)數無關,所以電(diàn)磁流量計具有(you)許多其它機械(xiè)式流量計無可(kě)比拟㊙️的優點，能(néng)實現大量程範(fan)圍的精度高測(ce)量。直讀式電🏃♂️磁(ci)流量計原理框(kuàng)圖如圖3所示。
當(dāng)磁感應強度B保(bao)持常數時,被測(cè)流體的體積流(liu)量🌐q與感應電動(dòng)勢E成正比。即
式(shi)(4)是在均勻直流(liu)磁場條件下導(dao)出的。由于直流(liú)磁場使管道中(zhong)的導電液體電(diàn)解,電極極化,所(suo)以會影☀️響測量(liàng)的精度。因此通(tong)常采用交流磁(ci)場工作,交流磁(cí)場的磁感應強(qiáng)度B表示爲:
式(8)說(shuō)明,當d一定及磁(ci)感應強度B保持(chi)常數時，被測流(liú)體🍉的體積💁流量(liàng)q與兩極間的電(dian)動勢E成正比，由(yóu)此可以得到被(bei)測流體的流量(liàng)。
電磁流量計主(zhu)要用于測量電(dian)導率大于10-4/cm·Ω的單(dan)相流體。不适用(yong)氣體、蒸汽。可進(jin)行雙向流動測(ce)量。對儀表前後(hòu)直管段的要求(qiú)不高,不受流體(ti)的溫度、壓力、密(mi)度、粘度等參數(shu)的影響。但被測(ce)流體内💯不應有(you)不均勻的氣體(ti)和固體,不👣應有(yǒu)大量的磁性物(wù)質。
3重29電磁流量(liang)計響應影響因(yīn)素分析
電磁流(liu)量計常被用來(lái)測量管道中導(dao)電流體的流量(liàng)⛱️,不🌍管流🍓體的性(xìng)質如何，隻要其(qí)具有微弱的導(dǎo)電㊙️性(電導率＞8X10-5m/s)即(jí)可🏃進行測量。通(tōng)常油田注人的(de)聚合物混合液(yè)的導電🌈性能良(liang)好,符合這種測(ce)量條件。
電磁流(liu)量計自從商品(pin)化以來,其技術(shu)進步十分明顯(xian),新材料❤️、新設計(ji)尤其是采用了(le)大規模集成電(dian)路、單片機和計(jì)算機,其㊙️技術性(xìng)能指标和功能(néng)都有很大提高(gāo),特别是抗幹擾(rao)能力、可靠性和(he)穩定性的改善(shàn)尤爲明顯。從以(yǐ)上推導的表達(dá)式看,感應電壓(yā)與流體的流速(sù)🤩成線性關系，似(si)乎與其它因素(sù)無關。事實上,客(ke)觀條件的限制(zhì)導緻了電磁流(liu)量計還受到㊙️以(yǐ)下因素的影響(xiǎng),影響大時流量(liang)計甚至不能正(zhèng)常工作,具體分(fèn)析如下;
3.1流速分(fen)布影響
當流速(su)分布相對于測(cè)量管中心軸對(duì)稱時,電極檢😄測(ce)到的流量信号(hào)将與被測流體(tǐ)的平均流速成(cheng)正.比。當流速分(fèn)布相對管中心(xīn)爲非軸對稱時(shí),還用，上述公式(shi)計算流量時将(jiang)會産生測量誤(wù)差。因爲電極上(shàng)得到的感生電(diàn)動勢是測量管(guǎn)内所有💚液體共(gong)同貢獻的結果(guǒ),每一個流體質(zhì)點都有貢獻。由(you)于各個㊙️流體質(zhi)點相對于電極(ji)的幾何位置不(bu)同,即使各質🌍點(diǎn)速度一✏️樣,它們(men)對電動勢的貢(gòng)獻也是不同的(de)。越靠近電極的(de)質點對電動勢(shi)的貢獻越大💘。也(yě)就是說♉,電極附(fù)近的感應電動(dòng)勢較大,與兩電(dian)極平面成90度🥰的(de)地方的流體産(chan)生的感應電動(dòng)勢就小。如果電(diàn)極‼️附近的流速(sù)非軸對稱偏大(dà)，測得的流量信(xin)号就比實際流(liú)量值大;反之,電(diàn)極附近的流速(sù)非軸對稱偏小(xiǎo),測得的流量信(xin)号也就偏小。爲(wei)了消除✉️由于流(liu)速分布而産生(shēng)的測量誤差,在(zai)電磁流量傳感(gan)器前應⭕有--定長(zhǎng)度的直管段,以(yi)保證流🌍速的軸(zhóu)對稱分布。
3.2磁場(chang)邊緣效應影響(xiǎng)
由前述可知,電(diàn)磁流量計的基(ji)本表達式是在(zai)假.定沿流體的(de)❗流動方向，上磁(cí)場始終是均勻(yún)爲前提下🧑🏾🤝🧑🏼推導(dǎo)而得到的。這就(jiu)意味着沿管軸(zhóu)方向上的磁場(chǎng)無限長,而實際(jì)流量計的線圈(quān)長度是有限的(de),并且爲了實現(xian)流量計的小型(xíng)化,總是希望勵(lì)磁線圈和測量(liàng)管的長度越短(duǎn)越好。這樣就會(huì)出🔞現磁場邊緣(yuan)效應,即磁場軸(zhóu)向長度對感應(ying)電動勢幅值和(hé)勵磁線圈兩端(duan)的磁感應強度(du)☎️不均勻。磁場中(zhong)間部分大緻是(shì)均勻的,兩端則(ze)逐漸減弱,形成(cheng)不均勻的邊緣(yuan),最後.下降爲零(ling)。使得液體内部(bù)電場E也不均勻(yún),産生渦電流。由(yóu)渦電流所産生(sheng)的二次磁通反(fǎn)過來改變磁場(chǎng)邊緣部分的工(gong)作磁通,使磁場(chǎng)的均勻性進--步(bù)遭到🔆破壞。這時(shí)在電極.上測量(liang)到的感應電動(dòng)勢與👌無限長磁(cí)場下的感應電(diàn)動勢不一樣,産(chǎn)生了誤差。理論(lùn)分析表明🔞,爲了(le)減少邊緣效應(ying),勵磁線圈的軸(zhóu)😄向長度應爲測(ce)量管⭕内徑的1.4~1.52倍(bèi)。這樣才可以使(shi)電極.上産生的(de)感應電動勢接(jie)近于無限長磁(ci)場的理論計算(suan)值。
假如管壁是(shì)導電的，磁場邊(biān)緣效應更加明(ming)顯，從而導緻電(dian)極.上感應電動(dòng)勢的損失增加(jia),所以管壁通常(chang)要💯塗_上絕緣層(ceng)。假如介質的電(diàn)導率極高(如液(ye).态金屬),磁場邊(biān)緣區域兩側的(de)磁🔴場分别被削(xue)弱和增強。所以(yǐ)測量電導率高(gāo)的介質不宜用(yòng)交流勵磁，而應(ying)用直流勵磁。若(ruò)被測介質中含(han)有導磁性物質(zhì)(鐵‼️鑽、鎳之類),磁(cí)㊙️場邊緣效應就(jiu)更複雜。由于導(dǎo)磁性物質的存(cun)在❗，使磁場發生(sheng)嚴重畸變,造成(cheng)測量的非線🈲性(xìng)。
3.3液體電導率影(ying)響
使用電磁流(liú)量計的前提條(tiáo)件是被測液體(tǐ)必須是導電的(de),不能低于阈值(zhí)(即下限值)。電導(dao)率低于阈值🌏會(hui)産生測量誤🍓差(chà)直至不能使用(yòng)。通用型電磁流(liu)量計的阈值在(zai)10-4~(5X10-6)s/cm之間。電磁👉流量(liang)計不适用于電(dian)導率很低的介(jiè)質的根本原❗因(yīn)在于傳感器與(yǔ)轉換器的阻抗(kàng)匹配問題。目前(qián),轉換器的輸人(ren)阻抗一-般隻能(neng)達到100~200M,也就是說(shuo)😄要保證0.1%的傳輸(shu)精度傳感器内(nèi)阻Rs必須小于100~200KΩ。若(ruo)電極直徑😄0.01m,可得(de)到被測.介質電(diàn)導率的最低值(zhí)。
工業用水及其(qi)水溶液的電導(dao)率大于10-4s/cm,酸、堿、鹽(yan)液的電😍導率在(zài)10-4~10-1s/cm之間,使用不存(cun)在問題，低度蒸(zheng)餾水爲10-5S/cm也不存(cun)在問題。石油制(zhi)品和有機溶劑(ji)電導率過低就(jiù)不能使用。對于(yu)氣體、蒸氣以及(jí)含大量氣泡的(de)液體就無法:使(shǐ)☂️用了。
3.4流體粘度(du)、流體溫度及環(huan)境溫度影響
通(tōng)常認爲電磁流(liú)量計所測體積(jī)流量不受液體(tǐ)電導率(隻要大(da)于某一阈值)、液(ye)體粘度、液體溫(wen)度和環境溫度(dù)等參量😘的影響(xiang)。但✂️實際應用中(zhong),流體粘度、流體(ti)溫度及環境溫(wēn)度等♻️或多或❗少(shǎo)對測👈量有些影(ying)響🔅。實驗研究🆚表(biǎo)明，如果要求精(jing)度較高,基本誤(wù)差小于0.5%~1%,則液體(tǐ)粘度、液體溫度(dù)和環境溫度的(de)影響就不可忽(hū)略;如果要🔴求測(cè)量精度不高,可(ke)以忽略不計🏃♂️。
3.5流(liu)體含有混入物(wu)影響
電磁流量(liàng)計在許多使用(yòng)狀況下,被測流(liu)體中都會含有(you)混人🌈物。一般而(ér)言,混人成泡狀(zhuàng)流的微小油氣(qi)泡仍可正常工(gong)作,但測得的是(shi)含油氣泡體積(jī)的混.合體積流(liú)量;如果油氣體(tǐ)含量增加到形(xíng)成彈狀流✉️，因電(dian)極可😘能被氣體(ti)🆚蓋住使電📐路瞬(shun)間斷開,出現輸(shu)出晃動甚至🚶不(bu)能正常工❤️作。
含(han)有非鐵磁性顆(kē)粒或纖維的固(gù)液兩相流同樣(yàng)可以測得🌈其體(ti)積流量。固體含(han)量較高的流體(ti),如鑽井泥漿、鑽(zuàn)探固井水泥漿(jiang)、紙漿等實際上(shàng)已屬非牛頓流(liu)體。由于固體在(zài)載體液中-.起流(liú)動,兩者之間有(you)滑動,速度上有(you)差異,單相流液(yè)體校驗的儀表(biao)用于固👌液兩相(xiang)流會産生誤差(chà)。雖㊙️然還未見到(dào)電磁流量計應(yīng)用于固液兩💃相(xiang)流中固型物影(ying)響的系統實驗(yàn)報告,但國外有(yǒu)報道稱固型物(wù)含量有14%時誤差(cha)在3%範圍内。
3.6附着(zhe)和沉澱影響
電(dian)磁流量計使用(yong)時間長或者是(shì)用于測量易附(fù)着和🎯沉☔澱物㊙️質(zhì)的流體時,會在(zài)管壁，上産生附(fu)着層，若☁️附着的(de)是⛹🏻♀️比液體電導(dǎo)率🏃♀️高的導電物(wù)質,信号将被短(duǎn)路不能工作,若(ruo)是非導電物質(zhi)則首先應注意(yi)電極的污染。若(ruo)附着于襯裏管(guǎn)璧層爲氧化鐵(tie)鏽層,或以金屬(shu)爲主要成分的(de)燃料,其電導率(lü)大于液體電導(dǎo)率,測得的流量(liang)值将比實際流(liú)量小;若爲碳酸(suan)鈣等水垢層,其(qi)電導率低于液(ye)體,測得的測量(liang)值将高于實際(jì)流量。若附着層(ceng)電導率與液體(ti)相同,按上式計(ji)算附加誤差爲(wei)零,但僅局限于(yu)附着層厚度小(xiao)的條件。此種情(qíng)況下,流通面積(jī)減小,但平均流(liú)速增加㊙️，二者相(xiang)互間可抵消。
3.7電(dian)極表面效應影(yǐng)響
電極表面效(xiào)應分爲表面化(huà)學反應、電化學(xué)和極.化現象以(yǐ)及電極的觸媒(méi)作用三方面。化(hua)學反應效應如(rú)電極表面與被(bèi)測介質接觸後(hòu),形成鈍化膜或(huo)氧化層。它們對(dui)耐腐蝕性能起(qi)到👌積極的🌍保護(hu)作用,但🥰也可能(neng)增🈲加接觸電👉阻(zǔ)。電化學電勢變(bian)化和極化現🥵.象(xiang)會産生幹擾電(dian)勢而形成噪聲(sheng)。漿液♍噪聲和流(liu)動噪聲即是電(dian)🐕極表面噪聲的(de)表😍現。漿液噪聲(sheng)是在測🐅量泥漿(jiang)纖維等液🌈固兩(liang)相流時，固體顆(ke)粒(或液體中的(de)氣泡)擦過電極(ji)表⛷️面,電極表面(miàn)接觸電化學電(dian)勢突然變化,輸(shu)出流量信号出(chū)現尖峰脈沖狀(zhuang)噪聲。流體噪聲(shēng)是在測量✉️較低(dī)電導率液體流(liu)量時,電極的🐇電(dian)化學電勢定期(qī)變化，産生随流(liu)速增加而頻率(lü)增加的随機噪(zào)聲,引起儀表輸(shū)出出🏃🏻♂️現波動現(xian)象。極化電勢是(shì)電感生電動勢(shì)在兩電極極性(xing)😄不🌏同,導緻電解(jiě)質在電極表面(miàn)産生極化。雖然(rán)交📧變勵磁将極(jí)化電勢減弱了(le)幾個數量級,但(dàn)不能完全🐉消除(chu)極化電勢幹🔞擾(rǎo)的影響。極化電(diàn)勢和液體介質(zhì)性質以及電極(ji)材料性質💜有關(guan)。
3.8變壓器效應影(yǐng)響
電磁流量計(jì)的兩個電極、輸(shu)入輸出回路和(hé)介質一起🔞構成(cheng)了🚩一個閉合回(hui)路。勵磁線圈相(xiàng)當于變壓器的(de)初級線圈,該閉(bi)合回路相當于(yu)次級線圈。這個(gè)次級線圈不可(kě)能🐉與勵磁磁力(li)線完全平🈲行，總(zǒng)有一部分交變(bian)的磁力線穿👄過(guò)該閉合📞回路平(ping)面,形成了所🌈謂(wèi)的“變壓器效應(ying)”。幹擾電♍動勢e,,根(gen)據楞次定律得(de):
可見e1與勵磁電(diàn)源頻率有關,而(er)與流量大小和(hé)傳感器口🔴徑💃無(wu)🙇🏻關。降低勵磁電(diàn)源頻率可減小(xiao)這種幹擾🈲。
4結論(lun)
在石油開發中(zhōng),測井是一個非(fei)常重要的環節(jie)，測井儀器是石(shí)油測井使用的(de)專業測量器具(ju),直接影響油井(jing)的測量結果，在(zài)⭐油田後期開發(fa)難度不斷加大(da)情況下,積極應(ying)用測井新設備(bei)、新技術是提高(gāo)測井成功率的(de)有效途徑,在測(ce)井實際工作中(zhōng)盡量規避電磁(cí)流量的影響因(yin)素,爲油田後期(qi)高效開發提供(gong)的技術支撐。
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