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測井小管徑井水流量計T型磁芯的設計應用

點擊次數:2245 發布時間:2021-09-08 00:54:17
摘要:針(zhēn)對生產(chǎn)測井(jǐng)狹小空間測量環(huán)境下,提出有一種勵磁結構為T型磁芯的集流型井水流量計,運用有限元軟件ANSYS對這種T型磁芯建立磁場仿真模型,並對(duì)不同T型磁芯形狀參(cān)數下流量計測量區域的(de)磁場進行仿真分析,研究(jiū)了井水流量計(jì)勵磁結構中T型不同參數磁芯對流量計磁場的(de)影響特性。研究結果可為生產測井小管徑井水流量計T型磁芯的設計應用提供參考依據。
1 引言
近年來(lái),井水流量計的(de)勵磁結(jié)構(gòu)況備受(shòu)研究人員的關注。金寧德等(děng)人對外流式的井水流量計的磁場分布情況進行了仿真研究(jiū),趙琛、李斌等人對(duì)流量計鞍(ān)狀勵磁線圈磁場分布的計算方法進行研究,鄔惠峰等(děng)人運用ANSYS對井(jǐng)水流量計(jì)進行(háng)建模研(yán)究。王月明對電磁測量計的勵磁結構進行建模並開展研究,杜勝雪、孔令富等人對井水流量計矩形與鞍狀(zhuàng)線圈磁場的數值仿真以期獲得較好的勵磁方法,張昊等人對井水流量計(jì)勵磁線圈進行了優(yōu)化,徐(xú)立軍等人對多電*井水流(liú)量(liàng)計勵磁線圈(quān)的進行了優化與設計,張小章對(duì)井水流量計磁場也(yě)進行了設(shè)計與研究。在一些特殊(shū)的工況(kuàng)領域(yù)下(xià),如何設(shè)計井水流量計一直是工程(chéng)技術人員研究的熱點問題,生產測井(jǐng)中特殊工況環境下如(rú)何設計井水流量計傳感器結(jié)構一直是石油生產測(cè)井領(lǐng)域研究的問題,王月明等人提出了電磁相(xiàng)關法(fǎ)流量測量(liàng)傳感器(qì)解決了生產測井中油氣水三相流流量測量問題。另一方麵(miàn)生產測井空間(jiān)狹小(xiǎo),需要構造特殊的井水流(liú)量計傳感器,本文提出了一種勵磁(cí)結構(gòu)的磁芯設計(jì)為(wéi)T型的井水流量計,使得有限的空間下井水流量計的勵磁線圈空(kōng)間增大,進而(ér)增強測量(liàng)管道中(測(cè)量區域)磁場強度,使兩端電*感應信號變大,有助於信號(hào)的獲取,為有限空(kōng)間(jiān)下的井下小管徑集流式井水流量計(jì)實現提供可能。同時,對井水流量計勵磁結構中T型磁芯參(cān)數進行研究,獲得不同T型磁芯對測量管道中磁場產生的影響(xiǎng)。研究結果可為應用在一些(xiē)特殊場合中具有T型磁芯的井水流量計實現(xiàn)提供參考依據。
1、T型磁芯結構
T型磁芯是為較小的空間下實現盡可能大的勵磁線圈而提(tí)出的,如圖1所示為較小空間結構下,設計有T型(xíng)磁芯的井水流量計傳感(gǎn)器截麵圖。在圖(tú)中1表示(shì)線圈位置(zhì);2表示磁芯位置;3表示電*及其固定器件位置;4表示襯裏位置;5表示內徑壁位置;6表示外徑壁(bì);7表示測量管(guǎn)道(測量區域)。如圖1所示井水流量計勵磁結構磁芯造(zào)型近似為T型(因稱為T型磁芯),磁芯在靠近井水(shuǐ)流(liú)量計內管道(dào)時為T型磁芯的較長端。如圖中(zhōng)所示,T型磁芯較長端與x軸夾角為a,T型磁芯(xīn)較(jiào)短端與x軸夾角為b,T型磁芯較(jiào)長端寬度為k1,T型(xíng)磁芯較短(duǎn)端寬度為k2。
2、磁場評價指標
為(wéi)了詳細的獲得井水流量計勵磁線圈及T型磁(cí)芯變化對流量計(jì)測(cè)量區域內部磁場強度分布的(de)影響情(qíng)況,引(yǐn)入樣本平均值、樣(yàng)本標(biāo)準差、變異係數、磁場均勻度、感應電勢值等磁場(chǎng)評價指標分析傳感器勵磁線圈不同軸向長度時測量區域(yù)內部磁場分布情況,如式(1)所示。式中,B為樣本平均值;B s為樣本標準差;B cv為樣本磁場(chǎng)均勻(yún)度;B c為樣本變異係數。在這4個磁場評價指標中,樣本平均值越大越好,樣本標準差(chà)越小越好,磁場均勻度越大越好,變異係數越小越好。
式中,S均勻為測量區域任意一點磁感應(yīng)強度與珔(jiàn)B之比在95%至105%的麵積和,S測量區域為測量區域的(de)總麵積。由Maxwell方程及在(zài)一定的假設(shè)條件下(xià),可得井水流量計的(de)感應電勢的表達方程,如式(2)所示(shì):
式中,U2-U1是兩電(diàn)*的電勢差;A表示對所有空間積(jī)分;L為絕緣管道筒長一半;r為流量計截麵管半徑;矢量珗B是導電流體(tǐ)的流速;B是(shì)磁感應強(qiáng)度;W為矢量權重函數,它是(shì)一個隻由井(jǐng)水流量計本身結構決定的量。由(2)式可知,隻要確定了流體的流速V、磁感應強度B、以及權重函數W,以及流量計管徑半徑,就可以(yǐ)求流量計的感應電(diàn)勢(shì)差。
3、仿(fǎng)真(zhēn)實驗
仿真實驗中,設定a分別為23°,30°,35°,40°,45°,50°,設定b小於等於a,根據實際情(qíng)況設定角度分(fèn)別為8°,16°,23°,30°,35°,40°,45°,50°。仿(fǎng)真實驗中(zhōng)設定T型磁芯(xīn)較長端寬度為k1占T型磁芯整個寬度的1/3,1/2以及2/3時(即k1/(k1+k2) 為1/3,1/2 以及(jí)2/3時的情況)分別考(kǎo)查不同參數情況下T型磁芯構建的勵磁結構對井水流量計測量(liàng)區(qū)域中產生的磁(cí)場影響情況。
如圖(tú)2所示為不同T型磁(cí)芯結構在井水流量計測量區域產生磁場強度分布仿真圖。由於篇幅原因(yīn),這裏隻顯示了k1/(k1 + k2)為1/2,b 為23°的仿真圖。圖2(a),(b),(c),(d)分別(bié)顯示的是a為23°,30°,40°,50°時井水流量計(jì)測量區域截麵磁場仿真圖,從仿真圖中可以(yǐ)發現當磁芯所(suǒ)占空間減小,勵磁線圈空間(jiān)增大時,流量計內部測量區域中的(de)磁場強度總體上(shàng)有所(suǒ)增(zēng)加。在仿真實驗中,將所得的仿真數據保存(cún),對其(qí)運(yùn)用磁場評價指標進行下一步的數據分析。
4、實驗數(shù)據分(fèn)析
為了考察不同T型磁芯結構對井水流量計測量區域磁場強度的分布情況影響,仿真實驗中獲得的數據結果運用公式(shì)(1)井水流量計磁場強度分布評價指標進(jìn)行分(fèn)析,以獲得井水流(liú)量計不同T型(xíng)磁芯結構參數對流(liú)量計測量區域的磁場強(qiáng)度(dù)分布影響,從而為井水流量計T型磁芯結構設計(jì)給出指導性的意見。
如圖3所示(shì)為不(bú)同(tóng)T型磁芯結構下測量區(qū)域產生磁場感應強度平均值,圖中橫坐(zuò)標為T型磁(cí)芯b的角度,縱坐標為測量(liàng)區域的平均磁場強度,圖標表示的是T型磁芯的不同(tóng)a的(de)角度以及磁芯長端寬度所占的比例。其(qí)中以“角度-比(bǐ)例”表示,例如30-1/2表示T型磁芯的(de)較長端角度a為30°,k1/(k1+k2)為1/2時的測量區域中平均磁(cí)場強度測量結(jié)果。圖標Other為(wéi)T型磁芯較長端(duān)的角度a與較短端的角度b相等(即為23,30,35,40,45,50)時的流量計測量區域中的平均磁場強度。從仿真結果可以看出:T型磁芯的較長端的角度(dù)a越小,流量計測量區(qū)域中平均磁(cí)場強度越大(dà);在T型磁芯的較(jiào)長端的角度a一定時(shí),T型磁芯的較(jiào)短端的角度b越小,流量計測量(liàng)區域(yù)中平均(jun1)磁場強度越大;在T型磁芯的較長端的角度a與較短端的角度b一定時,T型磁芯的k1/(k1 + k2)越小,在流量計測量區域中平均磁場強度越(yuè)大。
如圖4所示為不同T型磁芯結構下測量區域產生(shēng)磁場感應強度標準差,圖中橫(héng)坐標為T型磁芯b的角度,縱坐標為(wéi)測量區域磁場強度的標準差,圖標圖例與圖3中一致。從(cóng)仿真結果可以看出:T型磁芯的較(jiào)長端的角度(dù)a越小(xiǎo),流量計測量區域中磁場強(qiáng)度(dù)標準差越大;在T型磁芯的較長端的角度a一定時,T型(xíng)磁芯的較短端的(de)角度b越(yuè)小,流量計測(cè)量區(qū)域中磁場強度標準差越大;在T型磁芯的(de)較長端的角度a與較短端的角度b一定時(shí),T型磁芯(xīn)的k1/(k1 + k2)越小,在流量計測量區域中磁場強度標準差越大。
標準差代表磁場(chǎng)測量區域的磁場分布波(bō)動性較大,因而需引入變異係數(shù)對(duì)測量區域中的磁場分布情(qíng)況進一(yī)步分析。如圖(tú)5所示為不同T型(xíng)磁芯(xīn)結(jié)構下測量區域磁場感應強度變異係數,圖中橫坐(zuò)標為T型磁芯b的角度,縱坐標為測量區域磁場強度分布的變異係數,圖標圖例與圖3中一致。從仿真結果可(kě)以看出:T型磁芯的較長端(duān)的(de)角度a越小(xiǎo),流量計測量區域中磁場強度變異係數越大;在T型磁芯的較長端的角(jiǎo)度a一定(dìng)時,T型磁芯的較(jiào)短端的角度b越小(xiǎo),流量計測量區域(yù)中磁場強度變異係數越大;在T型磁芯(xīn)的較長端的角度a與較短端(duān)的角度b一定時,T型磁芯的k1/(k1 + k2)越小,在流量計測量區域中磁場強度變異(yì)係數越大。異係數越大說明磁場分布越不均勻,波動性越(yuè)大;異係數越(yuè)小說明磁場(chǎng)分布趨(qū)向(xiàng)均勻。下(xià)麵通過計算測量(liàng)區域中的(de)磁場均勻區域來對這一結果進一步的分析。
如圖6所示為不同T型磁芯(xīn)結構下測量區域磁(cí)場感應強度均勻區(qū)域麵積,圖(tú)中橫坐標為(wéi)T型磁芯(xīn)b的角度,縱坐標為測量區域磁(cí)場強度分布的均勻區域麵積,圖標圖例與圖3中一致。從仿真(zhēn)結果可以(yǐ)看出:T型磁芯的較長端的角(jiǎo)度a為越小,流量(liàng)計測量區域中磁場強度均(jun1)勻區域麵積越大;在T型磁芯的較長端的角(jiǎo)度a一定時(shí),T型磁芯的較短端的角度(dù)b越小,流量(liàng)計測(cè)量區域中磁場(chǎng)強度均(jun1)勻區域麵積越大;在T型(xíng)磁芯的較長端的角度a與較短端的角度b一定時,T型磁芯的k1/(k1 + k2)越小,在流量計測量區域中磁場強度均勻區域麵積越(yuè)大。
上(shàng)麵對不同T型磁芯結構對流量計測(cè)量區域內部磁場分布影響(xiǎng)進行了研究,下麵(miàn)通過電*兩端感應信號如公(gōng)式(2)對井水流量計T型磁芯結構(gòu)對流量計測量結果的影響(xiǎng)進行研究。如(rú)圖7所示為不同T型磁芯結構下井水流量(liàng)計(jì)感應信號。圖中橫(héng)坐標為T型磁芯b的角(jiǎo)度,縱坐標為井(jǐng)水流量計獲取的感應信號(電勢差),圖標表示(shì)的是T型磁芯的不(bú)同a的(de)角(jiǎo)度,仿真中k1/(k1 + k2)為1/2。仿真實驗中虛線為仿真流體為湍流情況下獲取的感應電勢差,實線為流體為層流情況下獲取的感應電勢差。
從仿真(zhēn)結果可以看出:T型磁芯的較長端的角度(dù)a越小,流量計電*兩端獲得的感應信號越(yuè)大;在(zài)T型磁芯的較長端的角度a一(yī)定時,T型磁芯的較短端的角度b越(yuè)小,流量計電*兩端獲得(dé)的感應信(xìn)號越大。這主要(yào)是因為井水流量計勵磁線圈的增加,使得流量(liàng)計測量區域的磁場強度增加,同樣分布的流速下使得流量計電*兩端的感應信號增加。
仿真實驗證明(míng)在有限的空間下(xià),修改(gǎi)T磁芯的不(bú)同參數,可以增加流量計測量區域內部的磁場分布(bù)情況,也(yě)可(kě)以(yǐ)適當的調(diào)整流量計測量區域中的磁場強度與均勻度,根據(jù)生產測井中的實際工況,改變井水流量計的T磁芯參數獲得設計參數。
5、結論
井下集流型井水(shuǐ)流量計在油氣井測量方麵有廣(guǎng)泛的應用前景,針對生產測井特殊工況下提出具有T型(xíng)磁芯(xīn)的勵磁(cí)結構的集流式井水流量(liàng)計,利用有(yǒu)限元軟(ruǎn)件ANSYS建立了該種T型磁芯結構井水流量計的(de)磁場分(fèn)布計算機仿(fǎng)真模型,並通過各種性能指標的分析,獲得該(gāi)T型磁芯結構參(cān)數設計指標與流量計測量區(qū)域中磁場分布關係,為擁(yōng)有T型磁芯結構的勵磁結構的實現提供參考依據。

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