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測井小管徑井水流量計T型磁芯的設(shè)計應(yīng)用

點擊次數(shù):2197 發(fā)布時間:2021-09-08 00:54:17
摘要:針對生產(chǎn)測井狹小空間測量環(huán)境下,提出有一種勵磁結(jié)構(gòu)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,并對不同T型磁芯形狀參數(shù)下流量計測量區(qū)域的磁場進行仿真分析,研究了井水流量計勵磁結(jié)構(gòu)中T型不同參數(shù)磁芯對流量計磁場的影響特性。研究結(jié)果可為生產(chǎn)測井小管徑井水流量計T型磁芯的設(shè)計應(yīng)用提供參考依據(jù)。
1 引言
近年來,井水流量計的勵磁結(jié)構(gòu)況備受研究人員的關(guān)注。金寧德等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,趙琛、李斌等人對流量計鞍狀勵磁線圈磁場分布的計算方法進行研究,鄔惠峰等人運用ANSYS對井水流量計進行建模研究。王月明對電磁測量計的勵磁結(jié)構(gòu)進行建模并開展研究,杜勝雪、孔令富等人對井水流量計矩形與鞍狀線圈磁場的數(shù)值仿真以期獲得較好的勵磁方法,張昊等人對井水流量計勵磁線圈進行了優(yōu)化,徐立軍等人對多電*井水流量計勵磁線圈的進行了優(yōu)化與設(shè)計,張小章對井水流量計磁場也進行了設(shè)計與研究。在一些特殊的工況領(lǐng)域下,如何設(shè)計井水流量計一直是工程技術(shù)人員研究的熱點問題,生產(chǎn)測井中特殊工況環(huán)境下如何設(shè)計井水流量計傳感器結(jié)構(gòu)一直是石油生產(chǎn)測井領(lǐng)域研究的問題,王月明等人提出了電磁相關(guān)法流量測量傳感器解決了生產(chǎn)測井中油氣水三相流流量測量問題。另一方面生產(chǎn)測井空間狹小,需要構(gòu)造特殊的井水流量計傳感器,本文提出了一種勵磁結(jié)構(gòu)的磁芯設(shè)計為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間增大,進而增強測量管道中(測量區(qū)域)磁場強度,使兩端電*感應(yīng)信號變大,有助于信號的獲取,為有限空間下的井下小管徑集流式井水流量計實現(xiàn)提供可能。同時,對井水流量計勵磁結(jié)構(gòu)中T型磁芯參數(shù)進行研究,獲得不同T型磁芯對測量管道中磁場產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果可為應(yīng)用在一些特殊場合中具有T型磁芯的井水流量計實現(xiàn)提供參考依據(jù)。
1、T型磁芯結(jié)構(gòu)
T型磁芯是為較小的空間下實現(xiàn)盡可能大的勵磁線圈而提出的,如圖1所示為較小空間結(jié)構(gòu)下,設(shè)計有T型磁芯的井水流量計傳感器截面圖。在圖中1表示線圈位置;2表示磁芯位置;3表示電*及其固定器件位置;4表示襯里位置;5表示內(nèi)徑壁位置;6表示外徑壁;7表示測量管道(測量區(qū)域)。如圖1所示井水流量計勵磁結(jié)構(gòu)磁芯造型近似為T型(因稱為T型磁芯),磁芯在靠近井水流量計內(nèi)管道時為T型磁芯的較長端。如圖中所示,T型磁芯較長端與x軸夾角為a,T型磁芯較短端與x軸夾角為b,T型磁芯較長端寬度為k1,T型磁芯較短端寬度為k2。
2、磁場評價指標
為了詳細的獲得井水流量計勵磁線圈及T型磁芯變化對流量計測量區(qū)域內(nèi)部磁場強度分布的影響情況,引入樣本平均值、樣本標準差、變異系數(shù)、磁場均勻度、感應(yīng)電勢值等磁場評價指標分析傳感器勵磁線圈不同軸向長度時測量區(qū)域內(nèi)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為樣本磁場均勻度;B c為樣本變異系數(shù)。在這4個磁場評價指標中,樣本平均值越大越好,樣本標準差越小越好,磁場均勻度越大越好,變異系數(shù)越小越好。
式中,S均勻為測量區(qū)域任意一點磁感應(yīng)強度與珔B之比在95%至105%的面積和,S測量區(qū)域為測量區(qū)域的總面積。由Maxwell方程及在一定的假設(shè)條件下,可得井水流量計的感應(yīng)電勢的表達方程,如式(2)所示:
式中,U2-U1是兩電*的電勢差;A表示對所有空間積分;L為絕緣管道筒長一半;r為流量計截面管半徑;矢量珗B是導電流體的流速;B是磁感應(yīng)強度;W為矢量權(quán)重函數(shù),它是一個只由井水流量計本身結(jié)構(gòu)決定的量。由(2)式可知,只要確定了流體的流速V、磁感應(yīng)強度B、以及權(quán)重函數(shù)W,以及流量計管徑半徑,就可以求流量計的感應(yīng)電勢差。
3、仿真實驗
仿真實驗中,設(shè)定a分別為23°,30°,35°,40°,45°,50°,設(shè)定b小于等于a,根據(jù)實際情況設(shè)定角度分別為8°,16°,23°,30°,35°,40°,45°,50°。仿真實驗中設(shè)定T型磁芯較長端寬度為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2/3時的情況)分別考查不同參數(shù)情況下T型磁芯構(gòu)建的勵磁結(jié)構(gòu)對井水流量計測量區(qū)域中產(chǎn)生的磁場影響情況。
如圖2所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)在井水流量計測量區(qū)域產(chǎn)生磁場強度分布仿真圖。由于篇幅原因,這里只顯示了k1/(k1 + k2)為1/2,b 為23°的仿真圖。圖2(a),(b),(c),(d)分別顯示的是a為23°,30°,40°,50°時井水流量計測量區(qū)域截面磁場仿真圖,從仿真圖中可以發(fā)現(xiàn)當磁芯所占空間減小,勵磁線圈空間增大時,流量計內(nèi)部測量區(qū)域中的磁場強度總體上有所增加。在仿真實驗中,將所得的仿真數(shù)據(jù)保存,對其運用磁場評價指標進行下一步的數(shù)據(jù)分析。
4、實驗數(shù)據(jù)分析
為了考察不同T型磁芯結(jié)構(gòu)對井水流量計測量區(qū)域磁場強度的分布情況影響,仿真實驗中獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果運用公式(1)井水流量計磁場強度分布評價指標進行分析,以獲得井水流量計不同T型磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)對流量計測量區(qū)域的磁場強度分布影響,從而為井水流量計T型磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計給出指導性的意見。
如圖3所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下測量區(qū)域產(chǎn)生磁場感應(yīng)強度平均值,圖中橫坐標為T型磁芯b的角度,縱坐標為測量區(qū)域的平均磁場強度,圖標表示的是T型磁芯的不同a的角度以及磁芯長端寬度所占的比例。其中以“角度-比例”表示,例如30-1/2表示T型磁芯的較長端角度a為30°,k1/(k1+k2)為1/2時的測量區(qū)域中平均磁場強度測量結(jié)果。圖標Other為T型磁芯較長端的角度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(qū)域中的平均磁場強度。從仿真結(jié)果可以看出:T型磁芯的較長端的角度a越小,流量計測量區(qū)域中平均磁場強度越大;在T型磁芯的較長端的角度a一定時,T型磁芯的較短端的角度b越小,流量計測量區(qū)域中平均磁場強度越大;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(qū)域中平均磁場強度越大。
如圖4所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下測量區(qū)域產(chǎn)生磁場感應(yīng)強度標準差,圖中橫坐標為T型磁芯b的角度,縱坐標為測量區(qū)域磁場強度的標準差,圖標圖例與圖3中一致。從仿真結(jié)果可以看出:T型磁芯的較長端的角度a越小,流量計測量區(qū)域中磁場強度標準差越大;在T型磁芯的較長端的角度a一定時,T型磁芯的較短端的角度b越小,流量計測量區(qū)域中磁場強度標準差越大;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(qū)域中磁場強度標準差越大。
標準差代表磁場測量區(qū)域的磁場分布波動性較大,因而需引入變異系數(shù)對測量區(qū)域中的磁場分布情況進一步分析。如圖5所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下測量區(qū)域磁場感應(yīng)強度變異系數(shù),圖中橫坐標為T型磁芯b的角度,縱坐標為測量區(qū)域磁場強度分布的變異系數(shù),圖標圖例與圖3中一致。從仿真結(jié)果可以看出:T型磁芯的較長端的角度a越小,流量計測量區(qū)域中磁場強度變異系數(shù)越大;在T型磁芯的較長端的角度a一定時,T型磁芯的較短端的角度b越小,流量計測量區(qū)域中磁場強度變異系數(shù)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(qū)域中磁場強度變異系數(shù)越大。異系數(shù)越大說明磁場分布越不均勻,波動性越大;異系數(shù)越小說明磁場分布趨向均勻。下面通過計算測量區(qū)域中的磁場均勻區(qū)域來對這一結(jié)果進一步的分析。
如圖6所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下測量區(qū)域磁場感應(yīng)強度均勻區(qū)域面積,圖中橫坐標為T型磁芯b的角度,縱坐標為測量區(qū)域磁場強度分布的均勻區(qū)域面積,圖標圖例與圖3中一致。從仿真結(jié)果可以看出:T型磁芯的較長端的角度a為越小,流量計測量區(qū)域中磁場強度均勻區(qū)域面積越大;在T型磁芯的較長端的角度a一定時,T型磁芯的較短端的角度b越小,流量計測量區(qū)域中磁場強度均勻區(qū)域面積越大;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(qū)域中磁場強度均勻區(qū)域面積越大。
上面對不同T型磁芯結(jié)構(gòu)對流量計測量區(qū)域內(nèi)部磁場分布影響進行了研究,下面通過電*兩端感應(yīng)信號如公式(2)對井水流量計T型磁芯結(jié)構(gòu)對流量計測量結(jié)果的影響進行研究。如圖7所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下井水流量計感應(yīng)信號。圖中橫坐標為T型磁芯b的角度,縱坐標為井水流量計獲取的感應(yīng)信號(電勢差),圖標表示的是T型磁芯的不同a的角度,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(yīng)電勢差,實線為流體為層流情況下獲取的感應(yīng)電勢差。
從仿真結(jié)果可以看出:T型磁芯的較長端的角度a越小,流量計電*兩端獲得的感應(yīng)信號越大;在T型磁芯的較長端的角度a一定時,T型磁芯的較短端的角度b越小,流量計電*兩端獲得的感應(yīng)信號越大。這主要是因為井水流量計勵磁線圈的增加,使得流量計測量區(qū)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(yīng)信號增加。
仿真實驗證明在有限的空間下,修改T磁芯的不同參數(shù),可以增加流量計測量區(qū)域內(nèi)部的磁場分布情況,也可以適當?shù)恼{(diào)整流量計測量區(qū)域中的磁場強度與均勻度,根據(jù)生產(chǎn)測井中的實際工況,改變井水流量計的T磁芯參數(shù)獲得設(shè)計參數(shù)。
5、結(jié)論
井下集流型井水流量計在油氣井測量方面有廣泛的應(yīng)用前景,針對生產(chǎn)測井特殊工況下提出具有T型磁芯的勵磁結(jié)構(gòu)的集流式井水流量計,利用有限元軟件ANSYS建立了該種T型磁芯結(jié)構(gòu)井水流量計的磁場分布計算機仿真模型,并通過各種性能指標的分析,獲得該T型磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計指標與流量計測量區(qū)域中磁場分布關(guān)系,為擁有T型磁芯結(jié)構(gòu)的勵磁結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供參考依據(jù)。

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