摘要:油水(shui)兩相流中存(cun)在非導電物(wù)質,對電磁流(liú)量計 測量結(jie)果存在一定(dìng)影響。在高流(liú)速下兩相流(liu)的測量中,電(dian)磁流量計測(cè)量中卻出現(xiàn)了與低流速(sù)時不同的測(cè)量結果，該現(xian)象在工業生(sheng)産中一直未(wei)得到較滿意(yi)的解釋。介紹(shao)了電磁流量(liàng)計的基本原(yuan)理,分析了可(ke)能影響電磁(cí)流量計感應(yīng)信号的因素(sù)。研究了非導(dǎo)電物質對電(dian)磁流量計權(quán)重函數分布(bù)情況的影響(xiang),對高流速兩(liǎng)相流測量結(jié)果進行解釋(shì)。仿真實驗表(biao)明,在--定的含(han)水率範圍内(nei)，流體中的非(fei)導電物質半(ban)徑較小時,對(duì)電磁流量計(jì)的權重函數(shù)影響很小。該(gai)研究結果可(kě)爲兩相流電(dian)磁流量生産(chan)測量提供-定(dìng)的參考依據(ju)。
0引言
　　油水兩(liǎng)相流動是石(shí)油工業中十(shí)分普遍的現(xiàn)象，油水兩相(xiang)流流量的測(ce)量是産出剖(pou)面測井應用(yòng)最廣泛的一(yi)種,解決油水(shuǐ)兩相流流量(liang)的測量問題(tí)是測井工業(ye)中最熱門的(de)課題之一。電(dian)磁流量計是(shì)重要的流量(liàng)測量儀表,近(jin)年來,電磁流(liu)量計開始應(ying)用于多相流(liú)測量,尤其在(zài)高含水的石(shi)油測井方面(miàn)應用廣泛,電(dian)磁流量計應(yīng)用于多相流(liú)理論中具有(yǒu)獨特的優點(dian),如對流速分(fen)布不太敏感(gan)，管道中無阻(zu)礙流體流動(dòng)的部件[2-3]。電磁(cí)流量計的基(ji)本理論是建(jiàn)立在單相流(liú)的理論基礎(chǔ).上的,流體存(cun)在氣泡或油(you)泡等非導電(diàn)物質時,非導(dǎo)電物質在通(tōng)過電磁流量(liang)計傳感器時(shí)不産生感應(ying)電勢,所以電(dian)磁流量計的(de)測量結果會(hui)因含水率不(bu)同而産生--定(dìng)變化。但是,在(zài)電磁流量計(ji)實際測量中(zhōng)卻發現當測(ce)量流速高于(yu)--定範圍後,電(dian)磁流量計的(de)測量值在很(hen)大範圍不會(huì)因爲含水率(lü)不同而不同(tong),這一問題是(shì)工業測量生(shēng)産中以及研(yán)究人員的關(guan)注問題之一(yī)。
　　通過非導電(diàn)物質對電磁(cí)流量計權重(zhòng)函數的影響(xiang),結合雷諾數(shù)、湍流度對這(zhe)一問題進行(háng)闡述,以求獲(huò)得這一問題(tí)的合理解釋(shì),爲電磁流量(liang)計在高流速(sù)含水率在一(yi)定範圍内時(shí)兩相流的測(cè)量提供一定(dìng)參考依據。
1流(liú)量計感應電(diàn)勢理論基礎(chu)
　　當導電流體(tǐ)流過外加磁(cí)場時,切割磁(cí)力線。根據法(fa)拉第電磁感(gǎn)應定律,在流(liú)體中就會産(chan)生感應電動(dòng)勢,且通過測(ce)量感應運動(dòng)勢的值獲取(qu)流體的速度(dù)和流量,這就(jiu)是電磁流量(liàng)計測量流量(liàng)的基本原理(lǐ)。由Maxwell方程及--定(ding)的假設條件(jian),可得電磁流(liu)量計的感應(ying)電勢的表達(dá)方程
 
　　式中,U爲(wei)兩電極的電(dian)勢差;矢量V爲(wèi)導電流體的(de)流速;B爲磁感(gan)應強度;A爲對(dui)所有空間積(ji)分;W爲矢量權(quán)函數,它是一(yi)個隻由電磁(cí)流量計本身(shen)結構決定的(de)量。不同結構(gòu)的電磁流量(liàng)計權重函數(shù)不同，研究人(rén)員分析了外(wài)流式四電極(jí)電磁流量權(quan)重函數[1]。
2高流(liu)速兩相流下(xia)測量值與分(fèn)析
　　在模拟井(jing)實驗中,采用(yong)集流的内流(liú)式電磁流量(liàng)計測量兩相(xiàng)流,該電磁流(liu)量計檢測電(dian)極測量信号(hào)是利用法拉(la)第電磁感應(ying)定律。檢測電(diàn)極安裝在流(liu)量測量傳感(gǎn)器流體輸送(sòng)管道上,将通(tong)過傳感器導(dao)管中的油氣(qì)水多相流流(liú)體的流速轉(zhuan)變成檢測電(dian)極兩端的感(gan)應電勢信号(hao)。當通過電磁(cí)流量計的總(zong)流量較大時(shi),一定的含水(shuǐ)率範圍内，例(li)如含水率在(zai)50%~100%時,高流速下(xià)電磁流量計(ji)流量測量值(zhí)基本在某一(yī)值附近。表1所(suǒ)示爲高流速(su)下電磁流量(liang)計兩相流測(cè)量顯示值。表(biao)1中,各列表示(shi)不同含水率(lǜ)下電磁流量(liang)計測量結果(guo),各行表示不(bu)同流速下測(cè)量結果(電磁(ci)流量計輸出(chū)爲響應頻率(lǜ),單位爲Hz),下面(mian)從理論上對(dui)這一問題進(jin)行研究。
 
　　由流(liú)量計的感應(yīng)電勢理論基(jī)礎可知,流量(liang)計的感應電(diàn)勢差由流量(liàng)計管徑半徑(jìng)R、流體的流速(su)分布V、磁感應(ying)強度分布B、權(quan)重函數分布(bu)W确定.
　　由于油(yóu)與水磁化率(lǜ)近似相等[5],兩(liang)相流流體中(zhōng)油泡的存在(zai)對流量計磁(ci)場分布影響(xiang)較小，所以油(you)水兩相流對(duì)流量計傳感(gan)器截面上磁(ci)感應強度分(fen)布幾乎沒有(you)影響。在總流(liú)量一定的情(qing)況下,含水率(lǜ)不同并不影(ying)響電磁流量(liang)計截面的平(píng)均流速,采用(yong)FLUENT仿真出傳感(gǎn)器管道内不(bú)同徑向含水(shui)率的速度分(fèn)布,提取不同(tóng)徑向的流體(tǐ)速度,并進行(háng)數值分析,也(yě)說明含水率(lü)不同總流量(liàng)相同時測量(liàng)區域的速度(dù)分布是相近(jìn)的。非導電物(wu)質在流體中(zhong)切割磁力線(xiàn)不産生感應(yīng)電勢,故而其(qi)權重函數的(de)貢獻率爲0。但(dan)是，在高流速(su)下含水率50%與(yu)含水率100%測量(liàng)的數值一樣(yàng)大或甚至還(hái)大的現象一(yī)直困惑着工(gōng)程技術人員(yuán)。
　　實驗發現,電(diàn)磁流量計測(cè)量低流速兩(liǎng)相流時流體(ti)中的油泡半(bàn)徑較大,分布(bù)也不是很均(jun)勻，兩相流的(de)電磁流量計(ji)感應電動勢(shì)的計算模型(xíng)由文獻[6]給出(chu)。而高流速時(shi)，由于流量計(jì)中的流體速(sù)度較快,流體(ti)中油水分布(bu)均勻,且油泡(pào)較小，較分散(san),油泡以細小(xiǎo)分散狀存在(zài)于水連續相(xiang)中。
　　雷諾數是(shì)表征流體流(liu)動情況的無(wú)量綱數。雷諾(nuò)數較小時,黏(nián)滞力對流場(chǎng)的影響大于(yu)慣性力，流場(chang)中流速的擾(rǎo)動會因黏滞(zhi)力而衰減，流(liu)體流動穩定(dìng),爲層流;反之(zhī),若雷諾數較(jiao)大時，慣性力(lì)對流場的影(yǐng)響大于黏滞(zhi)力,流體流動(dong)不穩定，流速(su)的微小變化(huà)容易發展.增(zeng)強,形成紊亂(luan)、不規則的湍(tuān)流流場。流态(tài)轉變時的雷(léi)諾數值稱爲(wèi)臨界雷諾數(shù)。一般管道雷(léi)諾數Re<2100爲層流(liú)狀态,Re>4000爲湍流(liú)狀态，Re=2100~4000時爲過(guò)渡狀态。表2列(liè)出不同含水(shui)率與不同流(liú)速下的雷諾(nuo)數。
 
　　在湍流下(xià)，由于流體流(liú)動不穩定,平(ping)均流中會不(bú)斷産生大尺(chǐ)度渦;大尺度(dù)渦由于不穩(wěn)定破碎爲小(xiao)尺度渦,小尺(chǐ)度渦本身也(yě)不穩定，因此(cǐ)又會再破碎(sui)爲更小的渦(wo)。流速越高流(liú)體的雷諾數(shù)越大,流體流(liu)動小尺寸結(jié)構越細,且在(zai)流體中分布(bù)較均勻。
3非導(dǎo)電物質存在(zai)時權重函數(shù)
　　高流速時,電(dian)磁流量計中(zhōng)的流體爲湍(tuān)流,且雷諾數(shu)越大，流體小(xiao)尺寸結構越(yue)小。但流體整(zheng)體向前的流(liú)速不會因爲(wei)湍流而減小(xiao),這樣的情況(kuang)下可知電磁(ci)流量計流體(tǐ)中的非導電(dian)物體的尺寸(cùn)更小。當含水(shuǐ)率不變,非導(dao)電物體物質(zhì)半徑變小後(hou)對電磁流量(liàng)計的整體流(liú)速分布不變(biàn)、對流量計的(de)磁場分布影(ying)響較小。根據(jù)式(1)可知，電磁(cí)流量計中非(fēi)導電物質的(de)半徑大小對(duì)流量計的權(quán)重函數是有(yǒu)影響的。
　　當電(dian)磁流量計中(zhong)心橫截面内(nei)含有M(M=0,1,2.,-.)個油泡(pao)時傳感器的(de)權重函數分(fen)布情況,本文(wén)算例設定M=3權(quan)重函數分布(bù)情況計算方(fang)式。圖1爲電磁(ci)流量計傳感(gan)器截面内存(cún)在3個球形油(you)泡時的結構(gòu)模型圖。其中(zhōng),x軸與y軸與圖(tu)1描述--緻,圖1中(zhong)隻顯示了測(cè)量區域部分(fen),測量區域流(liu)體中存在3個(gè)油泡。y正半軸(zhou)、負半軸與管(guan)壁的交點是(shì)流量計的電(diàn)極位置。
 
　　圖1中(zhōng)3個油泡相互(hù)不重疊,此時(shí)傳感器内部(bu)感應電勢仍(reng)滿足Laplace方程。爲(wei)了對該問題(ti)進行求解,需(xū)建立2種坐标(biāo)系,一種是以(yi)傳感器中心(xin)爲原點建立(li)的二維直角(jiao)坐标系(x,y),另一(yī)種是以各個(gè)油泡中心爲(wei)原點建立的(de)M個二維極坐(zuò)标系(ri,θi)。首先在(zài)二維直角坐(zuò)标系下對該(gai)問題進行求(qiú)解(本例M=3),求解(jie)感應電勢方(fang)程時需借用(yòng)一個輔助的(de)格林函數G,G滿(man)足Laplace方程且邊(biān)界條件
 
　　式中(zhong),R爲電磁流量(liàng)計半徑的長(zhǎng)度值;მG/an爲電勢(shi)在半徑方向(xiang)上的導數;δ(θ)爲(wèi)電勢G在流量(liang)計管壁處所(suo)滿足的條件(jian),其值僅在電(diàn)極表面處不(bú)爲0。當流體中(zhōng)存在油泡時(shí),G表達式爲
   

　　式(shi)中,R爲測量管(guan)的半徑;x與y分(fèn)别表示測量(liàng)區域中的位(wei)置。
　　當電磁流(liú)量計流體中(zhōng)存在3個油泡(pao)時,G=G+G1+G2+G3圖2顯示了(le)流量計流體(tǐ)截面中存在(zai)3個不重疊的(de)油泡時,流量(liang)計截面内部(bu)權重函數wy分(fen)布圖;從式(2)以(yi)及仿真圖中(zhong)可以發現油(yóu)泡所在位置(zhì)權重函數值(zhí)是0。當然，存在(zai)多個油泡分(fèn)布在不同位(wèi)置流體中時(shi)權重函數分(fen)布情況也可(kě)以用上述方(fang)法計算。
 
　　仿真(zhen)實驗中,設定(ding)不同大小的(de)非導電物質(zhì)對電磁流量(liang)計權重函數(shu)進行仿真,如(ru)圖3所示爲不(bú)同大小非導(dao)電物質對電(dian)磁流量計權(quan)重函數的影(ying)響。圖3中左邊(bian)的分别爲權(quán)重函數分布(bu)圖，右邊分别(bie)爲權重函數(shù)等勢圖,其中(zhōng)R單位爲cm。從圖(tu)3中可見,當電(diàn)磁流量計中(zhong)的非導電物(wù)質半徑越來(lái)越小，對電磁(ci)流量計的權(quán)重函數的影(ying)響就越小。
　　爲(wei)了更清楚地(dì)揭示電磁流(liu)量計的權重(zhòng)函數與流量(liang)計中非導電(diàn)物質半徑之(zhī)間的關系,定(ding)義c爲非導電(diàn)物質對流量(liang)計權重函數(shù)的影響的評(píng)價指标式中(zhōng),Wxy爲含有油泡(pao)等非導電物(wu)質時電磁流(liú)量計在測量(liàng)區域坐标(x,y)的(de)權重函數;Wxy0爲(wei)電磁流量計(jì)不含非導電(diàn)物質時測量(liang)區域坐标(x,y)的(de)權重函數;A爲(wèi)權重函數區(qū)域(測量區域(yù))。
 
　　圖4爲不同大(da)小非導電物(wù)質對流量計(jì)權重函數的(de)影響分析圖(tú)。圖4中橫軸爲(wèi)非導電物質(zhi)半徑,縱軸爲(wèi)權重函數的(de)影響因子c。從(cóng)仿真結果可(ke)以看出流體(tǐ)中的非導電(diàn)物質半徑較(jiào)小時,對電磁(ci)流量計的權(quán)重函數影響(xiǎng)越小。在本例(lì)中，當流體中(zhōng)非導電物質(zhi)小于0.02R時,對電(dian)磁流量計的(de)權重函數分(fèn)布幾乎沒有(yǒu)影響。
4結束語(yǔ)
(1)讨論了高流(liu)速下電磁流(liu)量計流量測(cè)量值不因含(hán)水率的變化(huà)而不同的因(yīn)素。通過數值(zhi)計算可知,在(zài)高流速下,雷(léi)諾數增高,油(yóu)泡以細小分(fen)散狀存在于(yú)水連續相中(zhong),這一變化對(duì)流體流速分(fen)布沒有影響(xiang)。計算分析了(le)水連續相中(zhōng)存在細小分(fèn)散狀的油泡(pào)對流量計權(quán)重函數影響(xiang)情況。
(2) 在一定(dìng)的含水率範(fàn)圍内，當流量(liang)計中非導電(diàn)物質半徑減(jian)小到--定範圍(wéi)時,非導電物(wù)質電磁流量(liàng)計權重函數(shu)分布對電磁(ci)流量計輸出(chu)影響很小,進(jìn)而解釋了高(gao)流速時在一(yī)定含水率範(fàn)圍内電磁流(liú)量計輸出測(ce)量值基本不(bú)變的原因
(3)結(jie)果可爲高流(liu)速電磁流量(liang)計兩相流産(chan)出剖面測井(jǐng)實際應用提(tí)供理論參考(kǎo)及生産測井(jing)解釋依據。

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