測井小管徑井水流量計T型磁芯的設計應用

摘要：針對生產(chǎn)測井狹小空間測量環(huán)境下，提出有一種勵磁結構為T(mén)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(chǎng)仿真模型，并對不同T型磁芯形狀參數下流量計測量區域的磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，研究了井水流量計勵磁結構中T型不同參數磁芯對流量計磁場(chǎng)的影響特性。研究結果可為生產(chǎn)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)，井水流量計的勵磁結構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(chǎng)分布情況進(jìn)行了仿真研究，趙琛、李斌等人對流量計鞍狀勵磁線(xiàn)圈磁場(chǎng)分布的計算方法進(jìn)行研究，鄔惠峰等人運用ANSYS對井水流量計進(jìn)行建模研究。王月明對電磁測量計的勵磁結構進(jìn)行建模并開(kāi)展研究，杜勝雪、孔令富等人對井水流量計矩形與鞍狀線(xiàn)圈磁場(chǎng)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勵磁線(xiàn)圈進(jìn)行了優(yōu)化，徐立軍等人對多電極井水流量計勵磁線(xiàn)圈的進(jìn)行了優(yōu)化與設計，張小章對井水流量計磁場(chǎng)也進(jìn)行了設計與研究。在一些特殊的工況領(lǐng)域下，如何設計井水流量計一直是工程技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，生產(chǎn)測井中特殊工況環(huán)境下如何設計井水流量計傳感器結構一直是石油生產(chǎn)測井領(lǐng)域研究的問(wèn)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(wèn)題。另一方面生產(chǎn)測井空間狹小，需要構造特殊的井水流量計傳感器，本文提出了一種勵磁結構的磁芯設計為T(mén)型的井水流量計，使得有限的空間下井水流量計的勵磁線(xiàn)圈空間增大，進(jìn)而增強測量管道中(測量區域)磁場(chǎng)強度，使兩端電極感應信號變大，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(shí)現提供可能。同時(shí)，對井水流量計勵磁結構中T型磁芯參數進(jìn)行研究，獲得不同T型磁芯對測量管道中磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響。研究結果可為應用在一些特殊場(chǎng)合中具有T型磁芯的井水流量計實(shí)現提供參考依據。
1、T型磁芯結構
T型磁芯是為較小的空間下實(shí)現盡可能大的勵磁線(xiàn)圈而提出的，如圖1所示為較小空間結構下，設計有T型磁芯的井水流量計傳感器截面圖。在圖中1表示線(xiàn)圈位置；2表示磁芯位置；3表示電極及其固定器件位置；4表示襯里位置；5表示內徑壁位置；6表示外徑壁；7表示測量管道(測量區域)。如圖1所示井水流量計勵磁結構磁芯造型近似為T(mén)型(因稱(chēng)為T(mén)型磁芯)，磁芯在靠近井水流量計內管道時(shí)為T(mén)型磁芯的較長(cháng)端。如圖中所示，T型磁芯較長(cháng)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(cháng)端寬度為k1，T型磁芯較短端寬度為k2。

2、磁場(chǎng)評價(jià)指標
為了詳細的獲得井水流量計勵磁線(xiàn)圈及T型磁芯變化對流量計測量區域內部磁場(chǎng)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、磁場(chǎng)均勻度、感應電勢值等磁場(chǎng)評價(jià)指標分析傳感器勵磁線(xiàn)圈不同軸向長(cháng)度時(shí)測量區域內部磁場(chǎng)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)均勻度；B c為樣本變異系數。在這4個(gè)磁場(chǎng)評價(jià)指標中，樣本平均值越大越好，樣本標準差越小越好，磁場(chǎng)均勻度越大越好，變異系數越小越好。

式中，S均勻為測量區域任意一點(diǎn)磁感應強度與珔B之比在95%至105%的面積和，S測量區域為測量區域的總面積。由Maxwell方程及在一定的假設條件下，可得井水流量計的感應電勢的表達方程，如式(2)所示：

式中，U2－U1是兩電極的電勢差；A表示對所有空間積分；L為絕緣管道筒長(cháng)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是磁感應強度；W為矢量權重函數，它是一個(gè)只由井水流量計本身結構決定的量。由(2)式可知，只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，就可以求流量計的感應電勢差。
3、仿真實(shí)驗
仿真實(shí)驗中，設定a分別為23°，30°，35°，40°，45°，50°，設定b小于等于a，根據實(shí)際情況設定角度分別為8°，16°，23°，30°，35°，40°，45°，50°。仿真實(shí)驗中設定T型磁芯較長(cháng)端寬度為k1占T型磁芯整個(gè)寬度的1/3，1/2以及2/3時(shí)(即k1/(k1+k2) 為1/3，1/2 以及2/3時(shí)的情況)分別考查不同參數情況下T型磁芯構建的勵磁結構對井水流量計測量區域中產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響情況。

如圖2所示為不同T型磁芯結構在井水流量計測量區域產(chǎn)生磁場(chǎng)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(shí)井水流量計測量區域截面磁場(chǎng)仿真圖，從仿真圖中可以發(fā)現當磁芯所占空間減小，勵磁線(xiàn)圈空間增大時(shí)，流量計內部測量區域中的磁場(chǎng)強度總體上有所增加。在仿真實(shí)驗中，將所得的仿真數據保存，對其運用磁場(chǎng)評價(jià)指標進(jìn)行下一步的數據分析。
4、實(shí)驗數據分析
為了考察不同T型磁芯結構對井水流量計測量區域磁場(chǎng)強度的分布情況影響，仿真實(shí)驗中獲得的數據結果運用公式(1)井水流量計磁場(chǎng)強度分布評價(jià)指標進(jìn)行分析，以獲得井水流量計不同T型磁芯結構參數對流量計測量區域的磁場(chǎng)強度分布影響，從而為井水流量計T型磁芯結構設計給出指導性的意見(jiàn)。

如圖3所示為不同T型磁芯結構下測量區域產(chǎn)生磁場(chǎng)感應強度平均值，圖中橫坐標為T(mén)型磁芯b的角度，縱坐標為測量區域的平均磁場(chǎng)強度，圖標表示的是T型磁芯的不同a的角度以及磁芯長(cháng)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(cháng)端角度a為30°，k1/(k1+k2)為1/2時(shí)的測量區域中平均磁場(chǎng)強度測量結果。圖標Other為T(mén)型磁芯較長(cháng)端的角度a與較短端的角度b相等(即為23，30，35，40，45，50)時(shí)的流量計測量區域中的平均磁場(chǎng)強度。從仿真結果可以看出：T型磁芯的較長(cháng)端的角度a越小，流量計測量區域中平均磁場(chǎng)強度越大；在T型磁芯的較長(cháng)端的角度a一定時(shí)，T型磁芯的較短端的角度b越小，流量計測量區域中平均磁場(chǎng)強度越大；在T型磁芯的較長(cháng)端的角度a與較短端的角度b一定時(shí)，T型磁芯的k1/(k1 + k2)越小，在流量計測量區域中平均磁場(chǎng)強度越大。

如圖4所示為不同T型磁芯結構下測量區域產(chǎn)生磁場(chǎng)感應強度標準差，圖中橫坐標為T(mén)型磁芯b的角度，縱坐標為測量區域磁場(chǎng)強度的標準差，圖標圖例與圖3中一致。從仿真結果可以看出：T型磁芯的較長(cháng)端的角度a越小，流量計測量區域中磁場(chǎng)強度標準差越大；在T型磁芯的較長(cháng)端的角度a一定時(shí)，T型磁芯的較短端的角度b越小，流量計測量區域中磁場(chǎng)強度標準差越大；在T型磁芯的較長(cháng)端的角度a與較短端的角度b一定時(shí)，T型磁芯的k1/(k1 + k2)越小，在流量計測量區域中磁場(chǎng)強度標準差越大。

標準差代表磁場(chǎng)測量區域的磁場(chǎng)分布波動(dòng)性較大，因而需引入變異系數對測量區域中的磁場(chǎng)分布情況進(jìn)一步分析。如圖5所示為不同T型磁芯結構下測量區域磁場(chǎng)感應強度變異系數，圖中橫坐標為T(mén)型磁芯b的角度，縱坐標為測量區域磁場(chǎng)強度分布的變異系數，圖標圖例與圖3中一致。從仿真結果可以看出：T型磁芯的較長(cháng)端的角度a越小，流量計測量區域中磁場(chǎng)強度變異系數越大；在T型磁芯的較長(cháng)端的角度a一定時(shí)，T型磁芯的較短端的角度b越小，流量計測量區域中磁場(chǎng)強度變異系數越大；在T型磁芯的較長(cháng)端的角度a與較短端的角度b一定時(shí)，T型磁芯的k1/(k1 + k2)越小，在流量計測量區域中磁場(chǎng)強度變異系數越大。異系數越大說(shuō)明磁場(chǎng)分布越不均勻，波動(dòng)性越大；異系數越小說(shuō)明磁場(chǎng)分布趨向均勻。下面通過(guò)計算測量區域中的磁場(chǎng)均勻區域來(lái)對這一結果進(jìn)一步的分析。

如圖6所示為不同T型磁芯結構下測量區域磁場(chǎng)感應強度均勻區域面積，圖中橫坐標為T(mén)型磁芯b的角度，縱坐標為測量區域磁場(chǎng)強度分布的均勻區域面積，圖標圖例與圖3中一致。從仿真結果可以看出：T型磁芯的較長(cháng)端的角度a為越小，流量計測量區域中磁場(chǎng)強度均勻區域面積越大；在T型磁芯的較長(cháng)端的角度a一定時(shí)，T型磁芯的較短端的角度b越小，流量計測量區域中磁場(chǎng)強度均勻區域面積越大；在T型磁芯的較長(cháng)端的角度a與較短端的角度b一定時(shí)，T型磁芯的k1/(k1 + k2)越小，在流量計測量區域中磁場(chǎng)強度均勻區域面積越大。

上面對不同T型磁芯結構對流量計測量區域內部磁場(chǎng)分布影響進(jìn)行了研究，下面通過(guò)電極兩端感應信號如公式(2)對井水流量計T型磁芯結構對流量計測量結果的影響進(jìn)行研究。如圖7所示為不同T型磁芯結構下井水流量計感應信號。圖中橫坐標為T(mén)型磁芯b的角度，縱坐標為井水流量計獲取的感應信號(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(shí)驗中虛線(xiàn)為仿真流體為湍流情況下獲取的感應電勢差，實(shí)線(xiàn)為流體為層流情況下獲取的感應電勢差。
從仿真結果可以看出：T型磁芯的較長(cháng)端的角度a越小，流量計電極兩端獲得的感應信號越大；在T型磁芯的較長(cháng)端的角度a一定時(shí)，T型磁芯的較短端的角度b越小，流量計電極兩端獲得的感應信號越大。這主要是因為井水流量計勵磁線(xiàn)圈的增加，使得流量計測量區域的磁場(chǎng)強度增加，同樣分布的流速下使得流量計電極兩端的感應信號增加。

仿真實(shí)驗證明在有限的空間下，修改T磁芯的不同參數，可以增加流量計測量區域內部的磁場(chǎng)分布情況，也可以適當的調整流量計測量區域中的磁場(chǎng)強度與均勻度，根據生產(chǎn)測井中的實(shí)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
井下集流型井水流量計在油氣井測量方面有廣泛的應用前景，針對生產(chǎn)測井特殊工況下提出具有T型磁芯的勵磁結構的集流式井水流量計，利用有限元軟件ANSYS建立了該種T型磁芯結構井水流量計的磁場(chǎng)分布計算機仿真模型，并通過(guò)各種性能指標的分析，獲得該T型磁芯結構參數設計指標與流量計測量區域中磁場(chǎng)分布關(guān)系，為擁有T型磁芯結構的勵磁結構的實(shí)現提供參考依據。