井下電磁流量計的測量環境校正

    摘要：油田注入剖面測試中應用的電磁流量計測量精度高，有較好的應用效果。但由于套管結垢、腐蝕等因素影響，實際測量通道與標定環境有一定差異，引起測量結果誤差，這個系數與測量通道管徑變化的平方成正比。本文涉及的電磁流量計與井徑一體化儀將井徑測量引入電磁流量計剖面測試中，采用新的井徑測量原理，儀器尺寸小，可有效校正此誤差。
   關鍵詞：電磁流量計；井徑；一體化；誤差
   一、引言
   我國油田大都采用分層注水方式保持油層壓力，在開發過程中，需要及時了解掌握注水井各層的動態注入量，而注入剖面測試技術就是一項能夠為地質人員隨時提供此類信息的動態監測技術。隨著生產上的要求，新的監測技術正在不斷的應用在注水井注入剖面的測試中。電磁流量測試技術是眾檢測技術中的一種，以其測量精度高、無污染的優點，在國內多個油田注入剖面測試中得到了應用，并在注入井注入剖面測試中取代了傳統的同位素測試，獲得了較好的應用效果。
    二、測量原理
    電磁流量計的基本測量原理是電磁感應原理，當導電的注入流體流經測量探頭時，切割儀器產生的電磁場，在流體中就會產生一個感應電動勢，通過測量這個由流體切割磁力線的快慢（即流體流動速度）產生的變化電壓信號來測量流體流速的大小，進而根據標定數據確定出流量[1]。從測量原理來看，影響注入流體流速的因素將對測量結果產生較大影響，而當全井注入量一定時，影響注入流體流速的主要因素就是測量通道過流面積的變化。對于油田注入剖面測試中使用的電磁流量計，在室內標定中使用的是標準的套管尺寸或油管尺寸，而實際測量時，由于長期注水和井下原因引起套管變形、結垢、腐蝕等情況，使實際的測量通道與標定環境有一定差異，因此，測量結果會產生誤差。
    三、井徑對測量結果影響的分析
   設實際流量為 Q，測量流量為Q1，標定時測量通道直徑為D，截面積為S，實際測量通道直徑為D1，截面積為S1，流速為V。當流量計測出流量頻率值后，根據標定圖版可換算為流量，此時計算采用的是標準過流通道內徑，則瞬時測量流量應為： VDQ S V 1 = ´ = ´4p 2(1)當過流通道變化時，此時流速為：2121 144DQDQSQVp p= = = (2)因此：21212144 ÷÷øöç çèæ= = ´ =DDQDD QQ SVpp(3)可見，測量流量與實際流量有一個系數差，這個系數與測量通道管徑變化的平方成正比，是一個指數關系，當D 與D1相差不大時， Q1 與Q 相比誤差不大，而當D1 與D 相差較大時，Q1 就超出了允許的誤差范圍，由上式可見，當實際管道直徑變化量達5%時，流量就有超出10%的誤差。而在實際的電磁流量計測量和解釋時均未考慮到管徑尺寸差異引起的計量誤差，這會對內流式和外流式電磁流量測量方式均產生影響[3]。為了提高測試精度，消除此項誤差，就必須對管徑變化的影響進行校正。
    四、解決管徑變化影響的方法在工程測井技術中，井徑儀用來測量井下套管的變形情況，確定套管內徑，其工作原理就是把套管直徑方向的尺寸變化轉化為電阻阻值的變化，其轉化過程是通過一套機械傳動結構來實現的。因此，可將井徑儀引入電磁流量計剖面測試中，與電磁流量計組合，利用測得的井徑數據修正測量與標定通道差異引起的解釋誤差。然而，一般井徑儀的外徑較大，不能通過油管測量。為此，設計了一種小型井徑儀，同時可作電磁流量計的一個扶正器使用。
   1、基本方法
   井徑儀選擇基于以下假設：影響電磁流量測量誤差的套管或油管的變形是連續的，因此其變形形狀可用橢圓模擬。這樣，在井徑測量上采用四臂井徑即可。實際上，由于只要知道測量時通道的面積，而不必知道通道的詳細形狀就能得到較好的校正效果，因此四臂井徑足夠使用。為了實現過油管測量，縮短儀器長度，在設計上可將電磁流量計的一個扶正器設計為井徑測量儀，其四條扶正片作為四個測量臂。
   2、基本結構
    四個測量臂分為兩組，每組測量一個方向，基本結構如圖1。其中上、下接頭1、8 與儀器外殼相連，上、下滑套3、6 可分別在上下接頭上滑動，測量臂的兩端就分別裝在滑套和接頭上，使之受壓變形后只有一端能動。與滑套相連的是上、下測量桿2、11，二者通過銷桿7、10 固定在一起。當井徑變化引起測量臂壓縮時，相應的上或下滑套隨之動作，帶動其上的測量桿作軸向運動，井徑的變化就轉化為測量桿的位移了。由檢測電路檢測這一位移，就可得到井徑的變化。
    3、井徑探頭測量原理
   井徑探頭結構示意圖如圖2，等效電路圖見圖3[2]。測量原理是電容法，即將井徑的變化轉變為電容的變化。其中，測量桿5（圖1中的零件2 和零件11）與儀器外殼聯通作為一個電極，黃銅作的探頭3 外敷一層聚氟乙烯絕緣層4 后作為另一個電極，二者組成一個容量變化電容傳感器。如圖 3 所示，測量探頭實際上由三部分組成：分布電容Cf 、電極絕緣層電容 Cp、電極棒和測量桿外殼之間的被測電容Cz。當傳感器幾何尺寸已定，則Cf 和Cp 為固定值，測量探頭傳感器的容量變化只決定于測量介質和兩個電極的相對位置。一般對于注水井來說，注入流體是一定的，因此，測量探頭傳感器的容量變化就只決定于兩個電極的相對位置變化。當測量桿隨測量臂發生位移后，引起電容的容量變化，這個變化就表征了井徑的改變。測量電路紀錄到這個電容變化后就可以換算為井徑的大小，利用解釋軟件計算并模擬出測量段套管或油管內徑變化，并用橢圓面積計算公式A= abπ計算出當前面積（a、b 分別為井徑的兩個測量臂測出的尺寸），為流量解釋提供校正因子。為了能夠在正常注水情況下測試，井徑儀外徑設計為φ38mm，可以通過油管下入，測量范圍覆蓋油管和套管內徑。
   4、相關計算
   電容中心電極半徑為 r，內電極絕緣層厚度為d，絕緣材料介電常數為ep，傳感器外電極內表面半徑為R，電極長度為h，ez 為注入水介電常數，根據同軸柱狀電容器容量計算公式，可得絕緣層和被測介質的電容Cp、Cz 為[4]：÷øöçèæ +=rrhC pp dpeln2，÷øöçèæ+=dperRhC zzln2(5)傳感器電容 Cx 為:(6)ln ln2÷øöçèæ ++ ÷øöçèæ+= ++= +rrrRhCC CC CC Cp zp zfz pz px fdedepe e取 R＝3mm，r＝2mm，絕緣材料選用聚四氟乙稀(ep＝2.0)、厚度d＝0.2 mm，取水的介電常數ez=80，則測量桿每移動1mm 井徑探頭產生的電容變化約為1.1pF，電路設計具有0.1pF 的分辨率，因此，*可以滿足使用要求。傳感器電容變化量及流量變化量與井徑關系如圖 4。
   五、注意事項(1).為了不對現有電磁流量計改動，井徑儀設計為過線形式，安裝于電磁流量計上方。(2).電磁流量計下部接扶正器，使儀器居中。(3).井徑測量臂應采用高硬度彈簧鋼制成。(4).在實際測試中起下儀器的速度應控制。
   六、結論
   智能電磁流量計測量精度高，有較好的應用效果。但實際測量通道與標定環境有一定差異，引起測量結果誤差。將井徑測量引入智能型電磁流量計剖面測試中，可有效校正因測量通道發生變化引起的測量誤差。設計的井徑儀采用了新穎的電容法測量原理，有效地減小了尺寸。受外徑限制，井徑儀設計為四臂獨立，測量臂采用扶正片形式，由連桿帶動測量臂移動，由測量探頭電容的大小變化得出測量臂的位移大小，進而確定該扶正片對應套管尺寸的變化。井徑與電磁流量計一體化設計，使井徑儀即可測量通道井徑的變化，又能作為電磁流量計的扶正器使用，在基本保持儀器長度的前提下為流量解釋多提供了一個測量參數。
   參考文獻：
   [1] 范玉久，化工測量及儀表[M]，化學工業出版社，1981版[2] “JLS-∮25 分測儀”說明書[Z]，江漢采油工藝研究院[3] 蔡武昌，智能電磁流量計的發展和應用動態[J]，自動化儀表，1988，9（3）[4] 王莉田等, 電荷轉移式原油含水率傳感器的研究[J]，傳感器技術，1999( 2)：19－23--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：