四电极电磁流量计磁场分布特性数值模拟

　　随着油田已进入三次采油阶段,注聚合物驱油技术已经成为油田提高原油采收率的重要手段之一。注聚合物驱油原理是提高注入粘弹性聚合物溶液流体粘度,增大聚合物流体平面及纵向波及面积,减少注入流体在高渗透率地层中的窜流,提高岩芯微观驱油效率,最终达到减少残余油饱和度与提高原油采收率目的[1~2]。为使聚合物溶液进入预先设定油层并能得到一个较为均匀的聚合物驱前缘,需要准确确定从注聚井中进入各油层聚合物的注入量,所以,注聚井中流量测量是注聚三次采油技术中一项重要测试内容。由于电磁流量计无转动部件,实际测试时不破坏聚合物分子结构,对测试环境无放射性污染且不受聚合物溶液粘度和密度影响,所以,大庆油田在注聚井中推广使用了外流式四电极电磁流量计测井方法。自早期电磁流量计基本理论建立以来[3~5],虽然电磁流量计在理论及技术上有了很大发展[6~15],但是,由于影响电磁流量计测量精度因素很多,从流场及磁场分布角度综合分析电磁流量计响应特性仍然是值得研究领域,尤其是近年来随着计算流体力学及电磁场有限元分析技术迅速发展,为解决复杂流动及磁场分布条件下的电磁流量计响应预测问题提供了良好机遇。由于仪器倾斜与偏心、流体电磁特性变化等因素都会给电磁流量计响应带来影响,这些测井环境因素对电磁流量计响应影响需要从数值模拟角度给予理论分析,从而为注聚井中电磁流量计流量测井提供理论分析基础。本文重点分析了四电极电磁流量计磁场分布特性,考察了四电极电磁流量计权重函数分布,并分析了仪器偏心及流体磁导率变化因素对磁场分布特性影响,为正确理解四电极电磁流量计测量特性提供了理论分析方法。

　　1　注聚井中四电极电磁流量计

　　图1为外流式四电极电磁流量计测井仪器示意图。仪器由上下扶正器、传感器、电路筒及电池仓等部分组成,其中传感器是流量计的核心部分,上下扶正器用于在测量时使流量计居于套管中央位置。四电极电磁流量计采用四个均匀相隔分布排列的励磁线圈及四个测量电极,相对于单对电极的电磁流量计而言,这种励磁结构的磁场分布相对比较均匀,有利于减小由　于磁场分布不均匀所带来的测量误差。传感器部分主要由磁路系统、测量导管、电极、外壳、干扰调整装置及若干引线组成。仪器采用外流式结构。仪器结构尺寸为:仪器外径为35mm,其中测量电极段外径为33·8mm,传感器长度为44·5mm。仪器总长度为1200mm。

　　2　四电极电磁流量计测量区域内磁场分布

　　为获得测量区域内磁场分布,采用ANSYS商用有限元分析软件对电磁流量计磁场分布特性进行仿真。由麦克斯韦方程导出的3分量矢量泊松方程如下：