双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器

摘要

本发明提供一种双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器，该流量计传感器具体能够包括：测量管，两组励磁结构组件，两组阵列检测电极组件，以及绝缘衬里；其中，两组励磁结构组件相互垂直分布，并且布置在平行于测量管外壁的同一圆周上；进一步，相互垂直的两组励磁结构组件共同作用，产生均匀且相互垂直的两个矢量磁场；两组阵列检测电极组件位于由该两组励磁结构组件产生的两个相互垂直的矢量磁场中，并且在测量管中布置在其流动方向的上下游两个截面上，该两个截面在测量管轴向方向上的相互间距为L；绝缘衬里布置在测量管的内管壁上。本发明可有效实现含非导电物质且尤其呈非轴对称流场分布的水平井产出剖面流体流量测量。

说明书

技术领域

本发明涉及油田测井计量技术，特别地，涉及一种双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器。

背景技术

近年来，传统电磁流量计由于其本身独具的特点和优势，在单相流以及高含水两相流流量测量领域中得到了广泛应用。然而，在含有一定非导电物质浓度的多相流测量流量时会导致传感器输出信号产生较大的波动，严重影响其测量结果，导致产生较大误差。例如，专利CN1731106A、CN100491928C以及CN1928507A等涉及的电磁流量计传感器，采用一组励磁线圈并且结合双激励电磁流量技术，在流体电导率不变条件下能够在一个信号通道下实现非满管流量的测量，但对流体电导率不变的要求使得其实际应用受到限制。又如，专利CN101294832A、CN101368834A以及CN101907471A等涉及的多电极电磁流量计传感器，采用一组励磁线圈、多对检测电极的结构获取测横截面内更多的流场信息，使得电磁流量计尽量具备更好的抗流场干扰性能，以实现对非对称流场的精确测量。

进一步，例如专利CN102538882A和CN105157768A等，将相关法测量技术和电磁流量测量技术相结合而构建的多电极电磁相关法流量计传感器结构模型，其传感器励磁部分均沿用了传统电磁流量计的一组励磁线圈结构，虽然在流体呈轴向对称流场分布情况下含有一定非导电物质浓度的多相流流量测量难题得到一定解决，但在测量流体呈非轴对称时的测量精度仍然会受限。并且，水平井产出剖面多相流流体流型流态受重力影响严重，在不同流体流量和各相浓度的工况下，测量管内流体中各分相含率分布存在着较垂直井更加复杂的实际情况且多呈非轴对称流场分布特性。同时，在开展水平井产出剖面的现场试验时，还存在测井仪器下井后传感器结构部件中激励励磁线圈产生的磁场方向以及各检测电极对之间所处测量管横截面位置的不确定性，现有产生单一角度磁场方向激励线圈的电磁相关法流量计传感器结构模型对呈非轴对称流场分布的流体具有一定敏感性，致使无法用于其流量测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器，以克服现有技术中水平井产出剖面含非导电物质且尤其呈非轴对称流场分布特性的多相流流量测量的困难。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器。本发明的双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器，能够根据实际工程需要产生所需不同角度的磁场方向，适用于水平井产出剖面多相流流体含非导电物质且尤其呈非轴对称流场分布特性的流量测量，能够大大提高仪器的测量精度和可信度。

根据本发明的流量计传感器，其具体能够包括：测量管，两组励磁结构组件，两组阵列检测电极组件，以及绝缘衬里；其中，两组励磁结构组件相互垂直分布，并且布置在平行于测量管外壁的同一圆周上；进一步，相互垂直的两组励磁结构组件共同作用，产生均匀且相互垂直的两个矢量磁场；两组阵列检测电极组件位于由该两组励磁结构组件产生的两个相互垂直的矢量磁场中，并且在测量管中布置在其流动方向的上下游两个截面上，该两个截面在测量管轴向方向上的相互间距为L；绝缘衬里布置在测量管的内管壁上，在一个实施方案中，绝缘衬里以例如粘结的方式布置在测量管的内壁上。

根据本发明的流量计传感器，在一个优选实施方案中，上述两组励磁结构组件中，励磁结构组件的径向长度大于等于测量管的外径，并且励磁结构组件的轴向长度小于测量管的轴向长度。

根据本发明的流量计传感器，在一个优选实施方案中，相互垂直的两组励磁结构组件在平行于测量管外壁的同一圆周上均匀地布置，并且，在该均匀地布置的相互垂直的两组励磁结构组件中，对称分布的一对励磁结构组件为同组励磁结构组件。

根据本发明的流量计传感器，在一个优选实施方案中，励磁结构组件还能够包括励磁线圈、磁芯和励磁结构固定架；并且，磁芯被固定在励磁线圈的中心位置，并且通过励磁结构固定架将励磁线圈和磁芯固定在测量管上。

根据本发明的流量计传感器，在一个优选实施方案中，两组阵列检测电极组件中每组能够包含8个检测电极组件，并且，8个检测电极组件均匀地固定在沿测量管横截面所在的圆周方向的管壁上。

根据本发明的流量计传感器，在一个优选实施方案中，在测量管中轴向方向上布置两组阵列检测电极组件的上下游两个截面之间的间距为L，即两组检测电极组件之间的间距为L。并且，L的取值需要满足以下条件：确保上下游检测电极周围形成的局部电场之间互相不干扰，并且确保上下游检测电极输出信号具有相关性。

根据本发明的流量计传感器，在一个优选实施方案中，两组阵列检测电极组件中，每组的8个检测电极组件能够包括检测电极、绝缘套和电极固定片；并且，每个检测电极都穿过测量管的管壁及绝缘衬里。

根据本发明的流量计传感器，在一个优选实施方案中，两组阵列检测电极组件中，每组的8个检测电极组件能够通过电极固定片将检测电极固定在测量管的管壁上。

根据本发明的流量计传感器，在一个优选实施方案中，检测电极与测量管的管壁之间通过绝缘套密封隔离。

根据本发明的双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器，其设计结构改变了现有电磁相关法流量计传感器，由一组励磁结构组件变为两组励磁结构组件，且传感器在两组励磁结构组件共同作用下产生处于同一横截面的较均匀且互相垂直的两个矢量方向磁场B_H和B_V，当传感器未发生轴向旋转时选择激励励磁结构组件E₁和E₂，产生有效均匀的磁场B_V；当传感器发生轴向旋转时选择激励励磁结构组件E₃和E₄，产生有效均匀的磁场B_H；同时根据“平行四边形”法则，可对两个矢量磁场B_H和B_V进行求和，即总矢量磁场B＝B_H+B_V，由此可根据改变两矢量磁场分量B_H和B_V的大小和方向获取不同的总矢量磁场B；由两对检测电极组件变为两组阵列检测电极组件，且在测量管中，两组阵列检测电极组件分别均匀固定在其流动方向的上下游两个截面的管壁上，该两个截面在测量管的轴向方向上间距为L。并且，间距为L的两组阵列检测电极组件位于在双组励磁结构组件共同作用下产生较均匀且互相垂直的矢量磁场中；根据法拉第电磁感应定律可知，布置在上游截面的8个检测电极可获取3路有效反应上游被测流体状况的感应电动势信号集{x_i(t)|(i＝1,2,3)}，下游截面8个检测电极可获取3路有效反应下游被测流体状况的感应电动势信号集{y_i(t)|(i＝1,2,3)}，同时上下游截面8个检测电极中与磁场方向平行形成的1路信号不作为有效信号。由于上、下游截面的3路有效检测信号是在相距为L的测量管内且处于同一较均匀及互相垂直的矢量磁场中获取的，则检测信号x_i(t)和y_i(t)具有相关性，因此可对上游截面3路有效检测信号集{x_i(t)|(i＝1,2,3)}和下游截面3路有效检测信号集{y_i(t)|(i＝1,2,3)}分别对应作互相关运算，其互相关函数为通过互相关运算即可获取流体从上游检测电极流经到下游检测电极的渡越时间集{τ_i(t)|(i＝1,2,3)}，进而获得各局部瞬时流速集{v_i(t)＝L/τ_i(t)|(i＝1,2,3)}，其中L为上、下游截面对应检测电极对的距离。同时利用专利CN104198000A中的多源信息融合方法对瞬时流速集{v_i(t)＝L/τ_i(t)|(i＝1,2,3)}进行处理，以便获取较为准确的平均流速并综合测量管内横截面积S＝πD²/4，即可获取较为准确的平均流体流量估计值

根据本发明的双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器，其优势在于：在双组励磁线圈共同作用下可在传感器测量区域产生多角度的矢量磁场，这样能够同时获取测量管内多角度、多位置的弦端流场信息，减少流体中含非导电物质且尤其呈非轴对称流场分布带来的影响，在线实现多相流流量测量。

与现有电磁相关法流量计传感器相比，本发明的双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器改进了传感器的励磁线圈组数和检测电极对数，经相关法和多源信息融合处理方法结合估算流量值，能够有效解决水平井产出剖面含非导电物质且尤其呈非轴对称流场分布特性的多相流流量测量的问题。

附图说明

图1为根据本发明的实施例中，双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器的结构示意图；

图2为根据本发明的实施例中，双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器E₁和E₂励磁结构组件的中心轴向剖面视图；

图3为根据本发明的实施例中，双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器M₂和M₆检测电极组的中心轴向剖面视图；

图4为根据本发明的实施例中，双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器上游阵列检测电极组件的横截面剖面视图；

图5为根据本发明的实施例中，双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器某一检测电极的结构示意图；

图6为根据本发明的实施例中，双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器上下游检测电极对不同间距L仿真结果图；

图7为根据本发明的实施例中，油水呈非轴对称条件下双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器未发生轴向旋转的磁场方向和上游检测电极对的结构示意图；

图8为根据本发明的实施例中，油水呈非轴对称条件下双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器沿轴向旋转90°的磁场方向和上游检测电极对的结构示意图；

图9为根据本发明的实施例中，双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器在气相流速较快时获取的上下游检测信号结果图；

图10为根据本发明的实施例中，双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器在气相流速较慢时获取的上下游检测信号结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但并不用来限制本发明的范围。

如图1至图5所示，根据本发明的实施例，双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器具体能够包括：测量管1、四个励磁结构组件2、两组阵列检测电极组件3以及绝缘衬里4。四个励磁结构组件2能够包括励磁结构组件E₁～E₄，励磁结构组件E₁～E₄均匀地布置在平行于测量管1外壁的同一圆周上。并且，四个励磁结构组件2中，磁结构组件E₁～E₄的径向长度大于等于测量管1的外径，并且，磁结构组件E₁～E₄的轴向长度小于测量管1的轴向长度。在测量管1外壁上的四个励磁结构组件E₁～E₄中，对称分布的励磁结构组件E₁E₂和E₃E₄分别为同组励磁结构组件，组成的两组励磁结构组件共同作用可产生较均匀且互相垂直的两个矢量磁场B_V和B_T，以便产生轴向不同角度的均匀磁场。励磁结构组件2还能够包括励磁线圈5、磁芯6和励磁结构固定架7；磁芯6例如通过镶嵌的方式固定在励磁线圈5的中心位置，通过励磁结构固定架7把励磁线圈5和磁芯6固定在测量管1上；两组阵列检测电极组件3位于两组励磁结构组件共同作用产生的较均匀及互相垂直的两个矢量磁场B_V和B_T中，并且在测量管1中的轴向方向上以间距L间隔布置，每组包括8个检测电极组件M₁～M₈；其中，在测量管中流动方向的上游侧的8个检测电极组件M₁～M₈以及流动方向的下游侧的8个检测电极组件U₁～U₈分别均匀固定在沿测量管1圆周方向的管壁上。检测电极组件3中的每组8个检测电极组件M₁～M₈，其每个能够包括检测电极8、绝缘套9和电极固定片10，每个检测电极8都穿过测量管1管壁和绝缘衬里4，用电极固定片10和固定螺母11固定在测量管1管壁上，检测电极8与测量管1管壁之间由绝缘套9进行密封隔离；绝缘衬里4例如通过黏贴的方式布置在测量管1的内管壁上。在测量管上轴向间隔布置的上下游两个截面之间的间距为L，即检测电极组件3中的两组电极组件之间在测量管轴向方向上的间距为L。

图6为根据本发明的双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器的实施例中，上下游检测电极对不同间距L取值的电场分布仿真结果图。为避免上下游检测电极周围形成的局部电场之间互相干扰以及保持上下游检测电极输出信号具有一定的相关性，利用COMSOL软件进行电场仿真建模取传感器测量管1轴向长度200mm，测量管1内径D＝12mm，检测电极8直径d＝4mm，上下游检测电极间距L分别取为24mm，28mm，32mm和36mm。并且图6中，(a)为L＝24mm时，上下游检测电极周围各自形成的局部电场基本相互独立，互相干扰很小；(b)和(c)为L＝28mm和32mm时，上下游检测电极周围各自形成的两个局部电场之间互相干扰和叠加现象基本消失；(d)为L＝36mm时，上下游检测电极对形成两个完全独立的局部电场，不存在干扰和叠加现象且保持很好的相关性。因此，上下游检测电极对的间距L取值范围为5D/2<L≤3D；其中，D为测量管1的内径。

图7为本发明的实施例中，油水呈非轴对称时双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器未发生轴向旋转的磁场方向和上游检测电极对的结构示意图。其中，传感器测量管的横截面上层为非导电介质油相或与导电介质水相混合流体，下层为水流，此时，需要激励励磁组件E₁E₂，产生垂直方向的磁场B_V，并分别采用垂直于磁场B_V方向的M₄M₆、M₃M₇、M₂M₈的3对检测电极获取管内流体流场信息，同时根据获取的3路信号的扰动大小确定是采用互相关法处理还是直接转换处理，平行于磁场B_V方向的M₁M₅检测电极获取管内流体流场信息不作为有效信息；若此时选择的激励励磁组件为E₃E₄，与产生磁场B_H方向相垂直的M₂M₄、M₁M₅、M₆M₈的3对检测电极中可能会存在某一电极位于非导电介质油相中，使得检测电极对处于非连续导电水相中而无法正常工作。

图8为本发明的实施例中，油水呈非轴对称时双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器沿轴向旋转90°的磁场方向和上游检测电极对的结构示意图。其中，传感器测量管发生轴向旋转后横截面仍会保持上层为非导电介质油相或与导电介质水相混合流体、下层为水流的现象，此时，需要激励励磁组件E₃E₄，产生垂直方向的磁场B_H，并分别采用垂直于磁场B_H方向的M₂M₄、M₁M₅和M₆M₈的3对检测电极获取管内流体流场信息，同时根据获取的3路有效信号的扰动大小确定是采用互相关法处理还是直接转换处理，平行于磁场B_H方向的M₃M₇检测电极获取管内流体流场信息不作为有效信息；同样若此时选择的激励励磁组件为E₁E₂，与产生磁场B_V方向相垂直的M₄M₆、M₃M₇、M₂M₈的3对检测电极中可能会存在某一电极位于非导电介质油相中，使得检测电极处于非连续导电水相中而无法正常工作。同时，根据图7和图8判断传感器是否发生旋转或旋转角度可根据安装方位传感器确定其具体位置。

图9和图10分别为本发明的实施例中，双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器在气相流速较快和较慢条件下获取的上下游检测信号，其中，通道1为下游检测信号，通道2为上游检测信号，通道1和通道2的信号均存在一定的波动性，且具有一定延迟，因此上下游两路检测信号具有一定相关性，从而能够检验该传感器利用相关检测技术进行流速和流量检测的可行性。

本发明提供的双组励磁线圈多电极电磁相关法流量计传感器，采用双组励磁线圈结构共同作用为传感器在测量管横截面上产生两个方向且互相垂直的较均匀矢量磁场，并通过两组阵列检测电极的布设结构能够获取测量管内上、下游横截面上多角度、多位置的弦端流场信息，可有效减少多相流体呈非轴对称流场分布对仪器测量带来的影响。实际应用中，能够在传感器测量管两端管壁增设法兰接头，通过法兰接头与外接流体管道相连接，尤其在当含有非导电物质且呈非轴对称流场分布的水平井产出剖面多相流流体流经传感器测量管时，在双组励磁线圈共同作用产生的较均匀且互相垂直的两个矢量磁场中，上、下游两组阵列检测电极可分别获取测量管横截面内多角度、多位置的含有噪声干扰的弦端感应信号集。同时结合相关法和多源信息融合处理方法，将可很好解决水平井产出剖面含非导电物质且呈非轴对称流场分布特性的多相流流量测量问题，获取较高精度的相关流速及流量结果。

应当指出，根据本发明的流量计传感器，以上优选实施方式仅作为示例的目的，对于本技术领域技术人员来说，在不脱离本发明随附权利要求的范围的前提下，还可以做出各种改进和变型，这些改进和变型应当视为都属于本发明的保护范围。

附图说明列表

1 测量管

2 励磁结构组件

3 检测电极组件

4 绝缘衬里

5 励磁线圈

6 磁芯

7 励磁结构固定架

8 检测电极

9 绝缘套

10 电极固定片

L 两组检测电极之间的距离

D 测量管的内径。