測井小管（guǎn）徑井（jǐng）水流量計T型磁芯的設計應用

摘要（yào）：針對生產測井狹小空（kōng）間測量環境（jìng）下，提出有一種勵磁結構為T型磁芯的集流型（xíng）井水流量計，運用有限元軟件ANSYS對這種T型（xíng）磁芯建立磁場仿真模型，並（bìng）對不同（tóng）T型磁芯形（xíng）狀參數下流（liú）量計測量區域的（de）磁場進行仿真分析，研究了井水（shuǐ）流量計勵磁（cí）結構中T型不同參（cān）數（shù）磁芯對流（liú）量計磁場的影響特性。研究結果可為生產測井小（xiǎo）管徑井水流量計T型磁芯的設計應用提（tí）供（gòng）參考（kǎo）依據。
1 引言
近年來，井水（shuǐ）流量計的（de）勵磁結構況備受（shòu）研究人員的關注。金寧德等（děng）人對外流式的井水流量計的磁場分布情況進行（háng）了仿真研究，趙琛、李斌等人對流量計鞍狀勵磁線圈磁場分布的計算方法（fǎ）進行研究，鄔惠峰等人運用ANSYS對井水流量計進行建模研究。王月明對電磁測量計的勵磁（cí）結構進行建模並開（kāi）展研（yán）究，杜（dù）勝雪、孔令富等人對井水流量計矩形與鞍狀線圈磁（cí）場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圈進行了優化，徐立軍等人對多電*井水流量計（jì）勵磁線圈的進行（háng）了優化與設計，張小章對井水流量計磁場也進（jìn）行了設計與研究。在一些特殊的工況領域下，如何設計井水流量計一直是工程技術人員（yuán）研究的熱點問題，生產測井中特殊工況環境下如何設計（jì）井水流量計傳感（gǎn）器結構一（yī）直是石油生產測井領域研究的問題，王月明等人提出了電磁相關（guān）法流量測量（liàng）傳感器解決了生產測井中油氣水三相流（liú）流（liú）量測量（liàng）問題。另一方麵生產測井空間狹小，需（xū）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（de）磁芯設（shè）計為T型（xíng）的井水流量計，使得有限的空間下井水流量計的勵磁線圈空間增大，進而增強測（cè）量管道中(測量區域)磁場（chǎng）強度，使（shǐ）兩端電*感應信號變大，有助於信號的獲取，為有限空間下的井下小管徑集流式井水流量計實現提供可能。同時，對（duì）井水流量計勵磁結構中（zhōng）T型磁芯參數（shù）進行研究，獲得不同T型磁芯對測量管道（dào）中磁場產生的影響。研究結果可為應（yīng）用在一（yī）些特（tè）殊場合中具有T型磁芯的井水流量計（jì）實現提供參考（kǎo）依據。
1、T型磁（cí）芯結構
T型磁芯是（shì）為較（jiào）小的空間（jiān）下實現盡可能大的勵磁線（xiàn）圈而提出的（de），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麵圖。在圖中1表示線圈位置；2表示磁（cí）芯位置；3表示電*及（jí）其固定器件位置；4表示（shì）襯裏位置；5表（biǎo）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型（xíng）(因稱為T型磁芯)，磁芯在靠近井水流量計內管道時（shí）為T型磁芯的較長端。如圖中所示，T型磁芯較長端與（yǔ）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（jiào）長端寬度為k1，T型磁芯較短端寬度為k2。

2、磁場評價指標（biāo）
為了詳（xiáng）細的獲（huò）得井水流量計勵磁線圈及T型磁芯變化對流量計測量區（qū）域內部磁（cí）場強度分布的（de）影響情況，引入樣本平均值、樣本標準差、變異係數、磁場（chǎng）均勻度、感應電勢值等磁場評價指標（biāo）分析傳（chuán）感器勵磁線圈不同（tóng）軸向（xiàng）長度時測量區（qū）域內部（bù）磁場分布情況，如式(1)所示。式中，B為樣本平均值；B s為樣本標準差（chà）；B cv為樣本磁場均勻度；B c為樣本變異係數。在這4個磁場評價指標中，樣本平均值越大越（yuè）好，樣（yàng）本標準差越小越好，磁場均勻度越大（dà）越好，變（biàn）異係數（shù）越小越好。

式中，S均勻（yún）為測量區域任（rèn）意一點磁感應（yīng）強度與珔B之比在95%至105%的麵積和，S測量區（qū）域為測量區域的總麵積。由Maxwell方（fāng）程及在一定的假設條件下，可（kě）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*的電勢差；A表示（shì）對所有空間積分；L為絕緣管道筒（tǒng）長（zhǎng）一半；r為流量計截麵管半徑；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，它是一個隻由井水流量計本身結構（gòu）決定的量。由(2)式可知，隻要確定了流體的流（liú）速V、磁感應強度B、以及權重函（hán）數W，以及流量計管（guǎn）徑半徑，就可以求流量計的感應電勢差。
3、仿真實驗
仿真（zhēn）實驗（yàn）中，設（shè）定a分別為23°，30°，35°，40°，45°，50°，設（shè）定b小於等於a，根據實際情況設定角度分別為8°，16°，23°，30°，35°，40°，45°，50°。仿（fǎng）真（zhēn）實驗中設（shè）定T型磁芯較長端（duān）寬度為k1占T型磁芯整個寬度的1/3，1/2以及2/3時(即k1/(k1+k2) 為1/3，1/2 以及（jí）2/3時的情況)分別考查不同參數情況下T型磁芯構建的勵磁結構對井（jǐng）水流量計測量區（qū）域中產生的磁場影響情況。

如圖2所示（shì）為不同T型磁芯結構在井水（shuǐ）流量計測（cè）量區域產生磁（cí）場強度分布仿真圖。由（yóu）於篇幅（fú）原（yuán）因，這裏隻顯示了k1/(k1 + k2)為1/2，b 為（wéi）23°的仿真圖。圖2(a)，(b)，(c)，(d)分別顯（xiǎn）示的是a為23°，30°，40°，50°時井水流（liú）量計測量區（qū）域截麵磁場仿真圖，從仿真圖中可以發現（xiàn）當磁芯所占空間減小，勵磁線圈空間增大時，流量計內部測量區域中的磁場強度總體上（shàng）有所增加。在仿真（zhēn）實驗中，將所（suǒ）得的仿（fǎng）真數據保存，對其運（yùn）用磁場評價指（zhǐ）標進行下一步的數據分析。
4、實驗數據分析
為了考察不同T型磁芯結構對井水流量計測量區域（yù）磁場強度的分布情況影響，仿真實驗中獲得的數據結果運用（yòng）公（gōng）式(1)井水流量（liàng）計磁場強度分布評價（jià）指標進行分析，以獲得井水流量計不（bú）同T型磁芯結構參數對流量計測量（liàng）區域的磁場（chǎng）強度分布影（yǐng）響，從而為井水流量計T型磁芯結構設（shè）計給出指導性的意見。

如（rú）圖3所示為不同T型磁芯結構下（xià）測量區域產生磁場感應強度（dù）平均值，圖中橫坐標為T型（xíng）磁（cí）芯b的角度（dù），縱坐標為測量區域的（de）平均磁場（chǎng）強度，圖標（biāo）表示的是T型磁芯的不同a的角度（dù）以及磁芯長端寬度（dù）所（suǒ）占的比例。其中（zhōng）以“角度-比例”表示（shì），例如30－1/2表示T型磁芯的（de）較長端角度a為30°，k1/(k1+k2)為（wéi）1/2時的測量區域（yù）中平均磁場強（qiáng）度測量結果。圖（tú）標（biāo）Other為T型磁芯較（jiào）長端的角度a與較短端的角度b相等(即為23，30，35，40，45，50)時的（de）流（liú）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（cí）芯的較長端的（de）角度a越小，流量（liàng）計測量區（qū）域中平均（jun1）磁場強度越大；在T型磁芯的較長端（duān）的角度a一（yī）定時（shí），T型磁（cí）芯的較（jiào）短端的角度b越小，流量計測量區域中平均磁（cí）場（chǎng）強度越大；在T型磁芯的較長（zhǎng）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強度越（yuè）大（dà）。

如圖（tú）4所示為（wéi）不同T型磁芯結（jié）構下測量區域產（chǎn）生磁場感應強度（dù）標準差，圖（tú）中橫坐（zuò）標（biāo）為T型磁芯（xīn）b的角度，縱坐標（biāo）為測量區域磁場強度的標準差，圖標圖例與圖3中一致。從仿真結果（guǒ）可（kě）以看出：T型磁芯的較長（zhǎng）端的角度a越小，流（liú）量（liàng）計測量區域中磁場強度標準差越大；在T型磁芯的較長端的角度a一定時，T型磁（cí）芯的較短端的角（jiǎo）度b越小，流量計測量區域中磁場（chǎng）強度（dù）標準差越大；在T型磁（cí）芯的（de）較長端的角度a與較短（duǎn）端的角度b一定時，T型磁芯的k1/(k1 + k2)越小，在流量計測量區域中磁（cí）場強度標準差越大。

標準差代表磁場（chǎng）測量區域的磁（cí）場分布波動性較（jiào）大，因而需引入變異係數對測量區域中的磁場分布情況進一步分析。如圖5所示為不同T型磁芯結構下測量區域磁（cí）場感應（yīng）強度變異係數，圖中橫坐標為（wéi）T型磁（cí）芯（xīn）b的角度，縱坐標為測量（liàng）區域磁場強度分布（bù）的變異係數，圖標圖例與（yǔ）圖3中一致。從仿真結果可以看出（chū）：T型磁芯（xīn）的較長（zhǎng）端的角度a越小，流量（liàng）計測量區域中磁場強度變異係數越大；在T型（xíng）磁芯的較長端的角度a一定時，T型磁芯的較短端的角度b越小，流（liú）量計測量區域中磁場強度變異係數越大；在T型磁芯的較長端的（de）角度（dù）a與較短端的（de）角（jiǎo）度b一定時，T型磁芯的k1/(k1 + k2)越小，在（zài）流量計測量區域中磁場強度（dù）變異係數越大。異係數（shù）越大說明磁場（chǎng）分布越（yuè）不均勻，波動性越大；異係數（shù）越小說明磁場（chǎng）分布趨向均勻。下麵通過（guò）計算測量區域中的磁（cí）場均勻區域來對（duì）這（zhè）一結果進一步的分析。

如圖6所示為不同T型磁芯結構下測量區域磁場感應強度（dù）均勻區域麵積，圖中橫坐標為T型磁芯b的角度，縱坐標為測量區域磁場強度分布的均勻區域麵積，圖標圖例（lì）與（yǔ）圖3中一致。從仿真結果可以看出：T型磁芯（xīn）的較長端的角（jiǎo）度a為越小，流量計測量區域（yù）中磁場強度均勻區域麵（miàn）積越大；在T型磁芯（xīn）的較長（zhǎng）端的角度a一定時，T型磁（cí）芯（xīn）的較短端的（de）角度b越小（xiǎo），流量計測量區域（yù）中磁場強度均勻區域麵積越大；在T型磁芯的較長端的角度a與較短端的角度b一定時，T型磁芯的k1/(k1 + k2)越小，在流量計測量區域中磁場強度均勻區域麵積（jī）越大。

上麵對不同T型磁芯結構對流量計測量區域內部磁場分布影響進行了研究，下麵通過電*兩端感應信號如公式(2)對井水流量計T型（xíng）磁芯結構對流量計測量結果的影響進行研究。如圖7所示為不同T型（xíng）磁芯結構下井水（shuǐ）流量計感（gǎn）應信號。圖中橫坐標為T型磁芯b的角度，縱坐（zuò）標為井（jǐng）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（de）角度，仿真中k1/(k1 + k2)為1/2。仿真實驗中（zhōng）虛線為仿真流體為湍流情況下獲取的感應電勢差，實（shí）線為流體為層（céng）流情況下獲取的感（gǎn）應（yīng）電勢差。
從仿真結（jié）果可以看出：T型磁芯的較長端的角度（dù）a越小，流量計電*兩端獲得的感應信號越大；在T型磁芯的較長端（duān）的角度a一定時，T型磁芯的較短端的角度b越小，流（liú）量計電*兩端獲得的感應信（xìn）號越大。這主要是因為井水流量計勵磁（cí）線（xiàn）圈的增加，使得流量計測量區域的磁場強度增加，同樣分布的流速下使得流量（liàng）計電*兩端的感應信號增（zēng）加（jiā）。

仿真實驗證明在有限的空（kōng）間下，修改T磁（cí）芯的不同參數，可以增加流量（liàng）計測量區域內部的磁（cí）場分布情況，也可以適當的調整流量計測量區域中的磁場強度與均勻度，根（gēn）據（jù）生產測井中（zhōng）的實際工況，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（yóu）氣井測（cè）量方麵有（yǒu）廣泛的應用前景，針對生產測井特殊工況下提出具有T型磁芯的勵磁（cí）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（shuǐ）流量計的磁場分布計算機（jī）仿真模型，並通過各種性能指標（biāo）的分（fèn）析，獲得該T型磁芯結構參（cān）數設計指標與（yǔ）流量計測量區域中磁（cí）場分布關係，為擁有T型磁芯結構的勵（lì）磁結構的實現（xiàn）提供參考依據。