文摘

利用井下环流量测量系统井下环状流的实时信息是介绍井下控制钻井技术的核心和基础。电磁流量计的研究工作近年来创建一个挑战井下环形流量测量的设计。提出了一种环状流电磁测量系统的设计和优化钻井工程基于有限元方法。首先,环状流测量和优化原则。其次,一个环状流的仿真模型与两对线圈电磁测量系统是建立基本方程的基础上由COMSOL电磁流量计。第三,模拟励磁系统的测量系统的结构,进行电极的大小和模拟的半径也进行了基于优化的结构,然后所有的仿真结果进行了分析评价根据评价指标优化的影响。仿真结果表明,优化励磁系统和电极尺寸的形状可以产生更好的性能在环状流的测量。

1。介绍

近几十年来,石油和天然气勘探正在进行一些非常严厉的和具有挑战性的环境条件1]。钻井安全问题变得日益突出,探索复杂,地层深处。介绍井下控制钻井技术可以有效地解决钻井事故踢和失去在窄密度窗口钻井等场景,所以使用测量系统井下环形流的实时信息介绍井下控制钻井技术的核心和基础。

提供大量的流技术方案提供选项选择正确的环状流测量钻井工程中的应用。广泛的因素关于井下钻井的特殊环境,如井下空间、速度分布、温度、流体性质,应考虑。电磁测量的优点是结构简单,没有移动部件,也没有妨碍流体节流部件。同时,流动路径不造成任何额外的压力损失,它不会引起磨损或堵塞,特别是在测量泥浆固体颗粒时,污水和其他液固两相组织,或各种粘性泥浆,等等。此外,由于结构没有移动部件,所以任何腐蚀将附着在绝缘衬里。在选择耐腐蚀电极材料具有很好的耐腐蚀性能,可用于各种腐蚀性介质的测量。2017年,一个环形梁等人提出一种新的方法基于电磁感应原理的流量测量系统(2]。然而,本文并不描述如何设计和优化井下环状流电磁测量系统。基于上述原因,本研究主要集中在井下环形流的设计和优化钻井工程电磁测量系统。

对传统电磁流量计用于圆管,信号电压依赖的平均流速,磁通密度和管道直径。信号电压将线性相关的平均流速如果磁场是均匀磁场。在理想情况下,流量可以被认为是免疫管流的速度剖面,特别是当流动充分发展。然而,很难环状流电磁测量系统来产生均匀磁场的环状流路径,同时,环状流的速度分布也不能被认为是轴对称的分布式这个特殊的钻井环境下。这些效应影响环状流电磁测量系统的准确性。根据Bevie向量的权函数理论(3),如果磁通密度的结果向量虚拟电流密度是常数,环状流电磁测量系统可以被认为是免疫环状流的速度分布。当电极和流动路径的结构是固定的,虚拟的密度电流是固定的。所以励磁系统的形状可以根据这个常数的条件。同样的,当励磁系统的形状和结构的流路径是固定的,虚拟的密度电流只取决于电极。在这种情况下,电极的大小是选择优化以减少造成的变形速度剖面。

在过去的几十年里,努力对励磁系统的结构和电极已经减少速度剖面的影响。霍纳B提高了流量测量的测量精度通过增加电极的数量(4,5]。Michalski等人研究了线圈的电磁流量计的设计在1998年(6]。王等人分析了速度剖面和诱发电位分布之间的关系对于一个电磁流量计(2007年7]。开放的通道的最优励磁线圈电磁流量计Michalski等人于2001年被报道(8]。维埃拉等人开发了一个增强的椭球电磁装置优化设计方法在2010年(9]。与此同时,一些模拟方法设计multifields有限元软件的发展。Lim和Choong)分析了相对误差在评估电磁流量计信号使用加权函数法和有限体积法(10]。Michalski等人应用3 d方法来设计一个电磁流量计的励磁线圈(2012年11]。殷等人研究的理论和数值方法的灵敏度计算一种新颖的非接触式感应流断层扫描(12]。尽管努力了励磁系统的结构和电极已经减少速度剖面的影响,大部分的设计和优化是集中在圆管。本文的主要目的是设计和优化井下环状流电磁测量系统两对电极使用数值有限元分析的方法。

2。环形四电极电磁流量计的理论背景

法拉第定律后,导电液体的流动通过磁场将导致电压信号被电极位于感觉到流管墙。法拉第的公式可以表示为 在哪里信号电压的导体,平均流速,磁通密度,管直径。

方程(1)表明,信号电压依赖的平均流速,磁通密度和管道直径。

信号电压将线性相关的平均流速如果磁场是均匀磁场。(1)可以写成

在这里,是一个常数。

然而,环状流电磁测量系统是很难产生均匀磁场的环状流路径,和环状流的速度分布也不能被认为是轴对称的分布式这个特殊的钻井环境下。这影响到环状流电磁测量系统的准确性。的设计和优化井下环状流电磁测量系统两对电极不能调查基于法拉第的传统理论。

根据Bevir的理论(3)的理论表达式诱发电位在环状流电磁测量系统可以给定的体积积分加权函数向量和环状流速度如下: 在哪里是由 。

在这里,是诱发电位,权函数向量,环状流的速度,是磁通矢量,是当前虚拟矢量,然后呢体积是环形的集成。环状流的速度加权函数向量依赖于磁通密度向量和虚拟电流矢量 。

根据Bevie向量加权函数的理论,如果磁通密度的结果向量虚拟电流密度是常数,环状流电磁测量系统可以被认为是免疫环状流的速度分布。当电极和流动路径的结构是固定的,虚拟的密度电流是固定的。因此,励磁系统的形状可以根据这个常数的条件。同样的,当励磁系统的形状和结构的流动路径是固定的,虚拟的密度电流只取决于电极。在这种情况下,优化电极半径的选择是减少造成的变形速度剖面。

图1显示了一个示意图的井下环形四电极电磁流量计和流路径。A1, A2, B1, B2代表四个电极放置在外墙每隔2γ在环状流路径( 而在模拟),一个和b有内部和外部表面的距离中心,然后呢和代表的内外表面环状流路径。

为了简化边界条件,我们假设电子电导率的外表面环状流路径远小于流动。的偏微分方程和边界条件的外表面环状流路径和电极可以写成:

利用分离变量法,(4)可以表示为

当 通过求解微分方程,计算结果可以写成

方程(6)可以转化为以下方程:

如果A1和B1是积极的和A2和B2负电极,电极的内表面的边界条件环状流路径和电极可以写成:

基于边界条件(8),我们有

因此,

在这里,我们假设 和 ,所以可以写成

当前虚拟的密度可以使用基于梯度法(11)。从理论上讲,激励线圈的形状和参数可以解决基于权函数的常数条件向量。然而,它非常复杂,并且很难得到激励线圈的形状和参数的分析方法。即使结果是解决,也是复杂和困难的线圈。近年来,数值模拟已成为一个重要的新系统的设计过程。这些困难可以由multifields的有限元软件。

3所示。优化的环形四电极电磁流量计

3.1。励磁结构的优化

避免复杂的线圈绕组、铁芯的励磁部分介绍了环状流电磁测量系统。考虑到特殊的井下环境,激励的原理图部分环状流电磁测量系统如图2。在这里,系统的内半径是4厘米,外半径是9厘米,系统的内外壁厚1厘米。在环状流电磁测量系统中,四个励磁线圈产生磁场。四电极传感器位于外部系统墙的直径,这样流电压就可以被检测出来。环形的3 d模型四电极由COMSOL流电磁测量系统和流路径如图所示3。

本文的结构铁芯和线圈的大小之间的环形域内外表面的系统研究,设计和优化的激励结构。因此,核心的宽度和高度的核心突出可以作为变量。模拟,选择圆形电极半径为0.7厘米,和铁心的长度是10厘米。励磁线圈被修改的核心的宽度改变从2厘米、5厘米和核心突出的高度从5.5厘米到8.5厘米。核心是每增加1厘米的宽度,而核心突出每一个1厘米的高度。

来验证优化的有效性,选择最优的一些表演环状流电磁测量系统进行了比较。仿真结果相比磁向量和权函数向量的数字显示4- - - - - -7。

数据4- - - - - -7表明,磁通的分布向量和权函数向量与核心的宽度和高度变化的核心突出变化。考虑到加权函数向量优化的重要作用,权函数向量分布数据4- - - - - -7进行了分析。分析结果表明,加权函数向量得到最小的分布范围(从0.03−0.32)当core_X等于5.5厘米,Core_w等于2厘米;权函数向量得到最大的分布范围(从0.05−0.66)当core_X等于8.5厘米,Core_w等于5厘米;权函数向量的分布范围增加而核心的宽度和高度的核心突出稳步增加,并增加线圈的宽度更明显。

3.2。电极半径的变化

后测量系统的励磁系统的结构进行优化,以提高系统的精度,一些模拟电极的半径被用来提高系统的性能。电极被修改,半径变化从1厘米到5厘米,和电极的半径增加每0.5厘米。仿真结果相比虚拟电流向量和权函数向量的数据所示8和9。

数据8和9表明,该虚拟电流密度和权函数向量而电极半径的改变而改变。基于数据8和9,我们可以发现权函数向量得到最小的分布范围(从0到0.03)当电极半径是5厘米;权函数向量得到最大的分布范围(从0.01−0.16)当电极半径1厘米;权函数向量的分布范围减小,电极半径稳步增加。

4所示。结果与讨论

4.1。评价指标

以下4.4.1。标准偏差的加权函数向量

理想的励磁系统设计是让权函数向量是一个常数,这是有助于提高系统的测量精度。然而,权函数向量是不容易设计为一个常数。为了设计一个磁场,使加权函数向量尽可能恒定,需要定义一个设计数量措施的不均匀程度的权函数向量的横截面积环形域。设计的定义数量在1972年讨论了丹尼斯和怀亚特(13),但由于集成困难,这个量是不习惯。相反,一个类似的数量使用命名为权函数向量标准差由以下定义: 在哪里是平均体重函数向量中的所有点的价值吗飞机的环形z= 0和点的数量。

4.1.2。同质性范围的比例加权函数向量

评估同质性范围在环形区域,同质性范围的比值作为评价标准(14]。这个评价标准的方程如下: 在哪里是中央的权函数向量截面环形电极的区域,是平均体重函数向量中的所有点的价值吗飞机的环形z= 0,是一个统一的百分比值取决于实际分布和30%在这个研究。

如果一个有限元满足(13),我们可以把这个有限元的面积是均匀的;否则,我们把这个有限元的面积不均匀。如果非齐次的数量有限的元素N₁和均匀的数量有限的元素N₂,同质性范围比率可以定义如下:

4.1.3。的变异系数权函数向量

的变异系数是一个有用的统计比较的程度变化从一个数据系列,即使手段是截然不同的。的变异系数权函数向量的统计测量弥散加权函数向量数据点的数据系列的意思。它是计算如下: 在哪里标准偏差的加权函数向量和是平均体重函数向量的值的点。

4.1.4。输出电压的灵敏度

第四个性能指标是输出电压的敏感性使系统输出的力量。在这个研究中,我们保证会和当前的线圈是常数,得到输出电压的敏感性而平均流速每秒1米。

在优化设计和定量评价过程中,较小的标准差的加权函数向量更好,是一个更大的权函数向量的同质性范围比更好,较小的变异系数权函数向量的更好,更大的输出电压的灵敏度是更好。在这四个评价指标,标准差的向量加权函数是最重要的评价指标,和其他3个索引是辅助参考指标。

4.2。励磁系统的分析优化效果

为了直观地分析和比较励磁结构优化的影响,权函数向量的值标准偏差进行分析设计的定义数量。来验证优化的有效性,权函数的结果向量标准差比较图10。

在图10,Core_w代表核心和core_X的宽度代表核心突出的高度。当核心的宽度是固定的,权函数向量标准差稳步增加而核心突出的高度增加。当核心突出的高度是固定的,权函数向量标准差增加宽度的位置时的核心稳步增加。

使用图10,我们可以发现权函数向量的最小标准差虽然core_X是5.5厘米,Core_w是2厘米。同样,基于仿真数据和数学运算,同质性范围比的变化曲线,变异系数权函数向量,输出电压显示数字的敏感性11- - - - - -13。

从数据可以看出11- - - - - -13当核心的宽度和高度的核心突出变化,评价指标变化。当core_X等于5.5厘米,Core_w等于2厘米,同质性范围比相对较大,但变异系数权函数的输出电压的灵敏度很小。

考虑到标准偏差向量加权函数是最重要的评价指标,优化结果的环状流电磁测量系统在双成对的线圈励磁结构和当前有限的结构空间,与core_X = 5.5厘米和Core_w = 2厘米最好的线圈励磁结构。然而,从评价指标的数值大小的范围,我们可以发现,改变核心突出的核心的宽度和高度对提高系统测量性能影响有限。

4.3。分析电极半径的影响

为了直观地分析和比较励磁系统优化的影响,权函数向量的值标准偏差可以使用设计的定义分析了数量。来验证优化的有效性,权函数的结果向量标准差比较图14。结果在图的数据14表明,权函数向量标准差稳步降低而电极半径增加,因此大半径电极提高了环状流电磁测量系统的测量精度。

同样,基于仿真数据和数学运算,同质性范围比的变化曲线,权函数的变异系数向量,从数据显示和输出电压的灵敏度15- - - - - -17。很明显,与电极半径的增加从0.5厘米到6厘米,同质性范围比不断增加从6.43%提高到79.49%,变异系数的加权函数向量不断减少从2410年到498年,和输出电压的敏感性增加第3.07E−5 V 3.22E从3.22−5 V,然后降低E−5 V 2.81E−5 V。因此,电极半径需要根据系统性能的要求,选择和电极半径4.5厘米有更好的环状流测量过程中最佳的综合效果。

5。结论

本文描述了环状流的设计和优化钻井工程电磁测量系统。根据上述可以得出下面的结论分析:(1)环状流电磁测量理论和优化原则,和一个环状流电磁测量系统仿真模型是建立在此基础上由COMSOL理论。(2)模拟励磁系统的测量系统的结构,以及一些模拟电极的大小的半径也进行基于优化结构,然后所有的仿真结果进行了分析评价根据评价指标优化的影响。仿真结果表明励磁系统的优化结构和电极半径大小可以产生环状流测量过程中更好的性能。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突,关于这篇文章的出版。

确认

这项工作是支持的开放基金(OGE201702-19)石油天然气设备的重点实验室教育部(西南石油大学),国家自然科学基金委(没有。51504211)和国家安全总局(没有。四川- 0011 - 2016 - aq)。