石油“三采”中聚合物溶液流量計(jì)量誤差的原因與修正裝置的研究

1、石油“三采”中聚合物溶液流量計(jì)量誤差的原因與修正裝置的研究黑龍江省科技重點(diǎn)攻關(guān)基金 項(xiàng)目編號(hào)：GC08A104孫作達(dá)1，吳凱濱2，鄭培智3，劉峻峰1，曲新1 （1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱150090；2.哈爾濱物業(yè)供熱集團(tuán)道理房產(chǎn)經(jīng)營(yíng)公司 黑龍江 哈爾濱 150000；3.黑龍江省農(nóng)墾總局牡丹江分局直屬城管局 黑龍江 牡丹江 158308）概述：論文采用理論公式推導(dǎo)出了石油三采工藝中常見(jiàn)的電磁流量計(jì)計(jì)量誤差原因，并探討研制了解決的方法和裝置，該方法和裝置利用電磁感應(yīng)磁化檢測(cè)原理和技術(shù)，動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)聚合物的磁化性質(zhì)和電導(dǎo)率，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理可以直接反映修正后真實(shí)

2、流量和總?cè)莘e，同時(shí)還可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)聚合物溶液的品質(zhì)、溶解水平黏度多項(xiàng)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法和裝置可以提高電磁流量計(jì)的計(jì)量精度，顯示溶液的綜合品質(zhì)變化。關(guān)鍵詞：聚合物驅(qū)油溶液的流量計(jì)量、電磁流量計(jì)計(jì)量誤差、流量計(jì)量誤差修正、電磁感應(yīng)磁化檢測(cè)技術(shù)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)溶液品質(zhì)質(zhì)量。中圖分類號(hào)；O561.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7043 (2004) xx-xxxx-xInvestigation on causation and correction installation of the measure error of polymer solution flux during petrol

3、eum exploitationSun Zuo-da ,Wu Kai-bin ,Zheng Pei-zhi, Liou Jun-feng ,Qu Xin（1.Harbin Institute of Technology School of municipal and Environmental 150090; 2.Harbin The thing industry provides the hot group truth house property to operate the company150000；3.Total bureau in province agriculture in H

4、eilongjiang peony river's branch office keep belonging to city tube bureau）Abstract：The paper deducted the causation of measure error in electromagnetic flowmeter used in the process of petroleum exploitation by theory formula. The solved method and correction installation of the problem was als

5、o studied. The installation could detect the magnetic susceptibility and conductivity of polymer solution online by the theory of electromagnetic induction. The detection signal processed by computer could directly reflect the true flux and total volume after correction, and the installation could a

6、lso detect the quality and dissolving level of polymer solution online. It was found that the solved method and correction installation could enhance the measure precision of electromagnetic flowmeter, and revealed the quality variation of polymer solution. Keywords: measure of polymer solution flux

7、, measure error of electromagnetic flowmeter, correction of flux measure error, detection techniques of electromagnetic induction, quality detection of polymer solution online 在石油“三采”中，聚合物溶液流量的計(jì)量誤差直接影響注入量，而注入量與采出率有直接的關(guān)系。目前，油田普遍采用電磁流量計(jì)計(jì)量聚合物溶液流量，但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，電磁流量計(jì)計(jì)量誤差高達(dá)7-5%，而且流量顯示值出現(xiàn)跳躍不穩(wěn)定的現(xiàn)象。這些問(wèn)題嚴(yán)重的影響到石

8、油的采出率并增加了采油成本。本文通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)表明：聚合物溶液的非均質(zhì)非連續(xù)性所形成的聚合物溶液磁化性質(zhì)和導(dǎo)電性質(zhì)隨機(jī)變化是造成誤差的主要原因。本文還探討了解決的方法，并討論了修正裝置的原理與結(jié)構(gòu)，該裝置還可以同時(shí)檢測(cè)液流溶液的綜合品質(zhì)以及黏度。溶液綜合品質(zhì)是指溶劑與溶質(zhì)的質(zhì)量、溶液的均質(zhì)水平、溶液濃度、溶液密度等“疊加綜合指數(shù)”。一、誤差產(chǎn)生的原因分析 依據(jù)電磁流量計(jì)的原理公式： qvD2/4D/4e/B   （1）在公式（1）中為管道截面上的平均流速、qv為管道的體積流量、B為勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度、D為管道直徑、e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。滿足公式（1）有兩個(gè)必要條件，一是勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度

9、B為常數(shù)量；二是液流溶液具有良好的導(dǎo)電性，而且其值是唯一恒定的。如果聚合物溶液的磁化性質(zhì)和導(dǎo)電性質(zhì)是隨機(jī)變化的，就不能保證這兩個(gè)必要的條件，電磁流量計(jì)就會(huì)出現(xiàn)誤差。我們就油田應(yīng)用的聚合物（聚丙烯酰胺）溶液這兩個(gè)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明（見(jiàn)表1）：不同分子量和不同濃度的聚合物溶液，其磁化率性質(zhì)和電導(dǎo)率性質(zhì)具有明顯差異。依據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)中的分子磁化性質(zhì)理論，聚合物溶液在電磁流量計(jì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生磁化，磁化后則會(huì)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)強(qiáng)度H"，它與外磁場(chǎng)強(qiáng)度H是成正比的。即： H" = H (1)公式(1)中的稱為磁介質(zhì)的體積磁化率。磁化率是物質(zhì)的必有屬性，不同的穩(wěn)定物質(zhì)在其相對(duì)

10、穩(wěn)定的環(huán)境中磁化率性質(zhì)是唯一確定的。介質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生磁化，其磁場(chǎng)強(qiáng)度H等于外磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁介質(zhì)發(fā)生磁化后自己所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)強(qiáng)度H"疊加的算術(shù)和。即： H = H+ H" 因?yàn)?H" = H所以 H = H+ H= H（1+）= H = 1+ (2) 公式(2)中表示介質(zhì)的磁導(dǎo)率。表1 Table 1 Title名 稱濃度（50mg/l）磁化率濃度（25mg/l）磁化率濃度（12.5mg/l）磁化率濃度（50mg/l）電導(dǎo)率濃度（25mg/l）電導(dǎo)率濃度3（12.5mg/l）電導(dǎo)率水111 160160160800萬(wàn)分子量聚丙烯酰氨0.84680.8901

11、0.89889005803801400萬(wàn)分子量聚丙烯酰氨0.80120.83630.85017004552802000萬(wàn)分子量聚丙烯酰氨0.75810.78560.8002205195180注：表中溶液磁化率的數(shù)值是電導(dǎo)率為160水的百分比值 由于具體工藝技術(shù)問(wèn)題，動(dòng)態(tài)配制大量的聚合物溶液是不可能作到完全均質(zhì)的。這樣在管道中的聚合物液流濃度和質(zhì)量水平就不可能是連續(xù)唯一的。因此，聚合物溶液在管道中的液流磁化性質(zhì)和導(dǎo)電性質(zhì)是隨濃度而變化的。聚合物溶液的磁化性質(zhì)變化將改變?cè)瓌?lì)磁磁場(chǎng)的強(qiáng)度；而導(dǎo)電性質(zhì)的變化將改變電磁流量計(jì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電壓值，這就造成了電磁流量計(jì)在應(yīng)用中的計(jì)量誤差和顯示值跳躍不穩(wěn)定的現(xiàn)

12、象。造成電磁流量計(jì)誤差的原因還有：電磁流量計(jì)出廠時(shí)是以自來(lái)水進(jìn)行實(shí)流效驗(yàn)和標(biāo)定的，而自來(lái)水與聚合物溶液的磁化率和電導(dǎo)率不同。二、修正誤差的機(jī)理與裝置設(shè)想，動(dòng)態(tài)連續(xù)檢測(cè)聚合物溶液的磁化率和電導(dǎo)值并加以數(shù)據(jù)處理就可以修正電磁流量計(jì)的誤差。我們利用電磁流量計(jì)的電極作為電導(dǎo)電極，其電器設(shè)置借用了常規(guī)的電導(dǎo)率儀結(jié)構(gòu)，輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，將修正的數(shù)值直接顯示在電磁流量計(jì)的一次儀表盤上。物質(zhì)磁化率的動(dòng)態(tài)檢測(cè)經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外查新檢索，沒(méi)有相關(guān)技術(shù)可以借鑒，因此我們發(fā)明研制了電磁感應(yīng)磁化動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置，其原理如下。在結(jié)構(gòu)化學(xué)中磁化率是用摩爾分子磁化率xm表示的，即： xm =Vm = M/ =/ M (3)所以

13、 = xm/Vm= xm/M (4) 上述公式中Vm表示介質(zhì)的摩爾體積，表示密度，表示體積磁化率，M表示介質(zhì)的分子量(或原子量)。公式(4)說(shuō)明體積磁化率與樣品的分子量M、摩爾磁化率xm、摩爾體積Vm以及密度等介質(zhì)的分子性質(zhì)具有對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，在M、xm、Vm、確定了以后，是唯一確定的。由此也說(shuō)明：不同分子量的聚合物溶液其磁化率性質(zhì)是不同的。設(shè)有二組相互同心平行設(shè)置的空心線圈，在線圈1內(nèi)通有電流i1、產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為B、二組線圈的芯內(nèi)充滿磁導(dǎo)率為的動(dòng)態(tài)液流樣品，則通過(guò)線圈2的磁通就是：21= Br2=r2ni1依據(jù)互感定義，線圈1對(duì)線圈2的互感系數(shù)為： M21= 21/i1=r2n由于線圈

14、1對(duì)線圈2的互感系數(shù)等于線圈2對(duì)線圈1的互感系數(shù)，即： M21 = M12 = N 所以N = r2n (5)以上公式中N表示二組線圈的互感系數(shù)、r表示線圈的半徑、n表示線圈的匝數(shù)。公式(5)說(shuō)明在確定了線圈的直徑和匝數(shù)以后，二組線圈之間的互感系數(shù)與二組線圈空芯內(nèi)液流樣品的磁導(dǎo)率是成正比函數(shù)關(guān)系的。依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：N= -N= -r2n 因?yàn)榫€圈的電流變化速率、線圈空心的截面積r2以及匝數(shù)n是已經(jīng)確定了的常數(shù)。設(shè)E = -r2n所以N= -N= -r2n= E (6) 公式(6)說(shuō)明互感電動(dòng)勢(shì)的大小在確定了常數(shù)項(xiàng)E以后與空心線圈內(nèi)的液流樣品磁導(dǎo)率具有對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)?1+ 所以N=

15、 E=E（1+） (7) 公式(7)說(shuō)明確定了常數(shù)項(xiàng)E，互感電動(dòng)勢(shì)的值與空心線圈內(nèi)液流樣品的磁化率性質(zhì)具有確定的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。三、流量修正裝置的結(jié)構(gòu)由于溶液磁化率與溶液的密度、分子量、摩爾體積相關(guān)，因此“電磁感應(yīng)動(dòng)態(tài)磁化檢測(cè)裝置”具有同時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)溶液的溶解、質(zhì)量水平變化的功能。經(jīng)過(guò)聚合物分子量的曲線標(biāo)定，該裝置還可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)溶液黏度。 圖1用于檢測(cè)聚丙烯酰胺溶液的電磁感應(yīng)動(dòng)態(tài)磁化分析裝置結(jié)構(gòu)示意圖(圖1)如下；該裝置主要由（1）感溫系統(tǒng)（2）數(shù)據(jù)處理記錄系統(tǒng)、（3）初級(jí)電壓供電和初級(jí)線圈系統(tǒng)（4）次級(jí)電壓供電和次級(jí)線圈系統(tǒng)（5）電導(dǎo)率檢測(cè)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)在工作時(shí)，三組初級(jí)線圈由可調(diào)節(jié)變頻供電系統(tǒng)

16、提供可調(diào)節(jié)頻率和強(qiáng)度的脈沖電源，在高磁阻進(jìn)樣管內(nèi)產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。在脈動(dòng)磁場(chǎng)的感應(yīng)下二只次級(jí)感應(yīng)電磁線圈將產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)樣品從高磁阻管道進(jìn)入并充滿管道內(nèi)的空間時(shí)，由于不同樣品的磁化率、磁導(dǎo)率、磁滯特性不同，會(huì)改變高磁阻進(jìn)樣管內(nèi)的磁通量，從而改變二只次級(jí)線圈的互感電動(dòng)勢(shì)，使原電平產(chǎn)生變化，檢測(cè)二組次級(jí)感應(yīng)電磁線圈的互感電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)值，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析就可以計(jì)算管道內(nèi)溶液的磁化性質(zhì)、以及溶液的質(zhì)量水平。四、實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)裝置 我們采用圖2的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了聚合物溶液的流量計(jì)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件和說(shuō)明如下、實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。電磁流量計(jì)型號(hào)：ND40水質(zhì)：水溫210C；電導(dǎo)值160；Ph7聚丙烯酰胺試劑：分

17、析純、800、1400、2000萬(wàn)分子量單位溶液濃度：25mg/l、50mg/l溶液容積：1m3、容積計(jì)量精度±0.5l。 圖2實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：（1）為防止溶液發(fā)生磁化而影響磁化率檢測(cè)，將電磁流量計(jì)設(shè)置在修正裝置的后面。（2）為了防止聚丙烯酰胺溶液的分子結(jié)構(gòu)破壞液流動(dòng)力采用氣壓方式。在相同的環(huán)境條件下采用DN40型的電磁流量計(jì)量水、800萬(wàn)分子量聚丙烯酰胺溶液、1400萬(wàn)分子量聚丙烯酰胺溶液、2000萬(wàn)分子量聚丙烯酰胺溶液，電磁流量計(jì)經(jīng)過(guò)修正前后所顯示的1小時(shí)計(jì)量情況如表2。表2 Table 2 Title名 稱濃度50mg/l修正前1小時(shí)容積濃度50mg/l修正后1小時(shí)容積濃度25mg/

18、l修正前1小時(shí)容積濃度25mg/l修正后1小時(shí)容積 水1000100010001000800萬(wàn)分子量940100096410001400萬(wàn)分子量928100094210002000萬(wàn)分子量899999.5919999.5五、結(jié)論通過(guò)公式推理和實(shí)驗(yàn)表明：高聚物的分子量與電導(dǎo)率成反比；高聚物溶液的濃度與電導(dǎo)率成正比。高聚物的分子量和濃度越高、磁化率越低。正是高聚物的這些性質(zhì)導(dǎo)致了電磁流量計(jì)的誤差和不穩(wěn)定現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)還表明：經(jīng)過(guò)電磁感應(yīng)磁化動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置修正聚合物溶液的磁化率和電導(dǎo)率誤差后，可以顯著的提高電磁流量計(jì)計(jì)量溶液流量的計(jì)量精度，緩解顯示值跳躍不穩(wěn)定的現(xiàn)象，同時(shí)還可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)溶液的綜合質(zhì)量水平。參考文獻(xiàn)1Hemp J Versteeg H K 1986 Prediction of electromagnetic flow meter characteristics J Phys.D:Appl.Phys.19 1459-13472Ward-Smith A J 1980 Internal fluid Flow,Clarandon Press3 王啟民,冀寶發(fā),隋軍,