石油“三采”中聚合物溶液流量計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量誤差的原因與修正裝置的研究黑龍江省科技重點攻關基金 項目編號：GC08A104孫作達1，吳凱濱2，鄭培智3，劉峻峰1，曲新1 （1.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院 黑龍江 哈爾濱150090；2.哈爾濱物業(yè)供熱集團道理房產經營公司 黑龍江 哈爾濱 150000；3.黑龍江省農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出了石油三采工藝中常見的電磁流量計計量誤差原因，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磁化檢測原理和技術，動態(tài)在線檢測聚合物的磁化性質和電導率，檢測信號經過計算機數(shù)據(jù)處理可以直接反映修正后真實

2、流量和總容積，同時還可以動態(tài)檢測聚合物溶液的品質、溶解水平黏度多項指標。實驗結果表明，該方法和裝置可以提高電磁流量計的計量精度，顯示溶液的綜合品質變化。關鍵詞：聚合物驅油溶液的流量計量、電磁流量計計量誤差、流量計量誤差修正、電磁感應磁化檢測技術、動態(tài)檢測溶液品質質量。中圖分類號；O561.2 文獻標識碼：A 文章編號：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量誤差直接影響注入量，而注入量與采出率有直接的關系。目前，油田普遍采用電磁流量計計量聚合物溶液流量，但是在實際應用中發(fā)現(xiàn)，電磁流量計計量誤差高達7-5%，而且流量顯示值出現(xiàn)跳躍不穩(wěn)定的現(xiàn)象。這些問題嚴重的影響到石

8、油的采出率并增加了采油成本。本文通過理論分析和實驗表明：聚合物溶液的非均質非連續(xù)性所形成的聚合物溶液磁化性質和導電性質隨機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構，該裝置還可以同時檢測液流溶液的綜合品質以及黏度。溶液綜合品質是指溶劑與溶質的質量、溶液的均質水平、溶液濃度、溶液密度等“疊加綜合指數(shù)”。一、誤差產生的原因分析 依據(jù)電磁流量計的原理公式： 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為勵磁磁場強度、D為管道直徑、e為感應電動勢。滿足公式（1）有兩個必要條件，一是勵磁磁場強度

9、B為常數(shù)量；二是液流溶液具有良好的導電性，而且其值是唯一恒定的。如果聚合物溶液的磁化性質和導電性質是隨機變化的，就不能保證這兩個必要的條件，電磁流量計就會出現(xiàn)誤差。我們就油田應用的聚合物（聚丙烯酰胺）溶液這兩個性質進行了實驗檢測，檢測結果表明（見表1）：不同分子量和不同濃度的聚合物溶液，其磁化率性質和電導率性質具有明顯差異。依據(jù)結構化學中的分子磁化性質理論，聚合物溶液在電磁流量計勵磁磁場的作用下會發(fā)生磁化，磁化后則會產生附加磁場強度H"，它與外磁場強度H是成正比的。即： H" = H (1)公式(1)中的稱為磁介質的體積磁化率。磁化率是物質的必有屬性，不同的穩(wěn)定物質在其相對

10、穩(wěn)定的環(huán)境中磁化率性質是唯一確定的。介質在外磁場的作用下發(fā)生磁化，其磁場強度H等于外磁場強度H與磁介質發(fā)生磁化后自己所產生的附加磁場強度H"疊加的算術和。即： H = H+ H" 因為 H" = H所以 H = H+ H= H（1+）= H = 1+ (2) 公式(2)中表示介質的磁導率。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）電導率濃度（25mg/l）電導率濃度3（12.5mg/l）電導率水111 160160160800萬分子量聚丙烯酰氨0.84680.8901

11、0.89889005803801400萬分子量聚丙烯酰氨0.80120.83630.85017004552802000萬分子量聚丙烯酰氨0.75810.78560.8002205195180注：表中溶液磁化率的數(shù)值是電導率為160水的百分比值 由于具體工藝技術問題，動態(tài)配制大量的聚合物溶液是不可能作到完全均質的。這樣在管道中的聚合物液流濃度和質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和導電性質是隨濃度而變化的。聚合物溶液的磁化性質變化將改變原勵磁磁場的強度；而導電性質的變化將改變電磁流量計感應電動勢的電壓值，這就造成了電磁流量計在應用中的計量誤差和顯示值跳躍不穩(wěn)定的現(xiàn)

12、象。造成電磁流量計誤差的原因還有：電磁流量計出廠時是以自來水進行實流效驗和標定的，而自來水與聚合物溶液的磁化率和電導率不同。二、修正誤差的機理與裝置設想，動態(tài)連續(xù)檢測聚合物溶液的磁化率和電導值并加以數(shù)據(jù)處理就可以修正電磁流量計的誤差。我們利用電磁流量計的電極作為電導電極，其電器設置借用了常規(guī)的電導率儀結構，輸出的電信號經過數(shù)據(jù)處理后，將修正的數(shù)值直接顯示在電磁流量計的一次儀表盤上。物質磁化率的動態(tài)檢測經過國內外查新檢索，沒有相關技術可以借鑒，因此我們發(fā)明研制了電磁感應磁化動態(tài)檢測裝置，其原理如下。在結構化學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表示介質的摩爾體積，表示密度，表示體積磁化率，M表示介質的分子量(或原子量)。公式(4)說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以及密度等介質的分子性質具有對應的函數(shù)關系，在M、xm、Vm、確定了以后，是唯一確定的。由此也說明：不同分子量的聚合物溶液其磁化率性質是不同的。設有二組相互同心平行設置的空心線圈，在線圈1內通有電流i1、產生的感應磁場強度為B、二組線圈的芯內充滿磁導率為的動態(tài)液流樣品，則通過線圈2的磁通就是：21= Br2=r2ni1依據(jù)互感定義，線圈1對線圈2的互感系數(shù)為： M21= 21/i1=r2n由于線圈

14、1對線圈2的互感系數(shù)等于線圈2對線圈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)與二組線圈空芯內液流樣品的磁導率是成正比函數(shù)關系的。依據(jù)法拉第電磁感應定律：N= -N= -r2n 因為線圈的電流變化速率、線圈空心的截面積r2以及匝數(shù)n是已經確定了的常數(shù)。設E = -r2n所以N= -N= -r2n= E (6) 公式(6)說明互感電動勢的大小在確定了常數(shù)項E以后與空心線圈內的液流樣品磁導率具有對應的函數(shù)關系。因為=1+ 所以N=

15、 E=E（1+） (7) 公式(7)說明確定了常數(shù)項E，互感電動勢的值與空心線圈內液流樣品的磁化率性質具有確定的對應函數(shù)關系。三、流量修正裝置的結構由于溶液磁化率與溶液的密度、分子量、摩爾體積相關，因此“電磁感應動態(tài)磁化檢測裝置”具有同時動態(tài)檢測溶液的溶解、質量水平變化的功能。經過聚合物分子量的曲線標定，該裝置還可以動態(tài)檢測溶液黏度。 圖1用于檢測聚丙烯酰胺溶液的電磁感應動態(tài)磁化分析裝置結構示意圖(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）初級電壓供電和初級線圈系統(tǒng)（4）次級電壓供電和次級線圈系統(tǒng)（5）電導率檢測系統(tǒng)組成。系統(tǒng)在工作時，三組初級線圈由可調節(jié)變頻供電系統(tǒng)

16、提供可調節(jié)頻率和強度的脈沖電源，在高磁阻進樣管內產生脈沖磁場。在脈動磁場的感應下二只次級感應電磁線圈將產生互感電動勢，當樣品從高磁阻管道進入并充滿管道內的空間時，由于不同樣品的磁化率、磁導率、磁滯特性不同，會改變高磁阻進樣管內的磁通量，從而改變二只次級線圈的互感電動勢，使原電平產生變化，檢測二組次級感應電磁線圈的互感電動勢響應值，經過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析就可以計算管道內溶液的磁化性質、以及溶液的質量水平。四、實驗條件與實驗裝置 我們采用圖2的實驗裝置進行了聚合物溶液的流量計量實驗，實驗條件和說明如下、實驗結果見表2。電磁流量計型號：ND40水質：水溫210C；電導值160；Ph7聚丙烯酰胺試劑：分

17、析純、800、1400、2000萬分子量單位溶液濃度：25mg/l、50mg/l溶液容積：1m3、容積計量精度±0.5l。 圖2實驗說明：（1）為防止溶液發(fā)生磁化而影響磁化率檢測，將電磁流量計設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構破壞液流動力采用氣壓方式。在相同的環(huán)境條件下采用DN40型的電磁流量計量水、800萬分子量聚丙烯酰胺溶液、1400萬分子量聚丙烯酰胺溶液、2000萬分子量聚丙烯酰胺溶液，電磁流量計經過修正前后所顯示的1小時計量情況如表2。表2 Table 2 Title名 稱濃度50mg/l修正前1小時容積濃度50mg/l修正后1小時容積濃度25mg/

18、l修正前1小時容積濃度25mg/l修正后1小時容積 水1000100010001000800萬分子量940100096410001400萬分子量928100094210002000萬分子量899999.5919999.5五、結論通過公式推理和實驗表明：高聚物的分子量與電導率成反比；高聚物溶液的濃度與電導率成正比。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導致了電磁流量計的誤差和不穩(wěn)定現(xiàn)象。實驗還表明：經過電磁感應磁化動態(tài)檢測裝置修正聚合物溶液的磁化率和電導率誤差后，可以顯著的提高電磁流量計計量溶液流量的計量精度，緩解顯示值跳躍不穩(wěn)定的現(xiàn)象，同時還可以動態(tài)檢測溶液的綜合質量水平。參考文獻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,