摘要：針對生產(chǎn)測井狹小空間測量環(huán)境下，提出有一種勵磁結(jié)構(gòu)為T型磁芯的集流型井水流量計，運用有限元軟件ANSYS對這種T型磁芯建立磁場仿真模型，并對不同T型磁芯形狀參數(shù)下流量計測量區(qū)域的磁場進行仿真分析，研究了井水流量計勵磁結(jié)構(gòu)中T型不同參數(shù)磁芯對流量計磁場的影響特性。研究結(jié)果可為生產(chǎn)測井小管徑井水流量計T型磁芯的設(shè)計應用提供參考依據(jù)。
1 引言
近年來，井水流量計的勵磁結(jié)構(gòu)況備受研究人員的關(guān)注。金寧德等人對外流式的井水流量計的磁場分布情況進行了仿真研究，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結(jié)構(gòu)進行建模并開展研究，杜勝雪、孔令富等人對井水流量計矩形與鞍狀線圈磁場的數(shù)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(yōu)化，徐立軍等人對多電極井水流量計勵磁線圈的進行了優(yōu)化與設(shè)計，張小章對井水流量計磁場也進行了設(shè)計與研究。在一些特殊的工況領(lǐng)域下，如何設(shè)計井水流量計一直是工程技術(shù)人員研究的熱點問題，生產(chǎn)測井中特殊工況環(huán)境下如何設(shè)計井水流量計傳感器結(jié)構(gòu)一直是石油生產(chǎn)測井領(lǐng)域研究的問題，王月明等人提出了電磁相關(guān)法流量測量傳感器解決了生產(chǎn)測井中油氣水三相流流量測量問題。另一方面生產(chǎn)測井空間狹小，需要構(gòu)造特殊的井水流量計傳感器，本文提出了一種勵磁結(jié)構(gòu)的磁芯設(shè)計為T型的井水流量計，使得有限的空間下井水流量計的勵磁線圈空間增大，進而增強測量管道中(測量區(qū)域)磁場強度，使兩端電極感應信號變大，有助于信號的獲取，為有限空間下的井下小管徑集流式井水流量計實現(xiàn)提供可能。同時，對井水流量計勵磁結(jié)構(gòu)中T型磁芯參數(shù)進行研究，獲得不同T型磁芯對測量管道中磁場產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果可為應用在一些特殊場合中具有T型磁芯的井水流量計實現(xiàn)提供參考依據(jù)。
1、T型磁芯結(jié)構(gòu)
T型磁芯是為較小的空間下實現(xiàn)盡可能大的勵磁線圈而提出的，如圖1所示為較小空間結(jié)構(gòu)下，設(shè)計有T型磁芯的井水流量計傳感器截面圖。在圖中1表示線圈位置；2表示磁芯位置；3表示電極及其固定器件位置；4表示襯里位置；5表示內(nèi)徑壁位置；6表示外徑壁；7表示測量管道(測量區(qū)域)。如圖1所示井水流量計勵磁結(jié)構(gòu)磁芯造型近似為T型(因稱為T型磁芯)，磁芯在靠近井水流量計內(nèi)管道時為T型磁芯的較長端。如圖中所示，T型磁芯較長端與x軸夾角為a，T型磁芯較短端與x軸夾角為b，T型磁芯較長端寬度為k1，T型磁芯較短端寬度為k2。

2、磁場評價指標
為了詳細的獲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(nèi)部磁場強度分布的影響情況，引入樣本平均值、樣本標準差、變異系數(shù)、磁場均勻度、感應電勢值等磁場評價指標分析傳感器勵磁線圈不同軸向長度時測量區(qū)域內(nèi)部磁場分布情況，如式(1)所示。式中，B為樣本平均值；B s為樣本標準差；B cv為樣本磁場均勻度；B c為樣本變異系數(shù)。在這4個磁場評價指標中，樣本平均值越大越好，樣本標準差越小越好，磁場均勻度越大越好，變異系數(shù)越小越好。

式中，S均勻為測量區(qū)域任意一點磁感應強度與珔B之比在95%至105%的面積和，S測量區(qū)域為測量區(qū)域的總面積。由Maxwell方程及在一定的假設(shè)條件下，可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是兩電極的電勢差；A表示對所有空間積分；L為絕緣管道筒長一半；r為流量計截面管半徑；矢量珗B是導電流體的流速；B是磁感應強度；W為矢量權(quán)重函數(shù)，它是一個只由井水流量計本身結(jié)構(gòu)決定的量。由(2)式可知，只要確定了流體的流速V、磁感應強度B、以及權(quán)重函數(shù)W，以及流量計管徑半徑，就可以求流量計的感應電勢差。
3、仿真實驗
仿真實驗中，設(shè)定a分別為23°，30°，35°，40°，45°，50°，設(shè)定b小于等于a，根據(jù)實際情況設(shè)定角度分別為8°，16°，23°，30°，35°，40°，45°，50°。仿真實驗中設(shè)定T型磁芯較長端寬度為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2/3時的情況)分別考查不同參數(shù)情況下T型磁芯構(gòu)建的勵磁結(jié)構(gòu)對井水流量計測量區(qū)域中產(chǎn)生的磁場影響情況。

如圖2所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)在井水流量計測量區(qū)域產(chǎn)生磁場強度分布仿真圖。由于篇幅原因，這里只顯示了k1/(k1 + k2)為1/2，b 為23°的仿真圖。圖2(a)，(b)，(c)，(d)分別顯示的是a為23°，30°，40°，50°時井水流量計測量區(qū)域截面磁場仿真圖，從仿真圖中可以發(fā)現(xiàn)當磁芯所占空間減小，勵磁線圈空間增大時，流量計內(nèi)部測量區(qū)域中的磁場強度總體上有所增加。在仿真實驗中，將所得的仿真數(shù)據(jù)保存，對其運用磁場評價指標進行下一步的數(shù)據(jù)分析。
4、實驗數(shù)據(jù)分析
為了考察不同T型磁芯結(jié)構(gòu)對井水流量計測量區(qū)域磁場強度的分布情況影響，仿真實驗中獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果運用公式(1)井水流量計磁場強度分布評價指標進行分析，以獲得井水流量計不同T型磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)對流量計測量區(qū)域的磁場強度分布影響，從而為井水流量計T型磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計給出指導性的意見。

如圖3所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下測量區(qū)域產(chǎn)生磁場感應強度平均值，圖中橫坐標為T型磁芯b的角度，縱坐標為測量區(qū)域的平均磁場強度，圖標表示的是T型磁芯的不同a的角度以及磁芯長端寬度所占的比例。其中以“角度-比例”表示，例如30－1/2表示T型磁芯的較長端角度a為30°，k1/(k1+k2)為1/2時的測量區(qū)域中平均磁場強度測量結(jié)果。圖標Other為T型磁芯較長端的角度a與較短端的角度b相等(即為23，30，35，40，45，50)時的流量計測量區(qū)域中的平均磁場強度。從仿真結(jié)果可以看出：T型磁芯的較長端的角度a越小，流量計測量區(qū)域中平均磁場強度越大；在T型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，流量計測量區(qū)域中平均磁場強度越大；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(qū)域中平均磁場強度越大。

如圖4所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下測量區(qū)域產(chǎn)生磁場感應強度標準差，圖中橫坐標為T型磁芯b的角度，縱坐標為測量區(qū)域磁場強度的標準差，圖標圖例與圖3中一致。從仿真結(jié)果可以看出：T型磁芯的較長端的角度a越小，流量計測量區(qū)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型磁芯的較短端的角度b越小，流量計測量區(qū)域中磁場強度標準差越大；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(qū)域中磁場強度標準差越大。

標準差代表磁場測量區(qū)域的磁場分布波動性較大，因而需引入變異系數(shù)對測量區(qū)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(jié)構(gòu)下測量區(qū)域磁場感應強度變異系數(shù)，圖中橫坐標為T型磁芯b的角度，縱坐標為測量區(qū)域磁場強度分布的變異系數(shù)，圖標圖例與圖3中一致。從仿真結(jié)果可以看出：T型磁芯的較長端的角度a越小，流量計測量區(qū)域中磁場強度變異系數(shù)越大；在T型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，流量計測量區(qū)域中磁場強度變異系數(shù)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(qū)域中磁場強度變異系數(shù)越大。異系數(shù)越大說明磁場分布越不均勻，波動性越大；異系數(shù)越小說明磁場分布趨向均勻。下面通過計算測量區(qū)域中的磁場均勻區(qū)域來對這一結(jié)果進一步的分析。

如圖6所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下測量區(qū)域磁場感應強度均勻區(qū)域面積，圖中橫坐標為T型磁芯b的角度，縱坐標為測量區(qū)域磁場強度分布的均勻區(qū)域面積，圖標圖例與圖3中一致。從仿真結(jié)果可以看出：T型磁芯的較長端的角度a為越小，流量計測量區(qū)域中磁場強度均勻區(qū)域面積越大；在T型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，流量計測量區(qū)域中磁場強度均勻區(qū)域面積越大；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(qū)域中磁場強度均勻區(qū)域面積越大。

上面對不同T型磁芯結(jié)構(gòu)對流量計測量區(qū)域內(nèi)部磁場分布影響進行了研究，下面通過電極兩端感應信號如公式(2)對井水流量計T型磁芯結(jié)構(gòu)對流量計測量結(jié)果的影響進行研究。如圖7所示為不同T型磁芯結(jié)構(gòu)下井水流量計感應信號。圖中橫坐標為T型磁芯b的角度，縱坐標為井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的角度，仿真中k1/(k1 + k2)為1/2。仿真實驗中虛線為仿真流體為湍流情況下獲取的感應電勢差，實線為流體為層流情況下獲取的感應電勢差。
從仿真結(jié)果可以看出：T型磁芯的較長端的角度a越小，流量計電極兩端獲得的感應信號越大；在T型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，流量計電極兩端獲得的感應信號越大。這主要是因為井水流量計勵磁線圈的增加，使得流量計測量區(qū)域的磁場強度增加，同樣分布的流速下使得流量計電極兩端的感應信號增加。

仿真實驗證明在有限的空間下，修改T磁芯的不同參數(shù)，可以增加流量計測量區(qū)域內(nèi)部的磁場分布情況，也可以適當?shù)恼{(diào)整流量計測量區(qū)域中的磁場強度與均勻度，根據(jù)生產(chǎn)測井中的實際工況，改變井水流量計的T磁芯參數(shù)獲得設(shè)計參數(shù)。
5、結(jié)論
井下集流型井水流量計在油氣井測量方面有廣泛的應用前景，針對生產(chǎn)測井特殊工況下提出具有T型磁芯的勵磁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)井水流量計的磁場分布計算機仿真模型，并通過各種性能指標的分析，獲得該T型磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計指標與流量計測量區(qū)域中磁場分布關(guān)系，為擁有T型磁芯結(jié)構(gòu)的勵磁結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供參考依據(jù)。