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油田提高原油采收率采用注聚合物驱油技术是非常重要手段之一,注聚合物驱油原理是提高注入粘弹性聚合物溶液流体粘度,增大聚合物流体平面及纵向波及面积,减少注入流体在高渗透率地层中的窜流,提高岩芯微观驱油效率,最终达到减少残余油饱和度与提高原油采收率目的。为使聚合物溶液进入预先设定油层并能得到一个较为均匀的聚合物驱前缘,需要准确确定从注聚井中进入各油层聚合物的注入量,所以,注聚井中流量测量是注聚三次采油技术中一项重要测试内容。由于电磁流量计无转动部件,实际测试时不破坏聚合物分子结构,对测试环境无放射性污染且不受聚合物溶液粘度和密度影响,所以,大庆油田在注聚井中推广使用了外流式四电极电磁流量计测井方法。自早期电磁流量计基本理论建立以来,虽然电磁流量计在理论及技术上有了很大发展,但是,由于影响电磁流量计测量精度因素很多,从流场及磁场分布角度综合分析电磁流量计响应特性仍然是值得研究领域,尤其是近年来随着计算流体力学及电磁场有限元分析技术迅速发展,为解决复杂流动及磁场分布条件下的电磁流量计响应预测问题提供了良好机遇。由于仪器倾斜与偏心、流体电磁特性变化等因素都会给电磁流量计响应带来影响,这些测井环境因素对电磁流量计响应影响需要从数值模拟角度给予理论分析,从而为注聚井中电磁流量计流量测井提供理论分析基础。本文重点分析了四电极电磁流量计磁场分布特性,考察了四电极电磁流量计权重函数分布,并分析了仪器偏心及流体磁导率变化因素对磁场分布特性影响,为正确理解四电极电磁流量计测量特性提供了理论分析方法。1、注聚井中四电极电磁流量计 图1为外流式四电极电磁流量计测井仪器示意图。仪器由上下扶正器、传感器、电路筒及电池仓等部分组成,其中传感器是流量计的核心部分,上下扶正器用于在测量时使流量计居于套管中央位置。四电极电http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018811.gif磁流量计采用四个均匀相隔分布排列的励磁线圈及四个测量电极,相对于单对电极的电磁流量计而言,这种励磁结构的磁场分布相对比较均匀,有利于减小由于磁场分布不均匀所带来的测量误差。传感器部分主要由磁路系统、测量导管、电极、外壳、干扰调整装置及若干引线组成。仪器采用外流式结构。仪器结构尺寸为:仪器外径为35mm,其中测量电极段外径为33.8mm,传感器长度为44.5mm。仪器总长度为1200mm。http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018812.png图1 外流式四电极电磁流量计测井仪器图 2 四电极电磁流量计测量区域内磁场分布 为获得测量区域内磁场分布,采用ANSYS商用有限元分析软件对电磁流量计磁场分布特性进行仿真。由麦克斯韦方程导出的3分量矢量泊松方程如下: http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018813.png 对于本文所使用的二维平面场(X-Y平面),矢量磁势http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018814.png和电流密度http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018815.png相互平行且只有z方向分量,即:Ax=http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018816.png则由(3)式可得: http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018817.png (4) 所用模型中介质为线性介质,磁导率μ为一常数,故上式可简化为: http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018818.png (5) 在使用ANSYS有限元计算时,自由度为磁势,施加载荷时只要在各线圈上施加电流密度值即可。模型有两种边界条件:(1)Dirichlet条件(AZ约束):磁通量平行于模型边界;(2)Neumann条件(自然边界条件):磁通量垂直于模型边界。第二种条件为默认的边界条件。对于电磁流量计在管道中的模型,只需满足自然边界条件。故施加了电流密度后,即可进行计算。在施加电流密度时,可用下式计算: http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/34018819.png (6)式中:http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/340188110.png为电流密度;n为线圈的匝数;http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/340188111.png为通入线圈的电流;a为线圈的横截面积。 在ANSYS环境下用有限元法求解的关键是对模型进行网格划分。图2(a)为用于磁场计算建立的分区介质模型,图2(b)为磁场计算网格剖分模型,可以看出:在靠近线圈和电极的部分网格剖分较密,而在其它部分则较稀疏,划分后网格划分单元数为3577。在进行有限元分析时,需要给每种材料施加磁导率属性,图2(a)中将六种不同属性材料用不同颜色显示出。http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/340188112.png图2 仪器在油管中磁场分析模型及网格剖分图 模型中有六种不同的材料:填料、线圈、电极、1Cr18Ni9Ti、聚四氯乙烯衬里、流体(可假定为水)。将六种不同属性的材料用不同颜色显示设置好各种材料的磁导率,施加电流密度后,即可计算磁场分布。由于仪器结构尺寸非常对称,仪器位于管道中心,通电后四个线圈相当于交替放置的N极与S极,故产生的磁场也是对称分布的。流体从仪器与油管环形空间流过,切割磁力线产生感生电势,通过四个对称分布的电极即可进行测量。 磁场仿真计算结果如图3所示,从图中可以看出:http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/340188113.png图3 仪器与油管环形测量区域磁场分布图 在仪器与油管环形空间内磁场几乎是均匀分布的,尤其是在靠近仪器探头表面区域磁力线分布更加密集均匀,所以,该部分应有较高测量灵敏度。整体上说四电极电磁流量计具有较均匀的磁场分布特点,这有利于四电极电磁流量计聚合物流量测量。 3 仪器偏心对磁场分布影响 在仪器使用过程中,由于各种环境因素的影响,有时仪器并不一定处于管道中心位置,而会偏离中心一定的距离,此时激励线圈产生的磁场在管道内分布情况也发生变化。图4为仪器在管道中向右偏心1mm、2mm、3mm、4mm时磁通线分布,可以看出:当仪器偏离中心位置时,仪器与油管环形空间内磁通线呈非对称分布;随着仪器向右继续偏移,右边磁通线分布明显密集,而左边则分布明显稀疏。http://www.kfll.cn/up_files/image/Article/2011/10/17/340188114.png图4 仪器偏心时磁通线分布图 因此,井下四电极电磁流量计用于测量时,仪器应尽量在井内保持居中位置,只要仪器发生偏心,在管道中激励磁场分布就会发生变化,随之电磁流量计权重函数分布也就会发生变化,进而流体切割磁力线时产生的感应电势发生变化,最终导致仪器测量结果因偏心产生较大误差。 4 流体磁导率对磁场分布影响 磁性是一切物质都具有的属性,物质的磁性与原子、
2016国产磁测量好仪器系列之五:磁场测量扫描成像系统F-30原创:李响、杨文振、薜立强、冀石磊、郑文京 工程师,北京翠海佳诚磁电科技有限责任公司推荐:陆俊 工程师,中科院物理所磁学室2016年10月28日一句话推荐理由:国产半导体器件的骄傲之作应用在中强磁场测量上的好仪器。一、引言 磁场无形,但又无处不在,无时无刻不在直接或间接的影响着我们的生活,比如地磁、磁卡、电机、变压充电器、电磁炉、微波炉、手机、磁盘、钞票、耳麦、磁悬浮列车、核磁共振成像仪这些让我们每天都在和各种各样的磁场打交道,然而对于磁场如何衡量,如何产生如何测量恐怕较少有人去关注,简单概括几点:一是磁场的单位,常用的单位是奥斯特,国际单位安每米比较小(1 Oe ~ 79.6 A/m),注意严格来讲不要将单位表达成高斯或特斯拉这两个磁感应强度单位,因为磁场强度和磁感应强度概念上完全不同,尽管二者可根据(经常以空气或真空的)磁导率相互变换,即1奥斯特磁场在真空或空气中诱导的磁感应强度为1高斯或万分之一特斯拉。二是磁场的产生,首先地球是跟我们关系最密切的磁场源,地表磁场大约为0.5奥斯特,随纬度升高有缓慢增强趋势;其次是为了产生变化磁场,可以通过永磁体机械组装的方式,也可以使用线圈中通过电流的方式,根据线圈材料或结构的不同可以形成不同类型的通电线圈磁场源,比如超导线圈在不消耗能量情况下维持100kOe以上的磁场,高强度导电材料及结构制成的1MOe以上的脉冲强磁场;还有一种和磁场产生相反,要尽可能减少磁场,以防止地球磁场或其他干扰磁场对精密传感器造成不利影响,破坏极端条件探索、精密标定测量等任务,这时要用到消磁措施,可以使用主动电流对消与被动屏蔽两种方法,综合利用消磁技术,我们可以获得比地磁场弱10个数量级的洁净磁场环境。三是磁场的测量,相比产生技术方法,磁场测量要复杂得多,其类型有电磁感应、霍尔、磁阻、磁电、磁光、磁致伸缩、磁共振及非线性磁效应等基本原理,其中值得一提的几个包括最通用且测量范围最广的感应线圈磁探测器、前沿科学探索中常用的超导量子干涉仪(SQUID)、地磁或空间磁场探测中常用的磁通门或原子光泵磁力仪、智能手机里植入的各向异性磁阻AMR芯片、磁场计量常用的核磁共振磁力仪以及跟电磁相关的生产及科研任务中常见的中等强度磁场(地磁场上下四个数量级之间)测量上最常见最常用的霍尔磁场计。以上关于磁场的量级、产生与测量方法比较汇总于图1,在中等磁场强度测量应用最广泛的为霍尔传感器,虽然它没有核磁共振磁力仪ppm级的高精度,但它同时具备足够的精密度(通常约千分之一)、高空间分辨、高线性度、单一传感器宽测量范围、成本又相对较低等明显优势,因而市面上高斯计、特斯拉计等中等强度磁场测量仪绝大多数基于霍尔传感器,本文介绍的磁测量产品也基于霍尔磁场计,在前述磁相关的器件及应用产品的质量控制、监护与升级过程中扮演着不可缺少的角色。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/11/201611101944_616260_0_3.png图1 磁场的量级、不同产生与测量方法比较概览图二、背景中科院半导体所从20世纪80年代始研究高迁移率砷化镓(GaAs)霍尔器件,后来经过两代人的薪火传承克服半导体材料制备、内置温度补偿器件设计与测量数字化采样及软件优化上的技术难题逐渐发展成熟,最终落地北京翠海公司,形成CH-1800,CH3600等被用户认可的高斯计产品。近些年为了配合电磁制造业质量提升的业界需求,为电机磁体、核磁共振磁体空间均匀性、多级磁体分布提供系统的测量方案,翠海公司在高斯计的基础上增加无磁运动机构和软件集成,开发出F-30磁场测量扫描成像仪,照片如图2所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/11/201611101944_616259_0_3.jpg图2 F-30 型磁场测量扫描成像设备照片三、简介F-30由上位机(装有控制软件)、高精度高斯计(一维或者三维)、与高斯计搭配的探头、多维电控位移台以及位移台的控制器组成,如图3所示。简单来说可以分为两个部分,一部分只是用来采集数据,另一部分只是位移,两个部分搭配起来就组成了这个位移采集系统。位移模块由多维电控位移台和位移台控制器组成,通过操作上位机软件给控制器下命令,控制器就根据命令带动电控位移台各个轴运动,这个电控位移台的参数(台面大小、运动轴长度、运动方式、多少维度)用户可定制,即实现在允许范围内的各个角度、各种形状的扫描。 数据采集模块由高精度高斯计和与高斯计配套的探头组成,电控位移台的轴上有固定的探头夹持位置,采集数据时将探头放在夹持位置上,探头测量的数据实时上传到高斯计上,而高斯计与上位机软件通信连接,上位机则根据需要选择是否记录当前位置的数据。通过上位机软件控制位移台控制器和高斯计,可以将位移台上某个位置与高斯计读到的数据值相关联,一维高斯计读到的就是运动到的点对应的某个方向的数据值,三维高斯计则是一个点上 X 方向的值、Y 方向的值、Z 方向的值、此点上的温度(根据需要探头和高斯计中可有温度补偿功能)及三轴中两两矢量和、总矢量和的数值大小和方向夹角,扫描的数据可以导出保存在 EXCEl 中,根据位置和数据值可由软件绘制出各种需要的示意图:二维标准图、二维颠倒图、二维雷达图、三维曲线图、三维网状图、三维立体图、矢量图、圆柱展开图及多条曲线或多个立体图放在同一张图中进行对照比较。软件中还对常见的几种形状(空间磁场分布、矩形图、磁环、同心圆等)的扫描进行了集成化,只需设置几个参数便可以自动进行扫描,自由度高,精准度高,无需看管。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/11/201611101944_616261_0_3.png图3 F-30型磁场测量扫描成像仪组成框图F-30根据不同的测量件需求可以定制,磁场测量部件的主要技术指标如表1,传感器照片如图4,其测量方向、维度以及尺寸都可以根据需要定制。 关于磁场扫描成像时间,(1)常规扫描:每点扫描时间可设置,一般为保证数据的稳定性,在每点的停留时间为1~2s,总时间由测试工件尺寸和扫描步长决定;(2)快速扫描模式:在位移台运动过程中不做停留,通过高速数据采集获得每点磁场值每点测量可小于0.1s。表1: F-30磁场测量部件主要指标http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/11/201611101944_616269_0_3.jpg运动部件有三个平移与两个旋转自由度,大致示意图如图5,典型测试场景及系统软件照片如图6所示,运动部件指标表2。表2 F-30运动学指标列表http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images
微孔分布测试仪主要应用领域:催化剂,广泛用于石化、化工、医药、食品、农业、精细化工等领域;吸附剂,如活性炭、分子筛、活性氧化铝等,广泛用于环保领域;颜填料,无机颜料、碳酸钙、氧化锌、氧化硅、矿物粉等;陶瓷材料原料,氧化铝、氧化锆、氧化钇、氮化硅、碳化硅等;炭黑、白炭黑、纳米碳酸钙等用于橡塑材料的补强剂等;新型电池材料,如钴酸锂、锰酸锂、石墨等电极材料;发光稀土粉末材料;磁性粉末材料,如四氧化三铁、铁氧体等;纳米粉体材料,包括纳米陶瓷材料、纳米金属材料,纳米银粉、铁粉、铜粉、钨粉、镍粉等;其他,如超细纤维、多孔织物、复合材料、沉积物、悬浮物等 微孔分布测试仪的主要特性: 测试时间:多点BET法比表面积平均每个样品15分钟,孔径分布测试、孔隙度测试平均每个样品100分钟 主要功能:可实行BET比表面积(多点及单点)测试,Langmuir比表面积测试,炭黑外比表面积测定,吸附、脱附等温曲线测定,BJH孔径分布、总孔体积和平均孔径测定; 真空系统:极限真空度6×10-2Pa 微孔分布测试仪测量范围:比表面积≥0.01M2/g至无规定上限,孔尺寸0.7~400nm; 样品数量:可同时测定1-4个样品; 测量精度:≤±2%; 微孔分布测试仪的压力控制:高精度压力传感器,数字显示,精度0.2%,独特的充气与抽气速度自动控制系统 运行方式:高度自动化,智能化,长时间运行可以无人看管自行测试 测试气体:高纯氮气(不用氦气),氮气消耗量极小 微孔分布测试仪的吸附过程:样品不需要频繁从液氮杜瓦瓶中进出,液氮消耗极少 软件系统:在Windows平台上,提供过程控制和数据采集、处理、报告系统,多种测试方法可自由方便选择,在计算机屏幕上,同步显示吸、脱附,比表面积及微孔分布测量仪测试过程、可随时查看已完成部分的测试数据;本机软件功能强大、界面友好、兼容性高、使用方便;