張 閃郭海敏董 勇李新城

(1.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學) 湖北荊州) (2.長江大學地球物理與石油資源學院 湖北荊州)

基于ANSYS的多相流測井傳感器電磁場仿真研究

張 閃1郭海敏2董 勇2李新城2

(1.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學) 湖北荊州) (2.長江大學地球物理與石油資源學院 湖北荊州)

多相流電容層析成像測井技術可用于石油管道內的多相流檢測,為解決生產(chǎn)測井中油氣水持率的測量等問題提供了一條有效的途徑。在該技術研究中,測量電磁場是優(yōu)化設計儀器和研究圖像重建算法的前提工作。為了考察多相流電容測井傳感器的電磁場分布,文章利用ANSYS軟件仿真計算測井傳感器電磁場,仿真結果表明,在任意兩個電極間最好加個徑向屏蔽極板,以減少傳感器電極之間電容測量的干擾;距離激勵電極越遠處,電勢和電場強度越弱。

多相流;測井;ANSYS;層析成像;仿真

0 引 言

多相流電容層析成像測井技術是通過測量石油管道內多相流體表面電極之間的電容值來計算流體內部介電常數(shù)的空間分布,這種技術可提供常規(guī)儀器無法探測的封閉石油管道中油氣水的濃度、成分分布、運動狀態(tài)等可視化信息,與其它測量技術或儀器相配合還可應用于多相流總流量、分相流量以及流速的實時檢測,為解決生產(chǎn)測井中油氣水持率的測量等問題提供了一條有效的途徑。為了考察多相流電容測井傳感器的電磁場分布,本文應用國際上流行的處理有限元問題的軟件ANSYS進行分析,它具有強大的后處理模塊,可以將有限元問題的分析結果以圖形、圖表形式輸出,尤其是在電磁領域可以清晰展示場域的電勢分布、電場強度分布,為產(chǎn)品的優(yōu)化設計提供參考。下面應用ANSYS的靜電場分析模塊,以12電極的多相流電容層析成像測井傳感器為分析對象,對傳感器的電磁場進行仿真研究。

1 多相流電容層析成像測井系統(tǒng)的基本原理和數(shù)學模型

多相流電容層析成像測井系統(tǒng)主要由電容傳感器、數(shù)據(jù)采集及信號處理、圖像重建三部分組成,如圖1所示。在絕緣管道外壁均勻安裝12對金屬電極板,外面采用屏蔽罩屏蔽,這構成了電容傳感器部分。管道內多相流體各分相介質具有不同的介電常數(shù),當流體的各相濃度及其分布發(fā)生變化時,會引起多相流混合體等價介電常數(shù)的變化,從而使12個極板間的測量電容值隨之發(fā)生變化,電容值的大小反映了多相流各相濃度的大小和分布狀況[1]。數(shù)據(jù)采集控制單元對任意一對極板間的電容值進行采樣,將這些數(shù)據(jù)處理后送往計算機,通過計算機采用某種圖像重建算法進行圖像重建,便可以得出石油管道內多相流體的流動圖像,進而研究多相流體的各相分布、持水率、分相速度、分相流量等信息。

圖1 12電極多相流電容層析成像測井系統(tǒng)

假設傳感器空間的自由電荷為零,則多相流電容層析成像測井系統(tǒng)的數(shù)學模型可由泊松方程表示如下:

式(1)中 ,ε0為真空介電常數(shù),ε(x,y)和 ▽φ(x,y)分別為測井傳感器截面上的介質相對介電常數(shù)分布和電勢分布。當極板 i是源電極(激勵電極)時,相應的邊界條件是:

其中Γ1,Γ2,…,Γ12代表12個電極板所在的空間位置;Γs是外屏蔽罩所在的位置;Γrs是12個徑向屏蔽極板所處的位置。由電磁場理論知電場強度 E(x,y)滿足如下關系:

2 基于ANSYS的多相流測井傳感器電磁場仿真計算過程

多相流電容測井傳感器的電勢分布可由方程(1)加邊界條件(2)確定,但該方程無解析解,只能通過有限元方法求出其數(shù)值解。利用ANSYS的靜電場分析模塊,首先可求出各個節(jié)點的電勢值,然后再從求得的各節(jié)點電勢利用后處理模塊求出場域的電場強度分布。其具體仿真計算過程如下[2～4]:

(1)啟動ANSYS應用程序:選擇路徑,定義文件名、標題名,選定 Electric靜電場分析模塊,進入電場計算分析環(huán)境。

(2)定義單元類型:選擇二維實體單元PLANE121作為仿真計算單元。

(3)定義材料屬性:傳感器有三種電介質材料:空氣、管壁(有機玻璃)、屏蔽層。其相對介電常數(shù)分別為1、5、4。選擇MainMenu>Preprocessor>MaterialModels>Electromagnectics>RelativePermittivity>Contast,在PERX項輸入1,然后再定義材料2、3,分別在PERX項輸入 5、4。

(4)建立模型:仿真設計參數(shù)主要有:管道內徑 r1=40mm,外徑 r2=44mm,屏蔽罩半徑 r3=50mm,極板張角θ=26°,極板寬2mm,極板間相隔4°均勻的分布在絕緣管道外壁上。

(5)賦予屬性:選擇MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshAttribute,將已定義的三種材料屬性賦予到相應的組件上。

(6)劃分網(wǎng)格:利用ANSYS的MeshTool工具可對模型各組件按需要進行網(wǎng)格剖分,由于越靠近電極敏感場越強,所以在管道內區(qū)域采用單元邊長為4的映射剖分方式,而在管壁和屏蔽層采用單元邊長為3的自由剖分方式。又由于截面是圓形區(qū)域,采用三角形剖分更便于邊界的處理。剖分結果如圖2所示。

(7)施加邊界條件和載荷:選擇MainMenu>Preprocessor>Solution>DefineLoads>Apply>Electric>Boundary>Voltage,給任一電極加載10V電壓,其余測量電極和屏蔽罩上加載0V電壓。

(8)求解:選擇MainMenu>Preprocessor>Solution>Solve>CurrentLS,自動完成求解。

圖2 多相流測井傳感器模型網(wǎng)格剖分圖

(9)解后處理:直接計算結果主要是場域內各節(jié)點的電勢分布和電場強度矢量分布(由(3)式得到)。選擇MainMenu>>GeneralPostproc>PlotResult>ContourPlot/VectorPlot,利用ANSYS的后處理模塊,可得到多相流測井傳感器的等勢云圖和多相流測井傳感器的橫截面電場線矢量圖如圖3和圖4所示。

圖3 多相流測井傳感器二維等勢云圖

圖4 多相流測井傳感器橫截面電場線矢量圖

選擇MainMenu>GeneralPostproc>ParhOperation,定義路徑,本文在靠近激勵電極處和遠離激勵電極處分別選定一點,定義一條直線路徑,并將電勢分布值和電場強度分布值都映射到該路徑上,圖形顯示結果如圖5所示。

圖5 選定路徑上的電勢分布圖(a)和電場強度分布圖(b)

3 結 論

(1)利用ANSYS的MeshTool工具進行網(wǎng)格剖分可以根據(jù)需要設定單元類型、單元邊長、剖分方式等,比手工編程要方便快捷。

(2)由圖3可見,激勵電極旁邊的檢測電極的電場強度易受激勵電極的影響,所以在任意兩個電極間最好加個徑向屏蔽極板,以減少測井傳感器電極之間電容測量的干擾。

(3)由圖5可見,距離激勵電極越遠處,電勢和電場強度越弱。

利用ANSYS軟件對多相流測井傳感器的電磁場進行仿真研究,得到傳感器的電勢分布和電場強度分布,為儀器的優(yōu)化設計和下一步的圖像重建提供了基礎。

[1] 陳德運,李謀遵.油水兩相ECT系統(tǒng)電場特性數(shù)值分析及參數(shù)優(yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學報,2007,19(7)

[2] 閻照文.ANSYS10.0工程電磁分析技術與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2006

[3] 李黎明,等.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京:清華大學出版社,2005

[4] 楊玉蘭,黃 民.基于ANSYS的ECT系統(tǒng)傳感器電容值的仿真研究[J].電子測量技術,2007,30(3)

P631.8+1

B

1004-9134(2010)02-0014-03

2009-07-11 編輯:梁保江)

張 閃,男,1985年生,碩士研究生,主要從事生產(chǎn)測井儀器與軟件研究工作。郵編:434023