石油“三采”中聚合物溶液流量计量误差的原因与修正装置的研究

1、石油“三采”中聚合物溶液流量计量误差的原因与修正装置的研究黑龙江省科技重点攻关基金 项目编号：GC08A104孙作达1，吴凯滨2，郑培智3，刘峻峰1，曲新1 （1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院 黑龙江 哈尔滨150090；2.哈尔滨物业供热集团道理房产经营公司 黑龙江 哈尔滨 150000；3.黑龙江省农垦总局牡丹江分局直属城管局 黑龙江 牡丹江 158308）概述：论文采用理论公式推导出了石油三采工艺中常见的电磁流量计计量误差原因，并探讨研制了解决的方法和装置，该方法和装置利用电磁感应磁化检测原理和技术，动态在线检测聚合物的磁化性质和电导率，检测信号经过计算机数据处理可以直接反映修正后真实

2、流量和总容积，同时还可以动态检测聚合物溶液的品质、溶解水平黏度多项指标。实验结果表明，该方法和装置可以提高电磁流量计的计量精度，显示溶液的综合品质变化。关键词：聚合物驱油溶液的流量计量、电磁流量计计量误差、流量计量误差修正、电磁感应磁化检测技术、动态检测溶液品质质量。中图分类号；O561.2 文献标识码：A 文章编号：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，聚合物溶液流量的计量误差直接影响注入量，而注入量与采出率有直接的关系。目前，油田普遍采用电磁流量计计量聚合物溶液流量，但是在实际应用中发现，电磁流量计计量误差高达7-5%，而且流量显示值出现跳跃不稳定的现象。这些问题严重的影响到石

8、油的采出率并增加了采油成本。本文通过理论分析和实验表明：聚合物溶液的非均质非连续性所形成的聚合物溶液磁化性质和导电性质随机变化是造成误差的主要原因。本文还探讨了解决的方法，并讨论了修正装置的原理与结构，该装置还可以同时检测液流溶液的综合品质以及黏度。溶液综合品质是指溶剂与溶质的质量、溶液的均质水平、溶液浓度、溶液密度等“叠加综合指数”。一、误差产生的原因分析 依据电磁流量计的原理公式： qvD2/4D/4e/B   （1）在公式（1）中为管道截面上的平均流速、qv为管道的体积流量、B为励磁磁场强度、D为管道直径、e为感应电动势。满足公式（1）有两个必要条件，一是励磁磁场强度

9、B为常数量；二是液流溶液具有良好的导电性，而且其值是唯一恒定的。如果聚合物溶液的磁化性质和导电性质是随机变化的，就不能保证这两个必要的条件，电磁流量计就会出现误差。我们就油田应用的聚合物（聚丙烯酰胺）溶液这两个性质进行了实验检测，检测结果表明（见表1）：不同分子量和不同浓度的聚合物溶液，其磁化率性质和电导率性质具有明显差异。依据结构化学中的分子磁化性质理论，聚合物溶液在电磁流量计励磁磁场的作用下会发生磁化，磁化后则会产生附加磁场强度H"，它与外磁场强度H是成正比的。即： H" = H (1)公式(1)中的称为磁介质的体积磁化率。磁化率是物质的必有属性，不同的稳定物质在其相对

10、稳定的环境中磁化率性质是唯一确定的。介质在外磁场的作用下发生磁化，其磁场强度H等于外磁场强度H与磁介质发生磁化后自己所产生的附加磁场强度H"叠加的算术和。即： H = H+ H" 因为 H" = H所以 H = H+ H= H（1+）= H = 1+ (2) 公式(2)中表示介质的磁导率。表1 Table 1 Title名 称浓度（50mg/l）磁化率浓度（25mg/l）磁化率浓度（12.5mg/l）磁化率浓度（50mg/l）电导率浓度（25mg/l）电导率浓度3（12.5mg/l）电导率水111 160160160800万分子量聚丙烯酰氨0.84680.8901

11、0.89889005803801400万分子量聚丙烯酰氨0.80120.83630.85017004552802000万分子量聚丙烯酰氨0.75810.78560.8002205195180注：表中溶液磁化率的数值是电导率为160水的百分比值 由于具体工艺技术问题，动态配制大量的聚合物溶液是不可能作到完全均质的。这样在管道中的聚合物液流浓度和质量水平就不可能是连续唯一的。因此，聚合物溶液在管道中的液流磁化性质和导电性质是随浓度而变化的。聚合物溶液的磁化性质变化将改变原励磁磁场的强度；而导电性质的变化将改变电磁流量计感应电动势的电压值，这就造成了电磁流量计在应用中的计量误差和显示值跳跃不稳定的现

12、象。造成电磁流量计误差的原因还有：电磁流量计出厂时是以自来水进行实流效验和标定的，而自来水与聚合物溶液的磁化率和电导率不同。二、修正误差的机理与装置设想，动态连续检测聚合物溶液的磁化率和电导值并加以数据处理就可以修正电磁流量计的误差。我们利用电磁流量计的电极作为电导电极，其电器设置借用了常规的电导率仪结构，输出的电信号经过数据处理后，将修正的数值直接显示在电磁流量计的一次仪表盘上。物质磁化率的动态检测经过国内外查新检索，没有相关技术可以借鉴，因此我们发明研制了电磁感应磁化动态检测装置，其原理如下。在结构化学中磁化率是用摩尔分子磁化率xm表示的，即： xm =Vm = M/ =/ M (3)所以

13、 = xm/Vm= xm/M (4) 上述公式中Vm表示介质的摩尔体积，表示密度，表示体积磁化率，M表示介质的分子量(或原子量)。公式(4)说明体积磁化率与样品的分子量M、摩尔磁化率xm、摩尔体积Vm以及密度等介质的分子性质具有对应的函数关系，在M、xm、Vm、确定了以后，是唯一确定的。由此也说明：不同分子量的聚合物溶液其磁化率性质是不同的。设有二组相互同心平行设置的空心线圈，在线圈1内通有电流i1、产生的感应磁场强度为B、二组线圈的芯内充满磁导率为的动态液流样品，则通过线圈2的磁通就是：21= Br2=r2ni1依据互感定义，线圈1对线圈2的互感系数为： M21= 21/i1=r2n由于线圈

14、1对线圈2的互感系数等于线圈2对线圈1的互感系数，即： M21 = M12 = N 所以N = r2n (5)以上公式中N表示二组线圈的互感系数、r表示线圈的半径、n表示线圈的匝数。公式(5)说明在确定了线圈的直径和匝数以后，二组线圈之间的互感系数与二组线圈空芯内液流样品的磁导率是成正比函数关系的。依据法拉第电磁感应定律：N= -N= -r2n 因为线圈的电流变化速率、线圈空心的截面积r2以及匝数n是已经确定了的常数。设E = -r2n所以N= -N= -r2n= E (6) 公式(6)说明互感电动势的大小在确定了常数项E以后与空心线圈内的液流样品磁导率具有对应的函数关系。因为=1+ 所以N=

15、 E=E（1+） (7) 公式(7)说明确定了常数项E，互感电动势的值与空心线圈内液流样品的磁化率性质具有确定的对应函数关系。三、流量修正装置的结构由于溶液磁化率与溶液的密度、分子量、摩尔体积相关，因此“电磁感应动态磁化检测装置”具有同时动态检测溶液的溶解、质量水平变化的功能。经过聚合物分子量的曲线标定，该装置还可以动态检测溶液黏度。 图1用于检测聚丙烯酰胺溶液的电磁感应动态磁化分析装置结构示意图(图1)如下；该装置主要由（1）感温系统（2）数据处理记录系统、（3）初级电压供电和初级线圈系统（4）次级电压供电和次级线圈系统（5）电导率检测系统组成。系统在工作时，三组初级线圈由可调节变频供电系统

16、提供可调节频率和强度的脉冲电源，在高磁阻进样管内产生脉冲磁场。在脉动磁场的感应下二只次级感应电磁线圈将产生互感电动势，当样品从高磁阻管道进入并充满管道内的空间时，由于不同样品的磁化率、磁导率、磁滞特性不同，会改变高磁阻进样管内的磁通量，从而改变二只次级线圈的互感电动势，使原电平产生变化，检测二组次级感应电磁线圈的互感电动势响应值，经过数据处理系统分析就可以计算管道内溶液的磁化性质、以及溶液的质量水平。四、实验条件与实验装置 我们采用图2的实验装置进行了聚合物溶液的流量计量实验，实验条件和说明如下、实验结果见表2。电磁流量计型号：ND40水质：水温210C；电导值160；Ph7聚丙烯酰胺试剂：分

17、析纯、800、1400、2000万分子量单位溶液浓度：25mg/l、50mg/l溶液容积：1m3、容积计量精度±0.5l。 图2实验说明：（1）为防止溶液发生磁化而影响磁化率检测，将电磁流量计设置在修正装置的后面。（2）为了防止聚丙烯酰胺溶液的分子结构破坏液流动力采用气压方式。在相同的环境条件下采用DN40型的电磁流量计量水、800万分子量聚丙烯酰胺溶液、1400万分子量聚丙烯酰胺溶液、2000万分子量聚丙烯酰胺溶液，电磁流量计经过修正前后所显示的1小时计量情况如表2。表2 Table 2 Title名 称浓度50mg/l修正前1小时容积浓度50mg/l修正后1小时容积浓度25mg/

18、l修正前1小时容积浓度25mg/l修正后1小时容积 水1000100010001000800万分子量940100096410001400万分子量928100094210002000万分子量899999.5919999.5五、结论通过公式推理和实验表明：高聚物的分子量与电导率成反比；高聚物溶液的浓度与电导率成正比。高聚物的分子量和浓度越高、磁化率越低。正是高聚物的这些性质导致了电磁流量计的误差和不稳定现象。实验还表明：经过电磁感应磁化动态检测装置修正聚合物溶液的磁化率和电导率误差后，可以显著的提高电磁流量计计量溶液流量的计量精度，缓解显示值跳跃不稳定的现象，同时还可以动态检测溶液的综合质量水平。参考文献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 王启民,冀宝发,隋军,