基于ANSYS的多相流测井传感器电磁场仿真研究

张 闪郭海敏董 勇李新城

(1.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学) 湖北荆州) (2.长江大学地球物理与石油资源学院 湖北荆州)

基于ANSYS的多相流测井传感器电磁场仿真研究

张 闪1郭海敏2董 勇2李新城2

(1.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学) 湖北荆州) (2.长江大学地球物理与石油资源学院 湖北荆州)

多相流电容层析成像测井技术可用于石油管道内的多相流检测,为解决生产测井中油气水持率的测量等问题提供了一条有效的途径。在该技术研究中,测量电磁场是优化设计仪器和研究图像重建算法的前提工作。为了考察多相流电容测井传感器的电磁场分布,文章利用ANSYS软件仿真计算测井传感器电磁场,仿真结果表明,在任意两个电极间最好加个径向屏蔽极板,以减少传感器电极之间电容测量的干扰;距离激励电极越远处,电势和电场强度越弱。

多相流;测井;ANSYS;层析成像;仿真

0 引 言

多相流电容层析成像测井技术是通过测量石油管道内多相流体表面电极之间的电容值来计算流体内部介电常数的空间分布,这种技术可提供常规仪器无法探测的封闭石油管道中油气水的浓度、成分分布、运动状态等可视化信息,与其它测量技术或仪器相配合还可应用于多相流总流量、分相流量以及流速的实时检测,为解决生产测井中油气水持率的测量等问题提供了一条有效的途径。为了考察多相流电容测井传感器的电磁场分布,本文应用国际上流行的处理有限元问题的软件ANSYS进行分析,它具有强大的后处理模块,可以将有限元问题的分析结果以图形、图表形式输出,尤其是在电磁领域可以清晰展示场域的电势分布、电场强度分布,为产品的优化设计提供参考。下面应用ANSYS的静电场分析模块,以12电极的多相流电容层析成像测井传感器为分析对象,对传感器的电磁场进行仿真研究。

1 多相流电容层析成像测井系统的基本原理和数学模型

多相流电容层析成像测井系统主要由电容传感器、数据采集及信号处理、图像重建三部分组成,如图1所示。在绝缘管道外壁均匀安装12对金属电极板,外面采用屏蔽罩屏蔽,这构成了电容传感器部分。管道内多相流体各分相介质具有不同的介电常数,当流体的各相浓度及其分布发生变化时,会引起多相流混合体等价介电常数的变化,从而使12个极板间的测量电容值随之发生变化,电容值的大小反映了多相流各相浓度的大小和分布状况[1]。数据采集控制单元对任意一对极板间的电容值进行采样,将这些数据处理后送往计算机,通过计算机采用某种图像重建算法进行图像重建,便可以得出石油管道内多相流体的流动图像,进而研究多相流体的各相分布、持水率、分相速度、分相流量等信息。

图1 12电极多相流电容层析成像测井系统

假设传感器空间的自由电荷为零,则多相流电容层析成像测井系统的数学模型可由泊松方程表示如下:

式(1)中 ,ε0为真空介电常数,ε(x,y)和 ▽φ(x,y)分别为测井传感器截面上的介质相对介电常数分布和电势分布。当极板 i是源电极(激励电极)时,相应的边界条件是:

其中Γ1,Γ2,…,Γ12代表12个电极板所在的空间位置;Γs是外屏蔽罩所在的位置;Γrs是12个径向屏蔽极板所处的位置。由电磁场理论知电场强度 E(x,y)满足如下关系:

2 基于ANSYS的多相流测井传感器电磁场仿真计算过程

多相流电容测井传感器的电势分布可由方程(1)加边界条件(2)确定,但该方程无解析解,只能通过有限元方法求出其数值解。利用ANSYS的静电场分析模块,首先可求出各个节点的电势值,然后再从求得的各节点电势利用后处理模块求出场域的电场强度分布。其具体仿真计算过程如下[2～4]:

(1)启动ANSYS应用程序:选择路径,定义文件名、标题名,选定 Electric静电场分析模块,进入电场计算分析环境。

(2)定义单元类型:选择二维实体单元PLANE121作为仿真计算单元。

(3)定义材料属性:传感器有三种电介质材料:空气、管壁(有机玻璃)、屏蔽层。其相对介电常数分别为1、5、4。选择MainMenu>Preprocessor>MaterialModels>Electromagnectics>RelativePermittivity>Contast,在PERX项输入1,然后再定义材料2、3,分别在PERX项输入 5、4。

(4)建立模型:仿真设计参数主要有:管道内径 r1=40mm,外径 r2=44mm,屏蔽罩半径 r3=50mm,极板张角θ=26°,极板宽2mm,极板间相隔4°均匀的分布在绝缘管道外壁上。

(5)赋予属性:选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshAttribute,将已定义的三种材料属性赋予到相应的组件上。

(6)划分网格:利用ANSYS的MeshTool工具可对模型各组件按需要进行网格剖分,由于越靠近电极敏感场越强,所以在管道内区域采用单元边长为4的映射剖分方式,而在管壁和屏蔽层采用单元边长为3的自由剖分方式。又由于截面是圆形区域,采用三角形剖分更便于边界的处理。剖分结果如图2所示。

(7)施加边界条件和载荷:选择MainMenu>Preprocessor>Solution>DefineLoads>Apply>Electric>Boundary>Voltage,给任一电极加载10V电压,其余测量电极和屏蔽罩上加载0V电压。

(8)求解:选择MainMenu>Preprocessor>Solution>Solve>CurrentLS,自动完成求解。

图2 多相流测井传感器模型网格剖分图

(9)解后处理:直接计算结果主要是场域内各节点的电势分布和电场强度矢量分布(由(3)式得到)。选择MainMenu>>GeneralPostproc>PlotResult>ContourPlot/VectorPlot,利用ANSYS的后处理模块,可得到多相流测井传感器的等势云图和多相流测井传感器的横截面电场线矢量图如图3和图4所示。

图3 多相流测井传感器二维等势云图

图4 多相流测井传感器横截面电场线矢量图

选择MainMenu>GeneralPostproc>ParhOperation,定义路径,本文在靠近激励电极处和远离激励电极处分别选定一点,定义一条直线路径,并将电势分布值和电场强度分布值都映射到该路径上,图形显示结果如图5所示。

图5 选定路径上的电势分布图(a)和电场强度分布图(b)

3 结 论

(1)利用ANSYS的MeshTool工具进行网格剖分可以根据需要设定单元类型、单元边长、剖分方式等,比手工编程要方便快捷。

(2)由图3可见,激励电极旁边的检测电极的电场强度易受激励电极的影响,所以在任意两个电极间最好加个径向屏蔽极板,以减少测井传感器电极之间电容测量的干扰。

(3)由图5可见,距离激励电极越远处,电势和电场强度越弱。

利用ANSYS软件对多相流测井传感器的电磁场进行仿真研究,得到传感器的电势分布和电场强度分布,为仪器的优化设计和下一步的图像重建提供了基础。

[1] 陈德运,李谋遵.油水两相ECT系统电场特性数值分析及参数优化[J].系统仿真学报,2007,19(7)

[2] 阎照文.ANSYS10.0工程电磁分析技术与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2006

[3] 李黎明,等.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005

[4] 杨玉兰,黄 民.基于ANSYS的ECT系统传感器电容值的仿真研究[J].电子测量技术,2007,30(3)

P631.8+1

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1004-9134(2010)02-0014-03

2009-07-11 编辑:梁保江)

张 闪,男,1985年生,硕士研究生,主要从事生产测井仪器与软件研究工作。邮编:434023