一種基于電橋平衡的油氣海管攜砂量在線監(jiān)測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種油氣海管攜砂量在線監(jiān)測(cè)裝置及方法，特別是關(guān)于一種基于電橋 平衡的油氣海管攜砂量在線監(jiān)測(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 針對(duì)疏松砂巖及膠結(jié)較弱地層出砂與防砂的矛盾，考慮到某些地層易出砂的實(shí)際 情況，提出在地層適量出砂情況下，通過調(diào)節(jié)進(jìn)口產(chǎn)量控制出砂量，從而更經(jīng)濟(jì)、快速地開 發(fā)油氣藏。然而，未被脫除的砂粒通過流體的攜流作用于彎頭、閥門等生產(chǎn)設(shè)備，出砂嚴(yán)重 時(shí)會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)施磨損穿孔，對(duì)人員安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)及周圍環(huán)境造成極大威脅，增大生產(chǎn)成 本的同時(shí)更不利于生產(chǎn)率的提高。準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)管道出砂技術(shù)嚴(yán)重制約著我國油氣田 的發(fā)展，目前，國內(nèi)外常采用聲波法（AE法）與電阻法（ER法）監(jiān)測(cè)管道出砂量，并取得了 顯著經(jīng)濟(jì)效益，但國內(nèi)尚未研制出利用電阻變化進(jìn)行出砂量在線監(jiān)測(cè)的探測(cè)器。
[0003] 現(xiàn)階段，美國存在采用壓電陶瓷作為敏感元件，接受顆粒的撞擊信號(hào)，進(jìn)而推算出 管道的攜砂量的方法。中國存在利用壓電薄膜與高頻信號(hào)感受裝置分別接受顆粒沖擊信 號(hào)，進(jìn)行油氣井實(shí)時(shí)出砂監(jiān)測(cè)的方法。但是，聲波法有其致命的弱點(diǎn)，即由于流體、外界等噪 聲干擾對(duì)監(jiān)測(cè)精度影響較大，監(jiān)測(cè)的出砂結(jié)果隨著后期對(duì)聲波處理方式不同而差異較大， 且不能用于監(jiān)測(cè)生產(chǎn)設(shè)備的沖蝕量。如圖1所示，美國現(xiàn)有技術(shù)中提出的ER法出砂量監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)是以沖蝕探測(cè)器為基礎(chǔ)，其中包括4個(gè)在特殊環(huán)境下耐腐蝕的Monel400合金制成的探 測(cè)器傳感元件20 (電阻元件）。每一個(gè)長為L、厚為H、寬為W的探測(cè)器傳感元件上都供給恒 流電流I，通過測(cè)量探測(cè)器傳感元件20兩端的電位降U，可直接監(jiān)測(cè)到每個(gè)探測(cè)器傳感元件 20的微電阻變化。探測(cè)器傳感元件20電阻R與其寬度W之間呈反比關(guān)系，當(dāng)生產(chǎn)介質(zhì)攜帶 砂粒撞擊探測(cè)器傳感元件20而受到?jīng)_蝕時(shí)，可連續(xù)地測(cè)得電阻增量，從而確定探測(cè)器傳感 元件20厚度減小值，并借助理論沖蝕模型將探測(cè)器傳感元件20寬度損失轉(zhuǎn)換成流體中的 攜砂量，并通過在探測(cè)器殼體21背部安裝一易受溫度影響但不受砂粒影響的基準(zhǔn)元件，以 彌補(bǔ)溫度變化對(duì)探測(cè)器傳感元件20電阻的影響。然而，由于Monel400合金溫度系數(shù)相對(duì) 較大，約為1. 9X101'采用Monel400合金制成的探測(cè)器傳感元件20并不滿足測(cè)量精度 要求。為了提高測(cè)量精度，現(xiàn)有技術(shù)僅將探測(cè)器傳感元件20材料換成溫度系數(shù)相對(duì)較小且 穩(wěn)定的康銅合金（或錳銅合金）。雖然，ER法具有測(cè)量簡單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但微弱的 電阻變化對(duì)數(shù)據(jù)采集電路要求相當(dāng)高，能否準(zhǔn)確地表征其厚度減小值關(guān)系到?jīng)_蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 監(jiān)測(cè)誤差的高低，其監(jiān)測(cè)精度隨現(xiàn)場(chǎng)條件有較大起伏，且對(duì)低濃度砂沖蝕監(jiān)測(cè)反應(yīng)較遲鈍， 此外探測(cè)器傳感元件20的有效使用壽命相對(duì)較短。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠精確、靈敏地監(jiān)測(cè)油氣海管攜砂量 的基于電橋平衡的油氣海管攜砂量在線監(jiān)測(cè)裝置及方法。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種基于電橋平衡的油氣海管攜砂 量在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于：它包括一第一支管、一第二支管、一電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置、一傳動(dòng) 軸、一支撐殼體、四傳感元件、一恒壓供電系統(tǒng)、一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一單片機(jī)和一計(jì)算機(jī)，每一 所述傳感元件采用電阻值相同的電阻元件；實(shí)驗(yàn)用管道上設(shè)置一通孔，所述支撐殼體穿過 所述通孔垂直插設(shè)到所述管道內(nèi)部，所述通孔上固定設(shè)置所述第一支管，所述第一支管內(nèi) 部設(shè)置有內(nèi)螺紋；所述第二支管外部設(shè)置有與所述第一支管的內(nèi)螺紋配合使用的外螺紋， 所述第一支管和所述第二支管通過螺紋連接；所述第二支管的頂部固定設(shè)置所述電動(dòng)旋轉(zhuǎn) 裝置，所述電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置的輸出軸連接所述傳動(dòng)軸的一端，所述傳動(dòng)軸的另一端固定連接 所述支撐殼體的頂部；所述支撐殼體為長方體結(jié)構(gòu)，所述支撐殼體的四個(gè)側(cè)面依次沖蝕面 a、b、c、d，每一所述傳感元件分別固定設(shè)置在四個(gè)所述沖蝕面上，所述支撐殼體與所述傳感 元件之間設(shè)置有絕緣物質(zhì)；所述a、b、c、d四個(gè)沖蝕面上的傳感元件組成平衡電橋，相鄰所 述沖蝕面上的傳感元件之間通過導(dǎo)線對(duì)立連接，即所述a、d沖蝕面和所述b、c沖蝕面上的 傳感元件分別作為一組測(cè)試面，相鄰安裝在所述支撐殼體上，且所述a、d沖蝕面和所述b、c 沖蝕面上的所述傳感元件分別位于平衡電橋的對(duì)位；所述恒壓供電系統(tǒng)用于為所述單片機(jī) 和所述電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行供電，且通過所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向平衡電橋的電源輸入端進(jìn)行供 電，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集由所述平衡電橋的輸出端信號(hào)u(t)，并將采集的信號(hào)u(t) 實(shí)時(shí)發(fā)送給所述單片機(jī)和計(jì)算機(jī)，所述單片機(jī)用于控制所述電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng) 所述支撐殼體旋轉(zhuǎn)，完成兩組測(cè)試面的沖蝕測(cè)試，所述計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)u(t)的變 化通過沖蝕模型轉(zhuǎn)換成出砂信號(hào)，從而監(jiān)測(cè)出管道出砂量。
[0006] 所述傳感元件采用鎳銅合金材料制備的橫截面為矩形的長方體結(jié)構(gòu)。
[0007] 所述支撐殼體采用304不銹鋼材料制備而成。
[0008] 所述恒源電流供電系統(tǒng)的內(nèi)部裝有穩(wěn)壓MIC芯片，為所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行供電 時(shí)，采用脈沖方式供電。
[0009] 所述電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置采用電機(jī)。
[0010] 一種基于電橋平衡的油氣海管攜砂量在線監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟： 1)將支撐殼體垂直插入實(shí)驗(yàn)用管道內(nèi)部，且支撐殼體的一組測(cè)試面與管道內(nèi)的顆粒流動(dòng)方 向的夾角為45°，并保證Ra=Rd=Rb=R。=R^，即此時(shí)平衡電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，恒壓供電 系統(tǒng)以恒壓U向平衡電橋供電，平衡電橋輸出電壓為u(t);以支撐殼體的a、d面為起始測(cè) 試面，當(dāng)均勻濃度的顆粒以45°角撞擊支撐殼體時(shí)，支撐殼體的a、d面上的傳感元件產(chǎn)生 材料磨蝕，假設(shè)傳感元件長為L、寬為W、厚為H，材料磨蝕使a、d面上傳感元件的寬度W損 失W(t)，a、d面上傳感元件的阻值Ra、Rd增大R(t)，使平衡電橋逐漸失衡，假設(shè)顆粒沖蝕一 段時(shí)間t后，支撐殼體的a、d面的寬度同時(shí)損失了W(t)，根據(jù)電橋平衡原理：
[0011]
[0012] 而傳感元件的電阻增大值R(t)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于&，則將式（1)變形為：
[0013] (2)
[0014] 假設(shè)傳感元件電阻率為P，顆粒沖蝕一段時(shí)間前后傳感元件的寬度分別為wBrf_、 WAftOT，由歐姆走律得：
[0017] 其中，RBefOT、RAftej別表示顆粒沖蝕前后傳感元件的阻值；
[0018]則式（3)、⑷經(jīng)變形后相減得：
[0019]
[0020] 由于沖蝕引起的傳感元件的電阻變化R(t)較小，S卩!?(〇〈〈&，則：
[0021] (6)
[0022] 聯(lián)立（2)、（6)式得出a、d面上的傳感元件在該過程中的寬度損失W(t)為：
[0023] (7)
[0024]2)當(dāng)失衡狀態(tài)達(dá)到電橋輸出電壓為uQ時(shí)，單片機(jī)控制電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)180°， 同時(shí)帶動(dòng)支撐殼體旋轉(zhuǎn)180°，使均勻顆粒繼續(xù)沖蝕b、c面上的傳感元件，該過程中b、c面 上的傳感元件的寬度損失W(t)為：
[0025] (8)
[0026] 其中，&為傳感元件在第一次旋轉(zhuǎn)時(shí)的電阻值；
[0027] 隨著顆粒沖蝕的進(jìn)行，直至電橋輸出電壓為_U(I，此時(shí)-180°旋轉(zhuǎn)支撐殼體，繼而 沖蝕a、d面上的傳感元件，以此類推反復(fù)進(jìn)行，傳感元件在第n次旋轉(zhuǎn)時(shí)的電阻值增大為：
[0028] (9)
[0029] 其中，Rn為傳感元件第n次旋轉(zhuǎn)時(shí)的電阻值，Rn_i為傳感元件在第n-1次旋轉(zhuǎn)時(shí)的 電阻值；
[0030] 3)由（7)、（8)、（9)式推得傳感元件在第n次旋轉(zhuǎn)時(shí)，由顆粒沖蝕造成的寬度損 失：
[0031]
[0032] 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集的信號(hào)u(t)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)采用適用于現(xiàn)場(chǎng)沖蝕磨 損管道系統(tǒng)的方程：
[0033]
(11)
[0034] 其中，￡一沖蝕速率，kg/s; -顆粒質(zhì)量流量，kg/s;K-材料常數(shù)；(m/s) n; Vp-顆粒入射速度，m/s;m-速度指數(shù)；F(a) -目標(biāo)彈性材料的特性方程，a是入射角；
[0035] 并根據(jù)顆粒入射速度、入射角及沖蝕區(qū)域面積將提出的基礎(chǔ)沖蝕理論模型（11) 進(jìn)一步變形，得出一般的沖蝕