一種基于電橋平衡的油氣海管攜砂量在線監(jiān)測裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種油氣海管攜砂量在線監(jiān)測裝置及方法，特別是關于一種基于電橋 平衡的油氣海管攜砂量在線監(jiān)測裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 針對疏松砂巖及膠結較弱地層出砂與防砂的矛盾，考慮到某些地層易出砂的實際 情況，提出在地層適量出砂情況下，通過調(diào)節(jié)進口產(chǎn)量控制出砂量，從而更經(jīng)濟、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)設備，出砂嚴重 時會導致生產(chǎn)設施磨損穿孔，對人員安全、經(jīng)濟生產(chǎn)及周圍環(huán)境造成極大威脅，增大生產(chǎn)成 本的同時更不利于生產(chǎn)率的提高。準確、實時地監(jiān)測管道出砂技術嚴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)測管道出砂量，并取得了 顯著經(jīng)濟效益，但國內(nèi)尚未研制出利用電阻變化進行出砂量在線監(jiān)測的探測器。
[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，進而推算出 管道的攜砂量的方法。中國存在利用壓電薄膜與高頻信號感受裝置分別接受顆粒沖擊信 號，進行油氣井實時出砂監(jiān)測的方法。但是，聲波法有其致命的弱點，即由于流體、外界等噪 聲干擾對監(jiān)測精度影響較大，監(jiān)測的出砂結果隨著后期對聲波處理方式不同而差異較大， 且不能用于監(jiān)測生產(chǎn)設備的沖蝕量。如圖1所示，美國現(xiàn)有技術中提出的ER法出砂量監(jiān)測 系統(tǒng)是以沖蝕探測器為基礎，其中包括4個在特殊環(huán)境下耐腐蝕的Monel400合金制成的探 測器傳感元件20 (電阻元件）。每一個長為L、厚為H、寬為W的探測器傳感元件上都供給恒 流電流I，通過測量探測器傳感元件20兩端的電位降U，可直接監(jiān)測到每個探測器傳感元件 20的微電阻變化。探測器傳感元件20電阻R與其寬度W之間呈反比關系，當生產(chǎn)介質攜帶 砂粒撞擊探測器傳感元件20而受到?jīng)_蝕時，可連續(xù)地測得電阻增量，從而確定探測器傳感 元件20厚度減小值，并借助理論沖蝕模型將探測器傳感元件20寬度損失轉換成流體中的 攜砂量，并通過在探測器殼體21背部安裝一易受溫度影響但不受砂粒影響的基準元件，以 彌補溫度變化對探測器傳感元件20電阻的影響。然而，由于Monel400合金溫度系數(shù)相對 較大，約為1. 9X101'采用Monel400合金制成的探測器傳感元件20并不滿足測量精度 要求。為了提高測量精度，現(xiàn)有技術僅將探測器傳感元件20材料換成溫度系數(shù)相對較小且 穩(wěn)定的康銅合金（或錳銅合金）。雖然，ER法具有測量簡單、適用范圍廣等優(yōu)點，但微弱的 電阻變化對數(shù)據(jù)采集電路要求相當高，能否準確地表征其厚度減小值關系到?jīng)_蝕監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測誤差的高低，其監(jiān)測精度隨現(xiàn)場條件有較大起伏，且對低濃度砂沖蝕監(jiān)測反應較遲鈍， 此外探測器傳感元件20的有效使用壽命相對較短。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題，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)測裝置及方法。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種基于電橋平衡的油氣海管攜砂 量在線監(jiān)測裝置，其特征在于：它包括一第一支管、一第二支管、一電動旋轉裝置、一傳動 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)一單片機和一計算機，每一 所述傳感元件采用電阻值相同的電阻元件；實驗用管道上設置一通孔，所述支撐殼體穿過 所述通孔垂直插設到所述管道內(nèi)部，所述通孔上固定設置所述第一支管，所述第一支管內(nèi) 部設置有內(nèi)螺紋；所述第二支管外部設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置所述電動旋轉 裝置，所述電動旋轉裝置的輸出軸連接所述傳動軸的一端，所述傳動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構，所述支撐殼體的四個側面依次沖蝕面 a、b、c、d，每一所述傳感元件分別固定設置在四個所述沖蝕面上，所述支撐殼體與所述傳感 元件之間設置有絕緣物質；所述a、b、c、d四個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線對立連接，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位；所述恒壓供電系統(tǒng)用于為所述單片機 和所述電動旋轉裝置進行供電，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u(t)，并將采集的信號u(t) 實時發(fā)送給所述單片機和計算機，所述單片機用于控制所述電動旋轉裝置旋轉，同時帶動 所述支撐殼體旋轉，完成兩組測試面的沖蝕測試，所述計算機根據(jù)接收到的信號u(t)的變 化通過沖蝕模型轉換成出砂信號，從而監(jiān)測出管道出砂量。
[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構。
[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)進行供電 時，采用脈沖方式供電。
[0009] 所述電動旋轉裝置采用電機。
[0010] 一種基于電橋平衡的油氣海管攜砂量在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，包括以下步驟： 1)將支撐殼體垂直插入實驗用管道內(nèi)部，且支撐殼體的一組測試面與管道內(nèi)的顆粒流動方 向的夾角為45°，并保證Ra=Rd=Rb=R。=R^，即此時平衡電橋達到平衡狀態(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 試面，當均勻濃度的顆粒以45°角撞擊支撐殼體時，支撐殼體的a、d面上的傳感元件產(chǎn)生 材料磨蝕，假設傳感元件長為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，假設顆粒沖蝕一 段時間t后，支撐殼體的a、d面的寬度同時損失了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)遠遠小于&，則將式（1)變形為：
[0013] (2)
[0014] 假設傳感元件電阻率為P，顆粒沖蝕一段時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)當失衡狀態(tài)達到電橋輸出電壓為uQ時，單片機控制電動旋轉裝置旋轉180°， 同時帶動支撐殼體旋轉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時的電阻值；
[0027] 隨著顆粒沖蝕的進行，直至電橋輸出電壓為_U(I，此時-180°旋轉支撐殼體，繼而 沖蝕a、d面上的傳感元件，以此類推反復進行，傳感元件在第n次旋轉時的電阻值增大為：
[0028] (9)
[0029] 其中，Rn為傳感元件第n次旋轉時的電阻值，Rn_i為傳感元件在第n-1次旋轉時的 電阻值；
[0030] 3)由（7)、（8)、（9)式推得傳感元件在第n次旋轉時，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u(t)發(fā)送給計算機，計算機采用適用于現(xiàn)場沖蝕磨 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沖蝕理論模型（11) 進一步變形，得出一般的沖蝕