一种基于电桥平衡的油气海管携砂量在线监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种油气海管携砂量在线监测装置及方法，特别是关于一种基于电桥 平衡的油气海管携砂量在线监测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 针对疏松砂岩及胶结较弱地层出砂与防砂的矛盾，考虑到某些地层易出砂的实际 情况，提出在地层适量出砂情况下，通过调节进口产量控制出砂量，从而更经济、快速地开 发油气藏。然而，未被脱除的砂粒通过流体的携流作用于弯头、阀门等生产设备，出砂严重 时会导致生产设施磨损穿孔，对人员安全、经济生产及周围环境造成极大威胁，增大生产成 本的同时更不利于生产率的提高。准确、实时地监测管道出砂技术严重制约着我国油气田 的发展，目前，国内外常采用声波法（AE法）与电阻法（ER法）监测管道出砂量，并取得了 显著经济效益，但国内尚未研制出利用电阻变化进行出砂量在线监测的探测器。
[0003] 现阶段，美国存在采用压电陶瓷作为敏感元件，接受颗粒的撞击信号，进而推算出 管道的携砂量的方法。中国存在利用压电薄膜与高频信号感受装置分别接受颗粒冲击信 号，进行油气井实时出砂监测的方法。但是，声波法有其致命的弱点，即由于流体、外界等噪 声干扰对监测精度影响较大，监测的出砂结果随着后期对声波处理方式不同而差异较大， 且不能用于监测生产设备的冲蚀量。如图1所示，美国现有技术中提出的ER法出砂量监测 系统是以冲蚀探测器为基础，其中包括4个在特殊环境下耐腐蚀的Monel400合金制成的探 测器传感元件20 (电阻元件）。每一个长为L、厚为H、宽为W的探测器传感元件上都供给恒 流电流I，通过测量探测器传感元件20两端的电位降U，可直接监测到每个探测器传感元件 20的微电阻变化。探测器传感元件20电阻R与其宽度W之间呈反比关系，当生产介质携带 砂粒撞击探测器传感元件20而受到冲蚀时，可连续地测得电阻增量，从而确定探测器传感 元件20厚度减小值，并借助理论冲蚀模型将探测器传感元件20宽度损失转换成流体中的 携砂量，并通过在探测器壳体21背部安装一易受温度影响但不受砂粒影响的基准元件，以 弥补温度变化对探测器传感元件20电阻的影响。然而，由于Monel400合金温度系数相对 较大，约为1. 9X101'采用Monel400合金制成的探测器传感元件20并不满足测量精度 要求。为了提高测量精度，现有技术仅将探测器传感元件20材料换成温度系数相对较小且 稳定的康铜合金（或锰铜合金）。虽然，ER法具有测量简单、适用范围广等优点，但微弱的 电阻变化对数据采集电路要求相当高，能否准确地表征其厚度减小值关系到冲蚀监测系统 监测误差的高低，其监测精度随现场条件有较大起伏，且对低浓度砂冲蚀监测反应较迟钝， 此外探测器传感元件20的有效使用寿命相对较短。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够精确、灵敏地监测油气海管携砂量 的基于电桥平衡的油气海管携砂量在线监测装置及方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于电桥平衡的油气海管携砂 量在线监测装置，其特征在于：它包括一第一支管、一第二支管、一电动旋转装置、一传动 轴、一支撑壳体、四传感元件、一恒压供电系统、一数据采集系统一单片机和一计算机，每一 所述传感元件采用电阻值相同的电阻元件；实验用管道上设置一通孔，所述支撑壳体穿过 所述通孔垂直插设到所述管道内部，所述通孔上固定设置所述第一支管，所述第一支管内 部设置有内螺纹；所述第二支管外部设置有与所述第一支管的内螺纹配合使用的外螺纹， 所述第一支管和所述第二支管通过螺纹连接；所述第二支管的顶部固定设置所述电动旋转 装置，所述电动旋转装置的输出轴连接所述传动轴的一端，所述传动轴的另一端固定连接 所述支撑壳体的顶部；所述支撑壳体为长方体结构，所述支撑壳体的四个侧面依次冲蚀面 a、b、c、d，每一所述传感元件分别固定设置在四个所述冲蚀面上，所述支撑壳体与所述传感 元件之间设置有绝缘物质；所述a、b、c、d四个冲蚀面上的传感元件组成平衡电桥，相邻所 述冲蚀面上的传感元件之间通过导线对立连接，即所述a、d冲蚀面和所述b、c冲蚀面上的 传感元件分别作为一组测试面，相邻安装在所述支撑壳体上，且所述a、d冲蚀面和所述b、c 冲蚀面上的所述传感元件分别位于平衡电桥的对位；所述恒压供电系统用于为所述单片机 和所述电动旋转装置进行供电，且通过所述数据采集系统向平衡电桥的电源输入端进行供 电，所述数据采集系统用于采集由所述平衡电桥的输出端信号u(t)，并将采集的信号u(t) 实时发送给所述单片机和计算机，所述单片机用于控制所述电动旋转装置旋转，同时带动 所述支撑壳体旋转，完成两组测试面的冲蚀测试，所述计算机根据接收到的信号u(t)的变 化通过冲蚀模型转换成出砂信号，从而监测出管道出砂量。
[0006] 所述传感元件采用镍铜合金材料制备的横截面为矩形的长方体结构。
[0007] 所述支撑壳体采用304不锈钢材料制备而成。
[0008] 所述恒源电流供电系统的内部装有稳压MIC芯片，为所述数据采集系统进行供电 时，采用脉冲方式供电。
[0009] 所述电动旋转装置采用电机。
[0010] 一种基于电桥平衡的油气海管携砂量在线监测装置的监测方法，包括以下步骤： 1)将支撑壳体垂直插入实验用管道内部，且支撑壳体的一组测试面与管道内的颗粒流动方 向的夹角为45°，并保证Ra=Rd=Rb=R。=R^，即此时平衡电桥达到平衡状态，恒压供电 系统以恒压U向平衡电桥供电，平衡电桥输出电压为u(t);以支撑壳体的a、d面为起始测 试面，当均匀浓度的颗粒以45°角撞击支撑壳体时，支撑壳体的a、d面上的传感元件产生 材料磨蚀，假设传感元件长为L、宽为W、厚为H，材料磨蚀使a、d面上传感元件的宽度W损 失W(t)，a、d面上传感元件的阻值Ra、Rd增大R(t)，使平衡电桥逐渐失衡，假设颗粒冲蚀一 段时间t后，支撑壳体的a、d面的宽度同时损失了W(t)，根据电桥平衡原理：
[0011]
[0012] 而传感元件的电阻增大值R(t)远远小于&，则将式（1)变形为：
[0013] (2)
[0014] 假设传感元件电阻率为P，颗粒冲蚀一段时间前后传感元件的宽度分别为wBrf_、 WAftOT，由欧姆走律得：
[0017] 其中，RBefOT、RAftej别表示颗粒冲蚀前后传感元件的阻值；
[0018]则式（3)、⑷经变形后相减得：
[0019]
[0020] 由于冲蚀引起的传感元件的电阻变化R(t)较小，S卩!?(〇〈〈&，则：
[0021] (6)
[0022] 联立（2)、（6)式得出a、d面上的传感元件在该过程中的宽度损失W(t)为：
[0023] (7)
[0024]2)当失衡状态达到电桥输出电压为uQ时，单片机控制电动旋转装置旋转180°， 同时带动支撑壳体旋转180°，使均匀颗粒继续冲蚀b、c面上的传感元件，该过程中b、c面 上的传感元件的宽度损失W(t)为：
[0025] (8)
[0026] 其中，&为传感元件在第一次旋转时的电阻值；
[0027] 随着颗粒冲蚀的进行，直至电桥输出电压为_U(I，此时-180°旋转支撑壳体，继而 冲蚀a、d面上的传感元件，以此类推反复进行，传感元件在第n次旋转时的电阻值增大为：
[0028] (9)
[0029] 其中，Rn为传感元件第n次旋转时的电阻值，Rn_i为传感元件在第n-1次旋转时的 电阻值；
[0030] 3)由（7)、（8)、（9)式推得传感元件在第n次旋转时，由颗粒冲蚀造成的宽度损 失：
[0031]
[0032] 数据采集系统将采集的信号u(t)发送给计算机，计算机采用适用于现场冲蚀磨 损管道系统的方程：
[0033]
(11)
[0034] 其中，￡一冲蚀速率，kg/s; -颗粒质量流量，kg/s;K-材料常数；(m/s) n; Vp-颗粒入射速度，m/s;m-速度指数；F(a) -目标弹性材料的特性方程，a是入射角；
[0035] 并根据颗粒入射速度、入射角及冲蚀区域面积将提出的基础冲蚀理论模型（11) 进一步变形，得出一般的冲蚀