摘要：在分(fèn)析勵磁信(xìn)号對計量(liang)精度影響(xiǎng)的基礎上(shang)，針💰對⛹🏻‍♀️固井(jing)🐪作業高密(mi)度、大排量(liang)泥漿管流(liu)場的特點(diǎn)和施工現(xiàn)場的幹擾(rao)特征，提出(chū)了一種新(xin)的勵磁信(xin)号形式🐅，提(tí)高泥漿的(de)計量精度(du)，并給出現(xian)場結果。
固(gù)井的目的(de)就是使用(yòng)水泥建立(li)層間封隔(ge)，首先它必(bi)須能夠有(yǒu)效地從井(jing)眼中清除(chu)鑽井液。在(zai)确保井下(xia)安全的前(qian)提下，通過(guo)高壓壓入(rù)泥漿并控(kòng)制施工㊙️流(liu)量，實現有(you)效驅替，提(ti)🌈高所注水(shuǐ)泥的頂替(ti)效率是避(bi)免鑽井液(yè)竄槽，保㊙️證(zheng)水泥膠🧑🏽‍🤝‍🧑🏻結(jie)質量和🥵環(huán)密封效果(guǒ)的基本前(qián)🏃🏻提。泥漿的(de)流量是固(gù)井施工過(guò)程中的重(zhong)要參數，對(dui)其進行連(lian)續實時正(zhèng)确的計量(liang)，是确保固(gù)井質量👣、提(tí)高施🤞工技(ji)術水平和(he)效率、實現(xiàn)科學管理(lǐ)的必要手(shou)段。
　　由于固(gù)井泥漿物(wù)性及成份(fèn)範圍很大(da)，目前所采(cǎi)用的幾種(zhǒng)檢測儀器(qì)和方法都(dōu)存在不少(shao)問題，例如(ru)：科🐉裏奧利(li) 質量流量(liàng)計 雖然計(jì)量精度很(hen)高，但由于(yu)對外界振(zhèn)動相當敏(mǐn)感，需要㊙️固(gù)定安裝，且(qiě)耐壓性很(hěn)差，不能用(yòng)于高壓作(zuò)業實時計(ji)量； 超聲流(liu)量計 與物(wu)性及成份(fen)關系極大(da)，在固井現(xiàn)場難于推(tuī)廣使用；也(ye)有報道使(shǐ)用 電磁流(liú)量計 來計(jì)量固井泥(ni)漿，但耐壓(ya)(≤5MPa)和泥漿密(mi)度(≤1.8g/cm3)有一定(ding)的限制，不(bu)🈲能用于準(zhun)确計量現(xiàn)場不同的(de)物性及成(cheng)份的🍓泥漿(jiāng)流量✂️。目前(qián)各油田大(dà)多采用 渦(wo)輪流量計(ji) 來現場計(jì)量固井泥(ní)漿的流量(liang)，其流量精(jīng)度(3％)雖能滿(man)足要求，但(dan)渦輪常被(bèi)泥漿中的(de)雜物卡堵(du)(尤其用于(yú)✂️高密度泥(ní)漿)，影響施(shi)工，且沖洗(xǐ)和軸承保(bao)養要求較(jiào)高，壽命🌈不(bú)長。随🐪着我(wǒ)國大深度(dù)鑽井作業(ye)日益增多(duō)，高密度、大(dà)排量泥漿(jiāng)在固井施(shi)工中使用(yong)日趨頻繁(fan)⛹🏻‍♀️，需要一種(zhǒng)新型的泥(ní)漿流量計(jì) 進行現場(chǎng)實時準确(què)計量。
　　從常(cháng)規 電磁流(liú)量計原理(lǐ) 着手，在分(fen)析勵磁信(xìn)号對計量(liàng)精度影響(xiǎng)的基礎上(shang)，針對固井(jǐng)施工現場(chǎng)的高密度(dù)、大流量泥(ni)漿管流場(chǎng)的特點，提(ti)🈲出了一種(zhong)🧡新的♌勵磁(cí)信号形式(shi)，以提高固(gu)井泥漿的(de)計量精度(dù)。
1測量原理(lǐ)
　　根據法拉(la)第電磁感(gan)應定律，當(dang)一導體在(zài)磁場中運(yun)動而🌈切割(ge)磁力線時(shí)，在導體兩(liǎng)端便會産(chǎn)生感應電(dian)動勢。在均(jun1)勻磁場中(zhong)，設垂直于(yú)磁場方向(xiang)有一個直(zhi)☂️徑爲D的無(wu)磁管道，内(nei)表面澆注(zhù)絕緣襯裏(lǐ)，外表面繞(rào)👨‍❤️‍👨有線圈，在(zài)與計量管(guan)軸線和磁(cí)場磁力線(xian)相互垂直(zhi)的管壁上(shang)安裝一對(dui)檢測電極(jí)。用于固井(jǐng)的泥漿是(shì)一種導電(dian)介質，當測(cè)量管道中(zhōng)♊的泥漿流(liú)動時，泥漿(jiāng)切割線圈(quān)中勵磁電(diàn)流産生的(de)磁場，便會(hui)産生和泥(ní)漿的平均(jun1)流速v成正(zheng)比感應電(dian)動勢E。

式中(zhong)：K爲儀表常(cháng)數，當保持(chi)磁感應強(qiang)度B恒定時(shí)，測量感應(ying)電動勢便(bian)可得管道(dao)的體積流(liu)量Q，且具有(you)線性關系(xì)🏃🏻‍♂️。
2勵磁方式(shì)
　　從測量原(yuán)理可知，隻(zhi)有測量管(guan)道維持均(jun1)勻、恒定的(de)磁場，即B爲(wèi)常數時，體(ti)積流量Q與(yǔ)感應電動(dong)勢E的線性(xing)🌐關系才成(cheng)立，所以需(xū)要選擇合(he)适的勵磁(cí)方式。
　　勵磁(cí)技術是電(dian)磁流量計(ji)中最關鍵(jian)的技術，目(mu)前一🌐般㊙️采(cai)🔴用直流勵(li)磁、工頻正(zhèng)弦勵磁和(hé)低頻方波(bo)勵磁㊙️三種(zhǒng)㊙️方式。直流(liu)勵磁用直(zhi)流電或永(yǒng)久磁鐵産(chan)生磁場，結(jie)構雖簡單(dan)，但電極易(yì)發生極化(hua)，難❗以保證(zhèng)B爲常數，使(shǐ)其應📞用範(fàn)圍受限。工(gōng)頻正弦勵(li)磁通過勵(lì)磁線圈産(chan)生交變磁(ci)場，但易産(chan)生正交幹(gàn)擾和同相(xiang)幹擾等，引(yǐn)起零點漂(piao)♻️移。低頻方(fang)波勵👉磁用(yòng)低頻方波(bō)經功率放(fàng)大後勵磁(ci)線圈産生(sheng)磁場，在半(ban)個周期内(nei)，磁場是恒(heng)穩的直流(liu)磁場，受電(dian)磁幹擾影(ying)響很小，同(tong)時消除由(yóu)分布電容(rong)引起的工(gōng)頻幹擾；同(tong)時從整個(gè)⁉️時間過程(cheng)來說，方波(bo)信号是一(yī)個交變的(de)信号，克服(fu)了直☁️流勵(lì)磁易産生(sheng)的極化現(xian)象。目前這(zhè)種勵磁方(fang)式在電磁(cí)流量計上(shàng)廣泛應用(yòng)。
　　常規電磁(ci)流量計所(suǒ)應用的低(dī)頻方波勵(li)磁方式的(de)勵磁電流(liú)頻💘率通常(chang)爲工頻的(de)1/4～1/10。目前深井(jǐng)(6000m以上)的固(gù)井施工中(zhong)所使🤩用泥(ni)漿的密度(du)大多在1.8cm3以(yǐ)上，流速高(gao)達25m/s，所用的(de)泥漿又是(shì)固♊液兩相(xiàng)低導率🥰流(liu)體，雖然高(gāo)壓下能消(xiao)除非牛頓(dun)流體所帶(dài)來的測量(liang)誤差，但測(ce)量管内會(hui)産❄️生随流(liú)量增加而(ér)頻率增加(jiā)的随機幹(gàn)擾噪聲。經(jīng)測✌️定，在DN50測(ce)量管内，所(suǒ)用的泥漿(jiang)密度💯爲2.0g/cm3，流(liú)速在10～15m/s範圍(wéi)✂️内，測量管(guǎn)内的流動(dong)噪聲主要(yào)爲尖峰狀(zhuàng)的⭕泥漿流(liú)噪聲，量級(jí)在mv級，頻率(lü)集中在25Hz以(yi)下，如圖1所(suo)示。在勵磁(ci)頻率較低(di)時，泥漿幹(gàn)🏃🏻擾的數量(liàng)級較大，高(gāo)頻時幹擾(rao)數量級較(jiào)小，具🧡有1/?的(de)頻譜特性(xing)。另外，施工(gōng)現場敲擊(jī)和♈震動所(suo)帶來的低(di)頻噪聲，也(yě)會影響電(diàn)磁流量計(ji)的計量精(jing)度。提高勵(li)磁電流頻(pín)率可以規(gui)㊙️避和抑止(zhi)這些幹擾(rǎo)，以提高電(diàn)磁⁉️流量傳(chuan)感器輸出(chu)的信噪比(bi)，但會犧牲(sheng)電磁流量(liàng)計的零點(diǎn)穩定性💜。提(tí)🤟出新的一(yi)種勵磁方(fang)式，采用雙(shuang)頻矩形波(bo)作爲勵磁(cí)信号。其勵(lì)磁電流波(bo)形是在低(di)頻矩形波(bo)上疊加高(gao)頻矩形波(bō)，用兩種采(cǎi)樣頻率分(fen)别得到高(gao)頻和低頻(pin)兩種流量(liang)信号。如圖(tu)2所示，高頻(pin)部分是80Hz的(de)矩形波，外(wài)包絡線是(shì)10Hz的低頻矩(jǔ)形波。這樣(yang)，能克服單(dan)一低頻♌矩(jǔ)形波勵磁(ci)存在的泥(ní)漿流動噪(zao)聲，同時又(yòu)能保💘證零(líng)點的穩定(dìng)性，提高流(liu)量計的計(ji)量穩定性(xing)和♌響應速(sù)❗度。


3硬件系統(tong)
　　用于固井(jing)泥漿的電(diàn)磁流量計(ji)的硬件部(bù)分主要由(yóu)傳感🐪器、電(diàn)源‼️電路、勵(li)磁電路、信(xin)号調理電(dian)路、信号采(cai)集處理電(dian)路及接口(kǒu)電路等模(mo)塊組成，如(rú)圖3所示。重(zhòng)點介紹🧡關(guan)鍵模塊勵(li)磁電路和(hé)信号調理(li)電路。

3.1勵磁(ci)電路
　　勵磁(ci)電路決定(dìng)儀表的工(gong)作磁場，是(shi)儀表極其(qí)關鍵的部(bu)🙇🏻分。中的勵(li)磁電路由(you)兩部分組(zǔ)成，如圖4所(suǒ)示。由單片(pian)機MSP430F2418的定時(shí)器産生雙(shuāng)❗頻矩形波(bo)，經光耦隔(gé)離後💞通過(guò)兩片場效(xiào)應管組成(chéng)的開關電(dian)路實現通(tong)斷功能。DH902爲(wèi)恒流管，提(ti)供恒定的(de)勵磁💃🏻電流(liú)，由MCU定🧡時器(qì)脈沖寬度(du)調制(PWM)輸出(chū)經過濾波(bo)後控制勵(li)磁電流的(de)幅值，從而(er)産生雙頻(pin)矩形波。

3.2信(xìn)号調理電(diàn)路
　　電極輸(shū)出的感應(ying)電動勢信(xin)号爲微伏(fú)至毫伏級(jí)交變信🈲号(hào)，經濾波後(hou)慮除部分(fèn)高頻信号(hào)，然後送高(gāo)阻抗放大(da)器進行放(fang)大🔆，經兩級(ji)帶通濾波(bō)器分别取(qu)出高頻、低(dī)👄頻信号，隔(gé)直後保留(liú)交流分量(liàng)❓送MCU的ADC引腳(jiǎo)。
4軟件系統(tong)
　　系統軟件(jiàn)采用模塊(kuai)化設計方(fāng)法，由控制(zhì)模塊、測量(liàng)模塊、空管(guǎn)檢測模塊(kuài)和解析軟(ruǎn)件組成。控(kòng)制模塊爲(wei)本儀表的(de)主程序，用(yong)于産生雙(shuang)頻矩形勵(lì)磁波、控制(zhi)流量信号(hao)的采集和(he)處理、以菜(cài)單模式通(tōng)過鍵盤操(cao)作和液晶(jing)顯示使儀(yí)表進入參(can)數設定狀(zhuang)态或工況(kuàng)顯示狀态(tài)。測量模塊(kuai)采集來自(zì)信号調理(lǐ)模塊的流(liu)量信号，計(ji)算瞬時流(liu)量、累計流(liu)量和流速(su)，并進行相(xiàng)應的儀表(biǎo)系數補償(chang)，由液晶屏(ping)顯示和接(jiē)口輸出。空(kong)管檢測模(mó)塊用于設(shè)定使用實(shi)際環境的(de)地磁幅值(zhi)，檢測測量(liàng)管是否處(chu)于空管狀(zhuang)态。解析軟(ruǎn)件用于将(jiāng)計量數據(ju)自動生成(cheng)固井施工(gong)所需的各(ge)種報表和(hé)圖标。
5試驗(yan)結果及分(fen)析
　　現場試(shi)驗所用測(cè)量管的内(nèi)徑爲DN50，通過(guò)高壓由壬(ren)接入❗泥漿(jiang)🔴管線，并串(chuan)接渦輪流(liú)量計進行(háng)比較，采用(yong)标準計量(liang)罐測試。計(jì)量鑽井泥(ní)漿密度範(fan)圍爲1.15g/cm3～2.50g/cm3，固井(jing)設計施工(gōng)現場一次(cì)性替漿量(liang)爲18cm3~160cm3，替漿瞬(shùn)時流量爲(wèi)0.2cm3/min-2.8cm3/min(流㊙️速：1.6-23.8m/s)；通過(guo)近15口井的(de)施工應用(yong)，結果如表(biao)1所示。試驗(yàn)表明儀表(biǎo)計量誤差(cha)小于l％；在流(liu)速2.0m/s以下，随(sui)着流量的(de)減少測試(shì)誤差㊙️逐🎯漸(jiàn)提高，在流(liu)速1.0m/s左右計(jì)量精度降(jiàng)到3％左右。經(jing)分析，主要(yào)是由零點(diǎn)漂移引起(qǐ)的，這點與(yu)實㊙️驗室用(yong)清水标定(dìng)結🈲果基本(ben)吻合。使用(yòng)DN50的🌈測量管(guǎn)，實驗室标(biao)定結果如(ru)表2所示。試(shi)驗證明，采(cǎi)用雙頻🔅矩(ju)形波作爲(wei)勵磁信号(hào)🏃‍♀️，可有效🈚地(di)規避和抑(yi)止💚固井泥(ní)漿🈲的流動(dòng)噪聲🔴和現(xian)場震動等(deng)所帶來的(de)低頻噪聲(shēng)，從✨而顯著(zhe)提高儀表(biǎo)計量泥漿(jiāng)的精度。


6結(jie)束語
　　采用(yong)雙頻矩形(xing)波作爲勵(lì)磁信号，根(gen)據固井施(shi)工的特點(diǎn)和現場幹(gan)擾的分析(xi)，選取适當(dāng)的勵磁電(dian)流頻率提(tí)高儀表在(zài)工作🌈過程(chéng)中的抗幹(gàn)擾能力，顯(xiǎn)著提高了(le)固井泥漿(jiāng)的計量精(jīng)度。由于測(cè)量管爲無(wú)阻流檢測(ce)件的光滑(huá)管道，不可(ke)能被🐆泥漿(jiāng)中的☂️雜物(wu)卡堵(尤其(qi)用于高💯密(mi)度泥漿)而(er)⭐影響施工(gong)，且沖洗和(hé)保養🏃🏻‍♂️要求(qiú)很低，具⭕有(you)較好的推(tui)廣應🥰用價(jià)值。今後，将(jiāng)進一步研(yan)究勵♻️磁信(xìn)号的形式(shi)和勵磁電(diàn)流頻率的(de)選取，提高(gao)儀表在低(dī)流速階段(duan)的測量精(jing)度。

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