摘要：在分(fen)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(rǎo)特征，提出(chu)了一種新(xin)的勵磁信(xìn)🈲号形式，提(ti)高泥漿的(de)計量精度(du)，并給出現(xiàn)場結果。
固(gu)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(zài)确保井下(xia)安全的前(qian)提下，通過(guò)高壓壓入(ru)泥漿并控(kong)制施工流(liu)量，實現有(you)效驅替，提(tí)高所注🙇🏻水(shui)泥的頂替(tì)效率是避(bì)免鑽井液(yè)竄槽，保證(zheng)水泥膠結(jie)質量和環(huán)密封效🐉果(guo)的基本前(qian)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(zheng)确的計量(liàng)，是确保固(gu)井質量、提(tí)高施⭐工技(jì)術水平和(hé)效率、實現(xian)科學管理(lǐ)的必要手(shou)段。
　　由于固(gù)井泥漿物(wù)性及成份(fen)範圍很大(dà)，目前所采(cǎi)用的幾種(zhǒng)檢✂️測👅儀器(qì)和方法都(dōu)存在不少(shǎo)問題，例如(ru)：科裏奧利(lì) 質量流量(liàng)計 雖然計(jì)量精度很(hěn)高，但由于(yu)對外界振(zhen)動相當敏(mǐn)感，需要固(gù)定安裝，且(qiě)耐壓性很(hěn)差，不能用(yong)于高壓作(zuo)業實時計(ji)量； 超聲流(liú)量計 與物(wù)性及成份(fen)關系極大(da)，在固井現(xian)場難于推(tuī)廣使用；也(ye)有報道使(shi)用 電磁流(liu)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(dìng)的限制，不(bu)🏃‍♂️能用于準(zhǔn)确計量現(xian)場不同的(de)物性及成(chéng)份的泥漿(jiang)流量。目前(qian)各油🛀🏻田大(dà)多采用 渦(wo)輪流量計(ji) 來現場計(jì)量固井泥(ni)漿的流量(liàng)，其流量精(jīng)度(3％)雖能滿(mǎn)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(ni)🐕漿)，影響施(shī)工，且沖洗(xi)和軸承保(bao)養要求較(jiao)高，壽命不(bu)長。随♍着我(wo)國🈲大深度(dù)㊙️鑽井作業(ye)日益增多(duō)，高密度、大(dà)排量泥漿(jiang)在固井施(shi)工中使用(yòng)日趨頻繁(fán)，需要一種(zhǒng)新型的泥(ní)漿流量計(ji) 進行現場(chǎng)實時準确(què)計量。
　　從常(chang)規 電磁流(liú)量計原理(lǐ) 着手，在分(fèn)析勵磁信(xìn)号對計量(liang)精度影響(xiǎng)的基礎上(shàng)🏃‍♀️，針對固井(jing)施工現場(chǎng)的高密度(dù)、大流量泥(ní)漿管流場(chang)的特點，提(ti)出了一種(zhong)⁉️新的勵磁(ci)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(li)
　　根據法拉(lā)第電磁感(gan)應定律，當(dang)一導體在(zai)磁場中運(yùn)💘動而切割(ge)磁力線時(shí)，在導體兩(liǎng)端便會産(chan)生感應電(dian)動勢。在均(jun1)勻磁場中(zhong)，設垂直于(yu)磁場方向(xiàng)有一個直(zhi)徑爲D的無(wú)磁管道，内(nei)表面澆注(zhu)絕緣襯🈚裏(li)，外表面繞(rao)有線圈，在(zài)與計量管(guǎn)軸線和磁(ci)場磁力線(xiàn)相互垂直(zhi)的管壁上(shàng)安裝一對(dui)檢測電極(jí)。用于固井(jǐng)的泥漿是(shi)一種導電(dian)介質，當測(ce)量管道中(zhong)的泥漿流(liú)動時💋，泥漿(jiang)切割線圈(quan)中勵磁電(dian)流産生的(de)磁場，便會(hui)産生和泥(ni)漿💚的平均(jun1)流速v成正(zhèng)比感應電(dian)動勢E。

式中(zhong)：K爲儀表常(chang)數，當保持(chi)磁感應強(qiang)度B恒定時(shi)，測量感🏃‍♂️應(ying)電動勢便(biàn)可得管道(dao)的體積流(liu)量Q，且具有(yǒu)線性關系(xi)。
2勵磁方式(shì)
　　從測量原(yuan)理可知，隻(zhī)有測量管(guǎn)道維持均(jun1)勻、恒定的(de)磁場👣，即B爲(wei)常數時，體(tǐ)積流量Q與(yǔ)感應電動(dòng)勢E的線性(xing)關系才成(chéng)立，所以需(xu)要選擇合(he)适的勵磁(cí)方式。
　　勵磁(cí)技術是電(diàn)磁流量計(jì)中最關鍵(jian)的技術，目(mu)前一般采(cǎi)用直流勵(li)磁、工頻正(zheng)弦勵磁和(he)低頻方波(bo)勵磁三種(zhǒng)方式。直流(liu)勵磁用直(zhi)🥰流電或永(yong)久磁鐵産(chǎn)生磁場，結(jie)構👅雖簡單(dan)♋，但電極易(yi)發生🌏極化(huà)，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(lì)磁通🚶過勵(li)磁線圈産(chan)生交變磁(ci)場，但易産(chan)👈生正交幹(gan)擾和同相(xiang)幹擾等，引(yin)起零點漂(piāo)移。低頻方(fang)波勵磁用(yòng)低頻方波(bō)經功率放(fàng)大後♊勵磁(cí)線📱圈産生(shēng)磁場，在半(bàn)個周期内(nèi)，磁場是恒(héng)穩的直流(liu)磁場📱，受電(diàn)磁幹擾影(ying)響很小，同(tong)時消除由(you)分布電容(rong)引起的工(gōng)頻幹擾；同(tóng)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(li)磁易産生(shēng)的極化現(xian)象。目前這(zhè)種勵磁方(fang)式在電磁(cí)✊流量計上(shang)廣泛應用(yòng)💘。
　　常規電磁(ci)流量計所(suǒ)應用的低(dī)頻方波勵(lì)磁方式的(de)勵磁♍電流(liú)頻率通常(cháng)爲工頻的(de)1/4～1/10。目前深井(jǐng)(6000m以上)的固(gù)井施工中(zhōng)所使用泥(ní)⛷️漿的密度(dù)大多在1.8cm3以(yǐ)上，流速高(gāo)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(gao)壓下能消(xiāo)除非牛頓(dùn)流體所帶(dai)來的測量(liàng)🐇誤差，但測(cè)量管内會(huì)産生随流(liú)量增加而(er)頻率增加(jiā)的随機幹(gan)👈擾噪聲。經(jīng)測定，在DN50測(cè)量管内，所(suǒ)用的泥漿(jiāng)密度爲2.0g/cm3，流(liu)🈲速在10～15m/s範圍(wei)内，測量管(guǎn)内的♉流動(dòng)噪聲主要(yao)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(liang)級較大，高(gao)頻時幹擾(rao)數量級較(jiào)小，具有1/?的(de)頻譜特性(xìng)。另外，施工(gong)現場敲擊(ji)和震動所(suo)帶來的低(di)頻噪聲，也(ye)會影響電(diàn)磁流量計(jì)的計量精(jing)度。提高勵(lì)磁電流頻(pín)率可以規(guī)避和抑止(zhi)這些幹擾(rǎo)，以提高電(dian)磁流量傳(chuan)感器輸出(chū)的信噪比(bi)，但會犧牲(sheng)💯電磁流量(liang)計的零點(diǎn)穩定性。提(tí)出新的一(yī)種勵磁方(fang)式，采用雙(shuang)☔頻矩形波(bō)作爲勵磁(cí)信号。其勵(li)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(cai)樣頻💔率分(fèn)🐆别得到高(gāo)頻🔞和低頻(pín)兩種流量(liàng)信号。如圖(tu)㊙️2所示，高頻(pín)部分是80Hz的(de)矩形波，外(wài)🈲包絡線是(shì)10Hz的低頻矩(ju)形波。這🏃‍♂️樣(yang)，能克服單(dan)一低頻矩(jǔ)💃形波勵磁(cí)存在的泥(ní)漿流動噪(zao)聲，同時又(yòu)能保證零(líng)👈點的穩定(ding)性，提高流(liú)量計的計(jì)量穩定性(xing)和響應速(su)度。


3硬件系統(tǒng)
　　用于固井(jǐng)泥漿的電(dian)磁流量計(ji)的硬件部(bù)分主要由(yóu)傳感器、電(dian)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼源電路、勵(li)磁電路、信(xìn)号調理電(dian)路、信号采(cai)集處理電(dian)☎️路及接口(kou)電路等模(mó)塊組成，如(rú)圖3所示。重(zhong)點介紹關(guān)鍵模塊勵(lì)磁電路和(he)信号調理(li)電路。

3.1勵磁(cí)電路
　　勵磁(ci)電路決定(ding)儀表的工(gōng)作磁場，是(shì)儀表極其(qi)關鍵的部(bu)♻️分。中的勵(li)磁電路由(you)兩部分組(zu)成，如圖4所(suo)示。由單片(piàn)👉機MSP430F2418的定時(shi)器産生雙(shuāng)🛀頻矩形波(bō)，經光耦隔(ge)離後通過(guò)兩片場效(xiao)💃應管組成(chéng)的開關電(diàn)路實現通(tong)斷功⚽能。DH902爲(wei)恒流管，提(ti)供恒定的(de)勵磁電流(liú)，由MCU定時器(qi)脈沖寬度(dù)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(xin)号調理電(dian)路
　　電極輸(shū)出的感應(yīng)電動勢信(xin)号爲微伏(fú)至毫伏級(ji)交變💃🏻信号(hao)，經濾波後(hou)慮除部分(fen)高頻信号(hao)，然後送高(gāo)阻抗放大(da)器進行放(fang)大，經兩級(ji)帶通濾波(bo)器分别取(qu)出高頻、低(di)頻信号，隔(gé)直後保留(liu)交🐉流分量(liàng)送MCU的ADC引腳(jiǎo)。
4軟件系統(tong)
　　系統軟件(jian)采用模塊(kuài)化設計方(fāng)法，由控制(zhì)模塊、測量(liàng)模塊、空管(guan)檢測模塊(kuài)和解析軟(ruǎn)件組成。控(kòng)制模塊爲(wèi)本儀表的(de)主程序，用(yong)于産生雙(shuang)頻矩形勵(li)磁波、控制(zhì)流量信号(hào)的采集和(hé)處理、以菜(cai)單模式通(tong)過鍵盤操(cao)作和液晶(jing)顯示使儀(yí)表進入參(cān)數設定狀(zhuàng)态或工況(kuàng)顯示狀态(tài)。測量模塊(kuài)采集來自(zì)信号調理(li)模塊的流(liu)量信号，計(ji)算瞬時流(liú)量、累計流(liu)量和流速(su)，并進行相(xiang)應的儀表(biǎo)系數補償(chang)，由液晶屏(píng)顯示和接(jiē)口輸出。空(kōng)管檢測模(mo)塊用于設(shè)定使用實(shí)際環境的(de)地磁幅值(zhí)，檢測測量(liàng)管是否處(chù)于空管狀(zhuàng)态。解析軟(ruan)件用于将(jiang)計量數據(jù)自動生成(cheng)固井施工(gong)所需的各(ge)種報表和(he)圖标。
5試驗(yan)結果及分(fen)析
　　現場試(shì)驗所用測(ce)量管的内(nei)徑爲DN50，通過(guo)高壓由壬(rén)接入泥漿(jiang)管線，并串(chuan)接渦輪流(liú)量計進行(háng)比較，采用(yòng)标✉️準計⛹🏻‍♀️量(liang)罐測試。計(jì)量鑽井泥(ni)漿密度範(fàn)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(shun)💯時流量爲(wei)0.2cm3/min-2.8cm3/min(流速：1.6-23.8m/s)；通過(guò)近🍓15口井的(de)施💋工應用(yòng)，結果如表(biǎo)1所示。試驗(yàn)表明儀表(biao)計量誤差(cha)小于l％；在流(liú)速2.0m/s以下，随(sui)🌏着流量的(de)減少測試(shi)誤差逐漸(jiàn)提高，在流(liú)速1.0m/s左右計(ji)量精度降(jiang)到☁️3％左右。經(jing)分析，主要(yao)🔞是由零點(diǎn)漂移引🔴起(qi)的，這點與(yǔ)實驗室用(yòng)清水标定(ding)結🥰果基本(běn)吻合。使用(yong)㊙️DN50的💛測量管(guan)，實驗室标(biao)定結果如(ru)表2所示。試(shì)驗證明，采(cǎi)用雙頻矩(jǔ)形波作爲(wei)勵磁信号(hao)，可有效地(dì)規避和抑(yì)止🏃固井泥(ní)漿的流動(dong)噪聲和現(xiàn)場震動等(deng)🐇所帶來的(de)低頻噪聲(sheng)，從而顯著(zhe)提高儀表(biao)計量泥😘漿(jiāng)的精度。


6結(jié)束語
　　采用(yòng)雙頻矩形(xíng)波作爲勵(lì)磁信号，根(gen)據固井施(shī)工的特點(diǎn)和🐅現場幹(gàn)擾的分析(xī)，選取适當(dāng)的勵磁電(dian)流頻率提(ti)高儀㊙️表在(zai)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(ce)量管爲無(wú)阻流檢測(ce)件的光滑(hua)管道，不可(kě)能被泥漿(jiāng)中的雜物(wù)卡堵(尤其(qí)用于高密(mi)度泥漿)而(ér)影響施工(gōng)，且沖洗和(hé)保養❤️要求(qiu)很低，具🌈有(you)較好的推(tuī)廣應用價(jia)值。今後，将(jiang)進一步研(yan)究勵磁信(xìn)号的形式(shì)和勵磁電(dian)流頻率的(de)選取🌂，提高(gāo)儀表在低(di)流速階段(duan)的測量精(jing)度🌍。

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