摘要(yao)：在分析勵磁信(xìn)号對計量精度(du)影響的基礎上(shang)，針對🏃‍♀️固井作業(ye)高密度、大排量(liàng)泥漿管流場的(de)特點🌈和施💃工現(xiàn)場的幹擾特征(zhēng)，提出了一種新(xīn)的勵磁信号形(xing)式，提高泥漿的(de)計量精度，并給(gěi)出現場結果。
固(gù)井的目的就是(shi)使用水泥建立(li)層間封隔，首先(xian)它必須能夠㊙️有(yǒu)效地從井眼中(zhong)清除鑽井液。在(zài)确保井下安全(quán)的前提下，通過(guò)高壓壓入泥漿(jiang)并控制施工流(liú)量，實🌈現有效驅(qū)替，提高所注水(shui)泥的頂替效率(lü)是避免鑽井液(ye)竄槽，保證水泥(ni)膠結質量和環(huan)密封效㊙️果的基(ji)本前提。泥漿的(de)流❄️量是固井施(shi)工過程中的✏️重(zhòng)要參數，對💘其進(jin)行連續實時正(zheng)确的計量，是确(que)保固井質量、提(ti)高施工技術水(shui)平和效率、實現(xian)科學管理的必(bi)要手段。
　　由于固(gù)井泥漿物性及(jí)成份範圍很大(da)，目前所采用的(de)幾種檢測儀器(qì)和方法都存在(zai)不少問題，例如(rú)：科裏奧利 質量(liàng)流量計 雖然計(ji)量精度很高，但(dàn)由于對外界振(zhèn)動相當敏感，需(xu)要固定安裝，且(qie)耐壓性很差，不(bú)能用于高壓作(zuo)業實時計量； 超(chao)聲流量計 與物(wu)性及成份關系(xì)極大，在固井現(xiàn)場難于推廣使(shi)用；也有報道使(shi)用 電磁流量計(jì) 來計量固井泥(ni)漿，但耐壓(≤5MPa)和泥(ní)漿密度(≤1.8g/cm3)有一定(dìng)的限制，不能🧡用(yòng)于準确計量現(xiàn)場不同的物性(xìng)及成份的泥漿(jiāng)🎯流量。目前🐪各油(yóu)田大多采用 渦(wo)輪流量計 來現(xian)場計量固井泥(ni)漿的流量，其流(liu)量精度(3％)雖能滿(man)足要求，但渦輪(lún)常被泥漿中的(de)雜物卡堵(尤其(qí)用于🌂高密度泥(ni)漿)，影♻️響施工，且(qie)沖洗和軸承保(bao)養要求較🌈高，壽(shòu)命不長。随🆚着我(wo)國大深度鑽井(jing)作業日益增多(duō)，高密度、大排量(liang)泥漿在固井施(shi)工中使用日趨(qū)頻繁🚩，需要一種(zhǒng)新型的泥漿流(liú)量計 進行現場(chǎng)實時準确計量(liang)。
　　從常規 電磁流(liu)量計原理 着手(shou)，在分析勵磁信(xin)号對計量精度(dù)影響的基礎上(shàng)，針對固井施👉工(gōng)現場的高密度(dù)、大流量泥漿管(guan)流場的特點，提(ti)出了一種✊新的(de)勵磁信号形式(shi)，以提高固井泥(ní)漿的計量精度(du)。
1測量原理
　　根據(ju)法拉第電磁感(gǎn)應定律，當一導(dǎo)體在磁場中運(yùn)✔️動而切割磁力(lì)線時，在導體兩(liǎng)端便會産生感(gǎn)應電動勢⛱️。在均(jun)勻磁場中，設垂(chui)直于磁場方向(xiàng)有一個直✔️徑爲(wèi)D的無磁管💯道，内(nei)表面澆注絕緣(yuan)襯裏，外表面繞(rào)有線圈，在與計(ji)量管軸線和磁(cí)👣場磁力線相互(hu)垂直的管壁上(shàng)安裝一對檢測(ce)電極。用于固井(jǐng)的泥漿是一種(zhǒng)導電介質，當測(ce)量管道中🚩的泥(ní)漿流動時，泥漿(jiang)切割線圈🧑🏾‍🤝‍🧑🏼中勵(li)磁🐕電流産🏃🏻生的(de)磁場🌈，便會産生(sheng)和泥漿的平均(jun)流速v成正比感(gan)應電動勢E。

式中(zhong)：K爲儀表常數，當(dāng)保持磁感應強(qiang)度B恒定時，測量(liang)感應電動☔勢便(biàn)可得管道的體(ti)積流量Q，且具有(you)線性☔關系。
2勵磁(ci)方式
　　從測量原(yuán)理可知，隻有測(ce)量管道維持均(jun)勻、恒定的磁場(chǎng)，即B爲常數時，體(tǐ)積流量Q與感應(yīng)電動勢E的線性(xìng)關系才成立，所(suǒ)以需要選擇合(hé)适的勵磁方式(shi)。
　　勵磁技術是電(diàn)磁流量計中最(zui)關鍵的技術，目(mu)前一⚽般采用直(zhi)流🍓勵磁、工頻正(zhèng)弦勵磁和低頻(pín)方波勵磁三種(zhong)方式。直流🔴勵磁(cí)用直流電或永(yong)久磁鐵産生磁(cí)場，結構⭕雖簡單(dān)，但電極易發生(shēng)極化，難以保證(zhèng)B爲常💚數，使其應(ying)用範圍受限。工(gōng)頻正弦勵磁通(tōng)過勵磁線圈産(chan)生交變磁場，但(dàn)易産生正交幹(gàn)擾和同相幹擾(rǎo)等，引起零點🏃🏻漂(piao)移。低頻方波勵(lì)磁用低頻方波(bō)☁️經功率放大後(hou)勵磁線圈産生(sheng)🔞磁場，在半個周(zhou)期内，磁場是恒(heng)穩的直流磁場(chang)，受電磁幹擾影(yǐng)響很⭕小，同時消(xiao)除由分布電容(róng)引起的🔞工頻幹(gàn)擾；同時從整個(gè)時間💁過程來說(shuō)，方波信号是一(yī)🤟個交變的信号(hào)📧，克服了直流勵(li)磁易産生的極(ji)化現象。目前這(zhè)種勵磁方式在(zài)🎯電磁流量計上(shàng)廣泛應用。
　　常規(gui)電磁流量計所(suǒ)應用的低頻方(fang)波勵磁方式的(de)勵磁電👌流頻率(lǜ)通常爲工頻的(de)1/4～1/10。目前深井(6000m以上(shàng))的固✍️井施工中(zhong)所使用泥漿的(de)密度大多在1.8cm3以(yi)上，流速高達25m/s，所(suo)用的泥漿又是(shi)固液兩相低導(dǎo)率流體，雖然高(gāo)🈲壓下能消除非(fei)牛頓流體所帶(dai)來的測量誤差(cha)，但測量管内會(huì)産生随流量增(zēng)加而頻率增加(jiā)的随機幹擾噪(zào)聲。經測定，在DN50測(cè)量管内，所用的(de)泥漿密度爲2.0g/cm3，流(liú)速在10～15m/s範圍内，測(ce)量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻管内的流動(dong)噪聲😍主要爲尖(jian)峰狀的🌈泥漿流(liu)噪聲，量級在mv級(ji)，頻率集中在💃25Hz以(yi)下，如圖1所示。在(zai)勵磁頻率較低(di)時，泥漿幹擾的(de)數量級較大，高(gao)頻時幹擾數量(liàng)級較小，具有1/?的(de)頻譜特性。另外(wài)，施工🏃‍♂️現場敲擊(ji)和🙇‍♀️震動所帶來(lai)的低頻噪聲，也(ye)會影響電♊磁流(liu)量計的計量精(jing)度。提高勵磁電(dian)流頻率可以規(guī)避和抑止這些(xiē)幹擾，以提高電(diàn)磁流量傳感器(qì)輸出的信噪比(bǐ)，但會犧牲電磁(ci)流量計的零點(diǎn)穩定性。提❌出新(xin)的一種勵磁方(fang)式，采用雙🌈頻矩(jǔ)形波作爲勵磁(ci)信号。其勵磁🤞電(diàn)流波形是在低(di)頻矩形波上疊(die)加高⭐頻矩形波(bo)，用兩種采樣頻(pin)率分别得到高(gao)頻和低頻兩種(zhǒng)流量信号。如圖(tú)2所示，高頻部分(fen)是80Hz的矩形波，外(wài)包絡線是10Hz的低(dī)頻矩形波。這樣(yàng)，能克服單一低(dī)頻矩形波勵磁(ci)存在的泥漿流(liu)動噪聲，同⛱️時又(you)能保證零☔點的(de)穩定性，提高流(liú)量計的計量穩(wen)定性和響應速(sù)💰度。


3硬件(jiàn)系統
　　用于固井(jǐng)泥漿的電磁流(liú)量計的硬件部(bu)分主要由傳感(gǎn)器、電源😘電路、勵(li)磁電路、信号調(diao)理電路、信号采(cǎi)集處理電路及(ji)接口🔞電路等模(mó)塊組成，如圖3所(suǒ)示。重點介紹關(guan)鍵模塊勵磁電(diàn)路和信号調理(lǐ)電路。

3.1勵磁電路(lù)
　　勵磁電路決定(ding)儀表的工作磁(cí)場，是儀表極其(qí)關鍵的部分📐。中(zhong)❄️的勵磁電路由(you)兩部分組成，如(ru)圖4所示。由🐅單片(pian)機MSP430F2418的定時📱器産(chan)生雙頻矩形波(bō)，經光耦隔離後(hou)通過兩片場效(xiào)🌐應管組成的開(kāi)關電路實現通(tōng)斷功能。DH902爲恒流(liú)管，提供恒定的(de)勵磁電流，由MCU定(ding)🈲時器脈沖寬度(dù)調制(PWM)輸出經過(guò)濾波後控制勵(lì)磁電流的幅值(zhí)🏃，從而産生雙頻(pín)矩形波。

3.2信号調(diào)理電路
　　電極輸(shu)出的感應電動(dong)勢信号爲微伏(fu)至毫伏級交🏃🏻‍♂️變(biàn)信📐号，經濾🈲波後(hòu)慮除部分高頻(pín)信号，然後送高(gāo)阻抗放大器進(jin)行放大，經兩📱級(jí)帶通濾波器分(fen)别取出高頻、低(di)頻信号，隔直後(hou)保留交流分量(liàng)⛱️送MCU的ADC引腳。
4軟件(jiàn)系統
　　系統軟件(jiàn)采用模塊化設(shè)計方法，由控制(zhi)模塊、測量模塊(kuai)、空管檢測模塊(kuai)和解析軟件組(zǔ)成。控制模塊爲(wei)本儀表的主程(cheng)序，用于産生雙(shuāng)頻矩形勵磁波(bō)、控制流量信号(hao)的采集和處理(lǐ)、以菜單模式通(tōng)過鍵盤操作和(hé)液晶顯示使儀(yi)表進入參數設(she)定狀态或工況(kuàng)顯示狀态。測量(liang)模塊采集來自(zì)信号調理模塊(kuai)的流量信号，計(jì)算瞬時流量、累(lei)計流量和流速(sù)，并進行相應的(de)儀表系數補償(chang)，由液晶屏顯示(shi)和接口輸出。空(kong)管檢測模塊用(yong)于設定使用實(shí)際環境的地磁(ci)幅值，檢測測量(liàng)管是否處于空(kōng)管狀态。解析軟(ruǎn)件用于将計量(liang)數據自動生成(chéng)固井施工所需(xu)的各種報表和(hé)圖标。
5試驗結果(guo)及分析
　　現場試(shì)驗所用測量管(guǎn)的内徑爲DN50，通過(guò)高壓由壬接入(ru)泥漿管線，并串(chuàn)接渦輪流量計(jì)進行比較，采用(yong)标準計量罐測(cè)試。計量👅鑽井🚩泥(ní)漿密度範圍爲(wèi)1.15g/cm3～2.50g/cm3，固井設計施工(gong)現場一🤟次性替(tì)⛷️漿量爲18cm3~160cm3，替漿瞬(shun)時流量爲0.2cm3/min-2.8cm3/min(流速(su)：1.6-23.8m/s)；通過近⭐15口井的(de)施工應用，結果(guo)如表1所示。試驗(yàn)表明儀表計量(liàng)♈誤差小于l％；在🐅流(liú)速2.0m/s以下，随着流(liú)量的減少測試(shì)誤差逐漸提高(gāo)，在流速1.0m/s左右計(ji)量精度降到3％左(zuǒ)右。經分析，主要(yào)是由零⭕點漂移(yi)引起的，這點與(yǔ)實驗✨室用清水(shuǐ)标定結果基本(běn)吻合。使用DN50的測(ce)量管，實驗室标(biao)定🔞結果如表2所(suǒ)示。試驗🐪證明，采(cai)用雙頻矩形💋波(bo)作爲勵磁信号(hao)，可有效地規避(bi)和抑止固井泥(ni)漿的流動噪聲(sheng)🌐和現場震動等(deng)所帶來的低頻(pín)噪聲，從而顯✍️著(zhe)提高儀表計量(liàng)泥漿的🔴精度。


6結(jie)束語
　　采用雙頻(pin)矩形波作爲勵(lì)磁信号，根據固(gu)井施工的特❄️點(diǎn)和㊙️現場幹擾的(de)分析，選取适當(dāng)的勵磁電流頻(pin)♻️率提高儀表在(zài)工作過程中的(de)抗幹擾能力，顯(xiǎn)著提高了固井(jǐng)泥漿的計量精(jīng)度。由于測量管(guǎn)爲無阻流⭐檢測(ce)件的光滑管道(dào)，不可能被⭐泥漿(jiāng)中的雜物卡堵(du)🔆(尤其用于高⭕密(mi)度泥漿)而影響(xiang)施工，且沖洗和(hé)保養👌要求很低(di)，具有較好的推(tuī)廣應⛱️用價值。今(jin)後，将🈲進一🔞步研(yan)究勵磁信号的(de)形式和勵磁電(dian)流頻率的選取(qu)🚩，提高儀表在低(di)流速階段的測(cè)量精度。

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