摘要(yao)：在分析勵磁信号(hào)對計量精度影響(xiang)的基礎上，針對🐉固(gù)井作業高密度、大(dà)排量泥漿管流場(chǎng)的特點🏒和施工現(xiàn)場的幹擾特征，提(ti)出了一種新的勵(li)磁信号形式，提高(gāo)泥漿的計量精度(dù)，并給出現場結果(guo)。
固井的目的就是(shi)使用水泥建立層(céng)間封隔，首先它必(bì)須能夠有效地從(cóng)井眼中清除鑽井(jing)液。在确保井下安(ān)全的前提㊙️下，通過(guo)高壓壓入泥漿并(bing)控制施工流量，實(shí)🌈現有效🈲驅替，提高(gao)所注水泥的頂替(tì)效率是避免鑽井(jǐng)🎯液竄槽，保證水泥(ní)膠結質量和環密(mi)封效果的基本前(qián)提。泥漿的流量是(shì)固井施工過程中(zhōng)的🔞重要參數，對其(qí)進行連續實時正(zhèng)确的計量，是确保(bao)固井質量、提高施(shi)工技術水平和效(xiao)🚶‍♀️率、實現科學管理(li)的必要手段。
　　由于(yú)固井泥漿物性及(ji)成份範圍很大，目(mù)前所采用的幾種(zhong)檢測🌂儀器和方法(fa)都存在不少問題(tí)，例如：科裏奧利 質(zhì)量流量計 雖然計(ji)量精度很高，但由(yóu)于對外界振動相(xiàng)當敏感，需♊要固定(ding)安裝，且耐壓性很(hen)差，不能用于高壓(ya)作業🌈實時計量； 超(chāo)聲流量計 與物性(xìng)及成份關系極大(dà)，在固井現場難于(yu)推廣使用；也有🔞報(bào)道使用 電磁流量(liang)計 來計量固井泥(ni)漿，但耐壓(≤5MPa)和泥漿(jiāng)密度(≤1.8g/cm3)有一定的限(xiàn)🍓制，不能⭐用于準确(què)計量現場不同的(de)物性及成份的泥(ní)漿流量。目前各油(you)田大多采用 渦輪(lún)流量計 來現場計(ji)量固井泥漿的流(liú)量，其流量精度(3％)雖(sui)能滿足要求，但渦(wō)🤩輪常被泥漿中的(de)雜物卡堵(尤其用(yòng)于高密度泥漿)，影(ying)響施工，且沖洗和(he)軸承保養要求較(jiào)📧高，壽命不長。随着(zhe)我國大深度鑽井(jǐng)作⭕業日益增多，高(gao)密度、大排量泥漿(jiāng)在固井施工中使(shi)用日趨頻繁🙇🏻，需要(yao)一種新🈲型的泥漿(jiāng)流量計 進行現場(chang)實時準确計量。
　　從(cong)常規 電磁流量計(jì)原理 着手，在分析(xi)勵磁信号對計量(liàng)精度影響的基礎(chǔ)上✂️，針對固井施工(gōng)現場的高密度、大(da)流量泥漿管流場(chǎng)的特點，提出了一(yī)種新的勵磁信号(hao)形式，以提高固井(jǐng)泥漿的計量🔴精度(dù)。
1測量原理
　　根據法(fǎ)拉第電磁感應定(ding)律，當一導體在磁(cí)場中運🌈動☔而✨切割(gē)磁😘力線時，在導體(ti)兩端便會産生感(gǎn)應電動勢。在均勻(yún)磁場中，設垂直于(yu)磁場方向有一個(gè)直徑爲D的無磁管(guan)道，内表面澆注絕(jue)緣襯🤩裏，外表面繞(rào)有線圈，在與計量(liang)管軸線和磁場磁(ci)力線相互垂直的(de)管壁上安💘裝一對(duì)檢測🍉電極。用于固(gù)❌井的泥漿是♌一種(zhǒng)導電介💛質，當測量(liàng)管道中的泥漿流(liú)動時，泥漿切割線(xiàn)圈👉中勵磁🍉電流産(chǎn)生的磁場🏃🏻，便會産(chǎn)生和泥漿🌂的平均(jun)流速v成正比感應(yīng)電動勢E。

式中：K爲儀(yí)表常數，當保持磁(cí)感應強度B恒定時(shi)，測量感應🚶‍♀️電動勢(shi)🈚便可得管道的體(tǐ)積流量Q，且具有線(xiàn)性關系💯。
2勵磁方式(shì)
　　從測量原理可知(zhī)，隻有測量管道維(wei)持均勻、恒定的磁(ci)場，即B爲常數時，體(ti)積流量Q與感應電(dian)動勢E的線性‼️關系(xì)才成立，所以需🚶‍♀️要(yao)選擇合适的勵磁(cí)方式。
　　勵磁技術是(shì)電磁流量計中最(zui)關鍵的技術，目前(qian)一般采👄用直流勵(li)磁、工頻正弦勵磁(ci)和低頻方波勵磁(cí)三種方式。直流勵(lì)磁用直🚶流電或永(yǒng)久磁鐵産生磁🏃‍♂️場(chang)，結構雖簡單，但電(diàn)極🐇易發生極化，難(nán)以保證B爲常數，使(shǐ)其應用範圍受限(xian)。工頻正弦勵磁通(tōng)過勵磁線圈産生(sheng)交變磁場，但易産(chan)生正交幹擾和同(tong)相幹擾等，引起零(ling)點漂移。低頻方波(bō)勵磁用低頻方波(bō)經功率放大後勵(lì)磁線👉圈産生磁場(chǎng)，在半個周期内，磁(cí)場❓是恒穩的直流(liu)磁場，受電磁幹擾(rao)影響很小，同時消(xiāo)除由分布電容引(yin)起的♌工頻幹擾；同(tóng)時從整個時間📐過(guò)程來說，方波信号(hao)是一☔個交變的信(xìn)号，克服了直⭐流勵(lì)磁易産生的極化(huà)現象。目前這種勵(lì)磁方式在電磁流(liú)量計上廣泛應用(yòng)。
　　常規電磁流量計(jì)所應用的低頻方(fāng)波勵磁方式的✊勵(lì)磁電流頻率通常(chang)爲工頻的1/4～1/10。目前深(shen)井(6000m以上)的固井施(shi)工中所使用泥🈲漿(jiang)的密度大多在1.8cm3以(yi)上，流速高達25m/s，所用(yong)🔞的泥漿又是固液(ye)兩相低導率流體(tǐ)，雖然高壓下能消(xiao)⚽除非牛頓流體所(suo)帶來的測量誤差(chà)，但測量管内會産(chan)生随流量增✨加而(ér)頻率增加的随機(jī)幹擾噪聲。經測定(dìng)，在DN50測量管内，所🏃用(yong)的泥漿密度爲2.0g/cm3，流(liú)速在10～15m/s範圍内，測量(liang)管内的流動噪聲(sheng)主要爲尖峰狀的(de)泥漿流噪聲，量級(jí)在mv級，頻率集中在(zài)25Hz以🧑🏾‍🤝‍🧑🏼下，如圖1所示。在(zai)勵磁頻率較低時(shí)，泥漿幹擾的數量(liang)級較大，高頻時幹(gàn)擾數量級較小，具(ju)有1/?的頻譜特性。另(lìng)外，施工現場敲擊(ji)和震動所帶來的(de)低頻噪聲，也會影(yǐng)響電磁流量計的(de)計量精度。提高勵(lì)磁電流頻率可以(yi)規避和抑止♌這些(xie)幹擾，以提高電磁(ci)流量傳感器輸出(chu)的信噪比，但會犧(xī)牲電磁流量計的(de)零點穩定性🔞。提出(chū)新的一種勵磁方(fāng)式，采用雙💋頻矩形(xíng)波作爲勵磁信号(hào)。其勵磁電流波形(xíng)是在低頻矩形波(bo)🈲上疊加高頻矩形(xing)波，用兩種采樣頻(pin)率分别得到高頻(pín)和低頻🏒兩種流量(liang)信号。如圖2所示，高(gāo)頻部分是80Hz的矩形(xing)波，外包絡線是10Hz的(de)低頻矩形波。這樣(yàng)，能克服單一低頻(pín)矩🔴形波勵磁存在(zài)的泥漿流動噪聲(shēng)，同時又能保證零(ling)點的穩定性💁，提高(gao)流量計的計量穩(wěn)定性和響應速度(du)。


3硬件系(xì)統
　　用于固井泥漿(jiang)的電磁流量計的(de)硬件部分主要由(yóu)🐉傳感器🐆、電🏒源電路(lù)、勵磁電路、信号調(diao)理電路、信号采集(ji)處理電路及接口(kou)電路等模塊組成(chéng)，如圖3所示。重點介(jie)紹關鍵模塊勵磁(cí)電路和信号調理(lǐ)電路。

3.1勵磁電路
　　勵(li)磁電路決定儀表(biǎo)的工作磁場，是儀(yi)表極其關鍵的部(bù)分。中的勵磁電路(lù)由兩部分組成，如(rú)圖4所示。由單片機(jī)MSP430F2418的🈚定時💋器産生雙(shuang)頻矩形波，經光耦(ou)隔離後通過兩片(piàn)場效應管組🔅成的(de)開關電路實現通(tōng)斷功能。DH902爲恒流⭐管(guan)，提供恒定的勵磁(cí)電流，由MCU定🙇‍♀️時器脈(mò)沖寬度調制(PWM)輸出(chu)經過濾波後控制(zhì)勵磁電流的幅值(zhi)🐕，從而産生雙頻✏️矩(ju)形波。

3.2信号調理電(diàn)路
　　電極輸出的感(gǎn)應電動勢信号爲(wei)微伏至毫伏級交(jiāo)變信🐆号，經😘濾💘波後(hou)慮除部分高頻信(xìn)号，然後送高阻抗(kàng)放✊大器進行放大(da)，經兩級帶通濾波(bo)器分别取出高頻(pin)、低頻信号，隔直後(hou)保留交流分量送(sòng)MCU的ADC引腳。
4軟件系統(tǒng)
　　系統軟件采用模(mó)塊化設計方法，由(yóu)控制模塊、測量模(mó)塊、空管檢測模塊(kuai)和解析軟件組成(cheng)。控制模塊爲本儀(yí)表的主程序，用于(yu)産生雙頻矩形勵(lì)磁波、控制流量信(xin)号的采集和處理(lǐ)、以菜單模式通過(guo)鍵盤操作和液晶(jing)顯示使儀表進入(ru)參數設定狀态或(huò)工況顯示狀态。測(ce)量模塊采集來自(zi)信号調理模塊的(de)流量信号，計算瞬(shun)時流量、累計流量(liang)和流速，并進行相(xiàng)應的儀表系數補(bǔ)償，由液晶屏顯示(shì)和接口輸出。空管(guan)檢測模塊用于設(she)定使用實際環境(jìng)的地磁幅值，檢測(ce)測量管是否處于(yú)空管狀态。解析軟(ruan)件用于将計量數(shù)據自動生成固井(jǐng)施工所需的各種(zhong)報表和圖标。
5試驗(yan)結果及分析
　　現場(chang)試驗所用測量管(guǎn)的内徑爲DN50，通過高(gao)壓由壬接入泥👣漿(jiang)管線，并串接渦輪(lún)流量計進行比較(jiào)，采用标準計量罐(guàn)測試。計量鑽井泥(ní)漿密度範圍爲1.15g/cm3～2.50g/cm3，固(gu)井設計施工🔞現場(chǎng)一次性替漿量爲(wèi)18cm3~160cm3，替漿瞬時流量爲(wèi)0.2cm3/min-2.8cm3/min(流速：1.6-23.8m/s)；通過近15口井(jǐng)的施工應用，結🔆果(guo)如表1所⛱️示。試驗表(biǎo)明儀表計量誤差(cha)小于l％；在流速2.0m/s以下(xia)，随着流量的減📐少(shǎo)測試誤差逐漸提(ti)高，在流速1.0m/s左右計(jì)量精度降到3％左右(you)。經分析，主要😘是由(you)零點漂移引起的(de)，這點與實驗室用(yong)清水标定結📞果基(jī)本吻合。使用DN50的測(cè)量管，實驗室标定(dìng)結果如表2所示。試(shi)驗💃證明，采用雙頻(pin)矩形波作爲勵磁(ci)信号，可有效地規(gui)避和抑止固井泥(ni)漿的流動噪聲和(he)現場震動等所帶(dài)來的低頻噪聲，從(cong)而顯‼️著提高儀表(biao)計量泥漿的精度(du)。


6結束語
　　采用雙頻(pín)矩形波作爲勵磁(ci)信号，根據固井施(shi)工的特點和現場(chang)幹擾的分析，選取(qu)适當的勵磁電流(liú)頻🈲率提高儀表在(zài)工作過程中的抗(kang)幹擾能力，顯著提(ti)高了固🚶‍♀️井泥漿的(de)計量精度。由于測(cè)量管爲無阻流檢(jian)測件的光滑管道(dào)，不可能被泥漿中(zhōng)的🧡雜物卡堵(尤其(qi)用于高🌂密度泥漿(jiāng))而影響施工，且沖(chòng)洗和保養要求很(hěn)低，具⁉️有較好的推(tuī)廣應用價值。今後(hou)，将進一步研究勵(li)磁信号的形式和(hé)勵磁電流頻率的(de)選取，提高儀表在(zài)低流速階段的測(ce)量精度。

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