摘要(yao)：在分析勵(li)磁信号對(dui)計量精度(du)影響的基(ji)礎上，針對(dui)固井作🍉業(ye)高密度、大(da)排量泥漿(jiang)管流場的(de)特點和施(shi)🌈工現場的(de)幹擾㊙️特征(zheng)🔆，提出了一(yi)種新的勵(li)磁信号形(xing)式，提高泥(ni)漿的計量(liang)精度，并給(gei)出現場結(jie)果。
固井的(de)目的就是(shi)使用水泥(ni)建立層間(jian)封隔，首先(xian)它必須🐆能(neng)夠有❤️效地(di)從井眼中(zhong)清除鑽井(jing)液。在确保(bao)井下安全(quan)的前提✌️下(xia)，通過高壓(ya)壓入泥漿(jiang)并控制施(shi)工流量，實(shi)現有效驅(qu)替，提高所(suo)注🈲水泥的(de)頂替效率(lü)是避免鑽(zuan)井液竄槽(cao)，保㊙️證水泥(ni)膠結質量(liang)和環密封(feng)效🤩果的基(ji)本前提。泥(ni)漿的流量(liang)是固井施(shi)💃工過程中(zhong)的💚重要參(can)數，對其進(jin)行連續實(shi)時正确的(de)計量，是确(que)保固井質(zhi)量、提高施(shi)工技術👣水(shui)平和效率(lü)、實現科學(xue)管✏️理的必(bi)要手段。
　　由(you)于固井泥(ni)漿物性及(ji)成份範圍(wei)很大，目前(qian)所采用的(de)♊幾種檢測(ce)🆚儀器和方(fang)法都存在(zai)不少問題(ti)，例如：科裏(li)奧利 質量(liang)流量計 雖(sui)然計量精(jing)度很高，但(dan)由于對外(wai)界振動相(xiang)當敏感，需(xu)要固定安(an)裝，且耐壓(ya)性很差，不(bu)能用于高(gao)壓作業實(shi)時計量； 超(chao)聲流量計(ji) 與物性及(ji)成份關系(xi)極大，在固(gu)井現場難(nan)于推廣使(shi)用；也有🍓報(bao)道使用 電(dian)磁流量計(ji) 來計量固(gu)井泥漿，但(dan)耐壓(≤5MPa)和泥(ni)漿密度(≤1.8g/cm3)有(you)一定的限(xian)👄制，不能用(yong)💞于準确計(ji)量現場不(bu)同的物性(xing)及成份的(de)泥漿流量(liang)。目前各油(you)田大🌐多采(cai)用 渦輪流(liu)量計 來現(xian)場計量固(gu)井泥漿的(de)流量，其流(liu)量精度(3％)雖(sui)能滿足要(yao)求，但🏃🏻‍♂️渦輪(lun)常被泥漿(jiang)中的雜物(wu)卡堵(尤其(qi)用于高密(mi)度泥漿)，影(ying)📱響施工，且(qie)沖洗和軸(zhou)承保養要(yao)求較🈲高，壽(shou)命不長。随(sui)着我國大(da)深度鑽井(jing)作🔅業日益(yi)增多，高密(mi)度、大排量(liang)泥漿在固(gu)井施工中(zhong)使用日趨(qu)頻繁✉️，需要(yao)一種新型(xing)的泥漿流(liu)量計 進行(hang)現場實時(shi)準确計量(liang)。
　　從常規 電(dian)磁流量計(ji)原理 着手(shou)，在分析勵(li)磁信号對(dui)計量精度(du)影響的基(ji)礎上，針對(dui)固井施🌈工(gong)現場的高(gao)密度、大流(liu)量泥漿管(guan)流場⛱️的特(te)點，提出了(le)一種新的(de)勵磁信号(hao)形式，以提(ti)高固井泥(ni)漿🌈的計量(liang)📞精度。
1測量(liang)原理
　　根據(ju)法拉第電(dian)磁感應定(ding)律，當一導(dao)體在磁場(chang)中運動而(er)切割磁力(li)線時，在導(dao)體兩端便(bian)會産生感(gan)應電動勢(shi)。在均勻磁(ci)場中，設垂(chui)🔴直于磁場(chang)方向有一(yi)個直徑爲(wei)D的無磁管(guan)道，内表面(mian)澆注絕緣(yuan)襯裏，外表(biao)面繞有線(xian)圈，在與計(ji)量管軸線(xian)和磁場磁(ci)力線🐪相互(hu)垂直💚的管(guan)壁上安裝(zhuang)一對檢測(ce)電極。用于(yu)固🌐井的泥(ni)漿是一種(zhong)導電介質(zhi)，當測量管(guan)道中💘的泥(ni)漿流動時(shi)，泥漿切割(ge)線圈中勵(li)磁🐅電流産(chan)生的磁場(chang)，便會産生(sheng)和泥❗漿的(de)平均流速(su)v成正比感(gan)應電動勢(shi)E。

式中：K爲儀(yi)表常數，當(dang)保持磁感(gan)應強度B恒(heng)定時，測量(liang)♉感應✌️電動(dong)勢🛀便可得(de)管道的體(ti)積流量Q，且(qie)具有線性(xing)關系。
2勵磁(ci)方式
　　從測(ce)量原理可(ke)知，隻有測(ce)量管道維(wei)持均勻、恒(heng)定的磁🏃🏻場(chang)，即B爲常數(shu)時，體積流(liu)量Q與感應(ying)電動勢E的(de)線性關系(xi)才成立，所(suo)以需要選(xuan)擇合适的(de)勵磁方式(shi)。
　　勵磁技術(shu)是電磁流(liu)量計中最(zui)關鍵的技(ji)術，目前一(yi)💜般采用直(zhi)🔴流勵磁、工(gong)頻正弦勵(li)磁和低頻(pin)方波勵磁(ci)三種方式(shi)。直流勵磁(ci)用直流電(dian)或永久磁(ci)鐵産生磁(ci)場，結構☎️雖(sui)簡單，但電(dian)極⭐易發生(sheng)🏃‍♂️極化，難以(yi)保證B爲常(chang)數，使其應(ying)用範圍受(shou)限。工頻正(zheng)弦勵磁通(tong)過勵磁線(xian)圈産生交(jiao)變磁場，但(dan)易産生正(zheng)交幹擾和(he)同相幹擾(rao)等，引起零(ling)點漂🈲移。低(di)頻方波勵(li)磁用低頻(pin)方波經功(gong)率放大後(hou)勵磁線🔴圈(quan)産生磁場(chang)，在半個周(zhou)期内，磁場(chang)是恒穩的(de)直流磁場(chang)，受電磁幹(gan)擾影響很(hen)小，同時消(xiao)🌐除由分布(bu)電容引起(qi)的工頻幹(gan)擾；同時從(cong)整個時間(jian)🔴過程來說(shuo)，方波信号(hao)是一個交(jiao)變的信号(hao)㊙️，克服了直(zhi)👉流勵磁易(yi)産生的極(ji)化現象。目(mu)前這種勵(li)磁方式在(zai)電磁流量(liang)計上廣泛(fan)應用。
　　常規(gui)電磁流量(liang)計所應用(yong)的低頻方(fang)波勵磁方(fang)式的勵磁(ci)電流頻率(lü)通常爲工(gong)頻的1/4～1/10。目前(qian)深井(6000m以上(shang))的固井施(shi)工中所使(shi)💘用泥💃🏻漿的(de)密度大多(duo)在1.8cm3以上，流(liu)速高達25m/s，所(suo)用🔞的泥漿(jiang)又是固🚶液(ye)兩相低導(dao)率流體，雖(sui)然高壓下(xia)能消㊙️除非(fei)牛頓☔流體(ti)所帶來的(de)測量誤差(cha)，但測💛量管(guan)内會産🐅生(sheng)随流量增(zeng)加而頻率(lü)增加的随(sui)機幹擾噪(zao)聲。經測定(ding)，在DN50測量管(guan)内，所🙇‍♀️用的(de)泥漿密度(du)爲2.0g/cm3，流速在(zai)10～15m/s範圍内，測(ce)量管内的(de)流動噪聲(sheng)主要爲尖(jian)峰狀🌍的泥(ni)漿流噪聲(sheng)，量級在mv級(ji)，頻率集中(zhong)在25Hz以下，如(ru)圖1所👣示。在(zai)勵磁頻率(lü)較低時，泥(ni)漿幹擾的(de)數量級較(jiao)大，高🐪頻時(shi)幹擾數量(liang)級較小，具(ju)有1/?的頻譜(pu)特性⁉️。另外(wai)，施工現場(chang)敲擊和震(zhen)動所帶來(lai)的💃低頻噪(zao)聲，也會影(ying)響電磁流(liu)量計的計(ji)量精度。提(ti)高勵磁電(dian)流頻率可(ke)以規避和(he)抑止這些(xie)幹擾，以提(ti)高電磁✏️流(liu)量傳感器(qi)輸出🚶‍♀️的信(xin)噪比，但會(hui)犧牲電磁(ci)流量計的(de)零點穩定(ding)性。提🌐出新(xin)的一種勵(li)磁方♉式，采(cai)用雙頻矩(ju)形波作爲(wei)勵磁信号(hao)👉。其勵磁電(dian)流波形是(shi)在低頻矩(ju)形波🤞上疊(die)加高頻矩(ju)形波，用兩(liang)種采樣頻(pin)率分别得(de)到高頻和(he)低頻兩種(zhong)流量信号(hao)。如圖💁2所示(shi)，高頻部分(fen)是80Hz的矩形(xing)波，外🚶包絡(luo)線是10Hz的低(di)頻矩形波(bo)。這樣，能克(ke)服單一低(di)頻矩形波(bo)勵磁存在(zai)的泥漿流(liu)動噪聲，同(tong)🙇‍♀️時又能保(bao)證零🏒點的(de)穩定性，提(ti)高流量計(ji)的計✊量穩(wen)定性和響(xiang)應速度👄。


3硬件(jian)系統
　　用于(yu)固井泥漿(jiang)的電磁流(liu)量計的硬(ying)件部分主(zhu)要由傳🏒感(gan)器、電源電(dian)路、勵磁電(dian)路、信号調(diao)理電路、信(xin)号采集處(chu)理電路及(ji)接口電路(lu)等模塊組(zu)成，如圖3所(suo)示。重點介(jie)紹關鍵模(mo)塊勵磁電(dian)路和信号(hao)調理電路(lu)。

3.1勵磁電路(lu)
　　勵磁電路(lu)決定儀表(biao)的工作磁(ci)場，是儀表(biao)極其關鍵(jian)的部📞分。中(zhong)的勵磁電(dian)路由兩部(bu)分組成，如(ru)圖4所示。由(you)單片機MSP430F2418的(de)👅定時器産(chan)生雙頻矩(ju)形波，經光(guang)耦隔離後(hou)🙇‍♀️通過兩片(pian)場效應管(guan)組成的開(kai)❌關電路實(shi)現通斷功(gong)能。DH902爲恒流(liu)管，提供恒(heng)定的勵磁(ci)電流，由MCU定(ding)時器脈沖(chong)🈚寬度調制(zhi)(PWM)輸出經過(guo)濾波後控(kong)制勵磁電(dian)流的幅值(zhi)，從而産生(sheng)雙頻矩形(xing)波。

3.2信号調(diao)理電路
　　電(dian)極輸出的(de)感應電動(dong)勢信号爲(wei)微伏至毫(hao)伏級交變(bian)信号，經⛱️濾(lü)波後慮除(chu)部分高頻(pin)信号，然後(hou)送高阻抗(kang)放大器進(jin)行放大，經(jing)兩級帶通(tong)濾波器分(fen)别取出高(gao)頻、低♊頻信(xin)号⛹🏻‍♀️，隔直後(hou)🌏保留交流(liu)分量👌送MCU的(de)ADC引腳。
4軟件(jian)系統
　　系統(tong)軟件采用(yong)模塊化設(she)計方法，由(you)控制模塊(kuai)、測量模塊(kuai)、空管檢測(ce)模塊和解(jie)析軟件組(zu)成。控制模(mo)塊爲本儀(yi)表的主程(cheng)序，用于産(chan)生雙頻矩(ju)形勵磁波(bo)、控制流量(liang)信号的采(cai)集和處理(li)、以菜單模(mo)式通過鍵(jian)盤操作和(he)液晶顯示(shi)使儀表進(jin)入參數設(she)定狀态或(huo)工況顯示(shi)狀态。測量(liang)模塊采集(ji)來自信号(hao)調理模塊(kuai)的流量信(xin)号，計算瞬(shun)時流量、累(lei)計流量和(he)流速，并進(jin)行相應的(de)儀表系數(shu)補償，由液(ye)晶屏顯示(shi)和接口輸(shu)出。空管檢(jian)測模塊用(yong)于設定使(shi)用實際環(huan)境的地磁(ci)幅值，檢測(ce)測量管是(shi)否處于空(kong)管狀态。解(jie)析軟件用(yong)于将計量(liang)數據自動(dong)生成固井(jing)施工所需(xu)的各種報(bao)表和圖标(biao)。
5試驗結果(guo)及分析
　　現(xian)場試驗所(suo)用測量管(guan)的内徑爲(wei)DN50，通過高壓(ya)由壬接入(ru)泥👣漿管線(xian)，并串接渦(wo)輪流量計(ji)進行比較(jiao)，采用标準(zhun)計量罐測(ce)試。計量鑽(zuan)井泥漿密(mi)度範圍爲(wei)1.15g/cm3～2.50g/cm3，固井設計(ji)施工現場(chang)一✍️次性替(ti)漿量爲18cm3~160cm3，替(ti)漿瞬時流(liu)量爲0.2cm3/min-2.8cm3/min(流速(su)：1.6-23.8m/s)；通過近15口(kou)井的施👅工(gong)應用，結果(guo)如表1所示(shi)。試驗表明(ming)儀表計量(liang)誤差小于(yu)l％；在流速2.0m/s以(yi)下，随着流(liu)量的減少(shao)測試誤差(cha)逐⭐漸提高(gao)，在流速1.0m/s左(zuo)右計量精(jing)度降到3％左(zuo)右。經分析(xi)，主要是由(you)零點漂移(yi)引起的，這(zhe)點與實驗(yan)🌐室用清水(shui)标定結果(guo)基本吻合(he)。使用DN50的測(ce)量管，實驗(yan)室标定結(jie)果如表2所(suo)🚶‍♀️示。試驗證(zheng)明，采用雙(shuang)頻矩形👄波(bo)作爲勵磁(ci)信号，可有(you)效地規避(bi)和抑止固(gu)井泥漿的(de)流動噪聲(sheng)和現場震(zhen)動等所帶(dai)來的低頻(pin)噪聲，從而(er)顯著提高(gao)儀表計量(liang)泥漿的精(jing)度。


6結束語(yu)
　　采用雙頻(pin)矩形波作(zuo)爲勵磁信(xin)号，根據固(gu)井施工的(de)特點和現(xian)場幹擾的(de)分析，選取(qu)适當的勵(li)磁電流頻(pin)率提高儀(yi)表在工作(zuo)過程中的(de)抗幹擾能(neng)力，顯著提(ti)高了固井(jing)泥漿的計(ji)量精度。由(you)于測量管(guan)爲無阻流(liu)檢測件的(de)光滑管道(dao)，不可能被(bei)泥漿中的(de)💰雜物卡堵(du)(尤其用于(yu)高密度泥(ni)漿)而影響(xiang)施工，且💘沖(chong)洗和保養(yang)要求很低(di)，具有較好(hao)的推廣應(ying)用價值。今(jin)後，将進一(yi)步研究勵(li)磁信号的(de)形式😘和勵(li)磁電流頻(pin)率的選取(qu)，提高儀表(biao)在低流速(su)階段的測(ce)量精度。

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