摘要(yào)：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(yè)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(xin)的勵磁信号形(xíng)式，提高泥漿的(de)計量精度，并給(gei)出現場結果。
固(gu)井的目的就是(shi)使用水泥建立(li)層間封隔，首先(xiān)它必📐須🙇‍♀️能夠🙇‍♀️有(yǒu)效地從井眼中(zhōng)清除鑽井液。在(zai)确保井下安‼️全(quán)的前提下，通過(guò)高壓壓入泥漿(jiāng)并控制施工流(liu)量，實現有效驅(qū)替，提高所注❤️水(shuǐ)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(huán)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(zhong)要參數，對其進(jin)行連續實時正(zhèng)确的計量，是确(què)保固井質量、提(ti)高施工技術水(shuǐ)平和效率、實現(xiàn)科學管🔞理的必(bi)要手段。
　　由于固(gu)井泥漿物性及(jí)成份範圍很大(dà)，目前所采用的(de)🥰幾種檢測🔴儀器(qi)和方法都存在(zài)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(dan)由于對外界振(zhèn)動相當敏感，需(xū)要固定安裝，且(qiě)耐壓性很差，不(bu)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(xian)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(ní)漿，但耐壓(≤5MPa)和泥(ni)漿密度(≤1.8g/cm3)有一定(dìng)的限制，不能用(yong)于準确計量現(xiàn)場不同的物性(xìng)及成份的泥漿(jiang)流量。目前各油(yóu)田大多采用 渦(wō)輪流量計 來現(xiàn)場計量固井泥(ni)漿的流量，其流(liú)量精度(3％)雖能滿(man)足要求🤟，但🛀渦輪(lun)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(shou)命不長。随着我(wo)國大深度鑽井(jǐng)作業日益增多(duo)，高密度、大排量(liàng)泥漿在固井施(shī)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(liú)量計原理 着手(shou)，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♍施工(gong)現場的高密度(dù)、大流量泥漿管(guan)流場的特點，提(tí)出了一種新的(de)勵磁信号形式(shì)，以提高固井泥(ní)漿的計量精度(dù)。
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(yun)動🔴而切割磁力(li)線時，在導體兩(liǎng)端便會産生感(gan)應電動勢。在均(jun1)💞勻磁場中，設垂(chuí)直于磁場方向(xiang)有一個直🤟徑爲(wei)D的無磁管道，内(nei)表面澆注絕緣(yuán)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(shang)安裝一對檢測(cè)電極。用于固🌂井(jing)的泥漿是一種(zhǒng)導電介質，當測(cè)量管道中🐪的泥(ni)漿流動時，泥漿(jiang)切割線圈中勵(lì)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(qiáng)度B恒定時，測量(liang)🐆感應電🌈動😄勢🈲便(biàn)可得管道的體(tǐ)積流量Q，且具有(you)線性關系。
2勵磁(cí)方式
　　從測量原(yuan)理可知，隻有測(cè)量管道維持均(jun1)勻、恒定的磁場(chǎng)，即♉B爲常數時，體(ti)積流量Q與感應(yīng)電動勢E的線性(xìng)關系才成立，所(suo)✉️以需要選擇合(he)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(ci)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(yīng)🔅用範圍受限。工(gong)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(gan)擾🔴和同相幹擾(rǎo)等，引起零點漂(piāo)移。低頻方波勵(li)磁用低頻方波(bo)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(héng)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(rong)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(yi)個交變的信号(hao)，克服了直流勵(li)磁易産生的極(ji)化現象。目前這(zhe)種勵磁方式在(zài)電磁⛷️流量計上(shang)廣泛應用。
　　常規(gui)電磁流量計所(suo)應用的低頻方(fang)波勵磁方式的(de)勵磁電流頻率(lü)通常爲工頻的(de)1/4～1/10。目前深井(6000m以上(shang))的固📞井施工中(zhong)所使用泥漿的(de)密度大多在1.8cm3以(yǐ)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(gao)壓下能消除非(fēi)牛頓💁流體所帶(dài)來的測量誤差(chà)，但測量管内會(huì)産生随流量增(zēng)加而頻率增加(jia)的随機幹擾噪(zao)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(cè)量管内的流動(dòng)噪聲主要爲尖(jiān)峰狀的❓泥漿流(liú)噪聲，量級在mv級(ji)，頻率集中在25Hz以(yǐ)下，如圖1所示。在(zài)勵磁頻率較低(di)時，泥漿幹擾的(de)數量級較大，高(gāo)頻時幹擾數量(liang)級較小，具有1/?的(de)頻譜特性。另外(wài)，施工⛹🏻‍♀️現場敲擊(jī)和震動所帶來(lai)的低頻噪聲，也(yě)會影響電磁流(liú)量計的計量精(jing)度。提高勵🤞磁電(diàn)流頻率可以規(gui)😘避和抑止💞這些(xiē)幹擾，以提高電(dian)磁流量傳感器(qi)輸出的信噪比(bi)，但會犧牲電磁(cí)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(cí)信号。其勵磁電(diàn)流波形是👉在低(di)頻矩形波上疊(dié)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(fèn)是80Hz的矩形波，外(wài)包絡線是10Hz的低(di)頻矩形波。這樣(yàng)，能克服單🐆一低(di)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(wěn)定性和響應速(su)度。


3硬件(jiàn)系統
　　用于固井(jing)泥漿的電磁流(liu)量計的硬件部(bù)分主要由傳感(gǎn)器、電源電路、勵(lì)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(suo)示。重點介紹關(guān)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(yóu)兩部分組成，如(ru)圖4所示。由單片(pian)機MSP430F2418的定時‼️器産(chǎn)生雙頻矩形波(bo)，經光耦隔離後(hòu)通過兩片場效(xiao)應管組成的開(kai)關電路實現通(tong)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(shū)出的感應電動(dong)勢信号爲微伏(fu)至毫伏級交變(bian)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(fèn)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(jian)采用模塊化設(she)計方法，由控制(zhi)模塊、測量模塊(kuai)、空管檢測模塊(kuài)和解析軟件組(zu)成。控制模塊爲(wei)本儀表的主程(chéng)序，用于産生雙(shuang)頻矩形勵磁波(bo)、控制流量信号(hào)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(yí)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(zi)信号調理模塊(kuai)的流量信号，計(jì)算瞬時流量、累(lèi)計流量和流速(su)，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(yòng)于設定使用實(shi)際環境的地磁(ci)幅值，檢測測量(liang)管是否處于空(kōng)管狀态。解析軟(ruan)件用于将計量(liang)數據自動生成(chéng)固井施工所需(xū)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(guo)高壓由壬接入(ru)泥漿⭐管線，并串(chuàn)接渦輪流量計(ji)進行比較，采用(yòng)标準計量罐🧑🏾‍🤝‍🧑🏼測(cè)試😘。計量鑽井🏃🏻泥(ni)漿密度範圍爲(wei)1.15g/cm3～2.50g/cm3，固井設計施工(gōng)現場一次性替(ti)漿量爲18cm3~160cm3，替漿瞬(shùn)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(liang)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(jì)量精度降到3％左(zuǒ)右。經分🚶‍♀️析，主要(yao)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(suo)🈲示。試驗證明，采(cǎi)用雙頻矩形波(bō)作爲勵磁信号(hao)，可有效地規避(bì)和抑止🏃‍♂️固井泥(ni)漿的流動噪聲(shēng)和現場震動等(děng)所帶來的低頻(pin)噪聲，從而顯📞著(zhe)提高儀表計量(liang)泥漿的精⚽度。


6結(jié)束語
　　采用雙頻(pin)矩形波作爲勵(lì)磁信号，根據固(gù)井施工的特點(dian)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(zai)工作🔆過程中的(de)抗幹擾能力，顯(xiǎn)著提☁️高了固井(jing)泥漿的計量精(jīng)度。由于測量管(guǎn)爲無阻流✨檢測(cè)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(mì)度泥漿)而⁉️影響(xiǎng)施工，且沖洗和(hé)保養要求很低(dī)，具有❄️較好的推(tui)廣應💜用價值。今(jin)後，将進一步研(yán)究勵磁信号的(de)形式和勵磁電(diàn)流頻率的選取(qǔ)，提高儀表在低(di)流速階段的測(ce)量精度。

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