摘要(yào)：在分(fèn)析勵(lì)磁信(xìn)号對(duì)計量精度(dù)影響(xiǎng)的基礎上(shàng)，針對(duì)固井作(zuò)業(yè)高密度、大排量(liàng)泥漿(jiāng)管(guǎn)流場的(de)特點(diǎn)和施工現場(chǎng)的幹擾特征(zhēng)，提出(chū)了一種新(xīn)的勵磁信号形(xíng)式，提(tí)高(gāo)泥(ní)漿的(de)計量精度，并給(gěi)出現場結(jié)果。
固井的(de)目的就是(shì)使用(yòng)水泥建立(lì)層間封隔，首先(xiān)它必(bì)須能(néng)夠有(yǒu)效地從井(jǐng)眼中(zhōng)清除鑽井液。在(zài)确保(bǎo)井下安全(quán)的前(qián)提(tí)下(xià)，通過高壓(yā)壓(yā)入(rù)泥漿并控制施工流(liú)量，實現有(yǒu)效(xiào)驅(qū)替，提高所(suǒ)注水(shuǐ)泥的頂替(tì)效率是避(bì)免鑽井液(yè)竄槽(cáo)，保證水泥(ní)膠結(jié)質量(liàng)和環(huán)密封(fēng)效果的基(jī)本前提(tí)。泥漿的(de)流量是固井施工過程中的重(zhòng)要參(cān)數，對其進(jìn)行連續(xù)實(shí)時正确的計(jì)量，是确(què)保固井(jǐng)質(zhì)量、提高施工技術水(shuǐ)平和效率(lǜ)、實現科學(xué)管理的必(bì)要手段。
　　由(yóu)于固井泥(ní)漿物性及(jí)成份範圍很大，目前所采用的(de)幾種(zhǒng)檢測儀器(qì)和方(fāng)法都(dōu)存在(zài)不少(shǎo)問(wèn)題(tí)，例如：科裏(lǐ)奧利 質量(liàng)流量(liàng)計(jì) 雖然計(jì)量精度(dù)很高，但由于(yú)對外(wài)界振動相(xiàng)當敏感，需要(yào)固定安(ān)裝，且(qiě)耐壓(yā)性很差，不(bú)能用于高(gāo)壓作業實時計量； 超聲流量計 與物性及(jí)成份關系(xì)極大(dà)，在固(gù)井現(xiàn)場難于推廣使(shǐ)用；也有報道使用 電(diàn)磁流量計 來(lái)計量(liàng)固井泥漿，但(dàn)耐壓(≤5mpa)和泥漿密度(≤1.8g/cm3)有(yǒu)一定的限制(zhì)，不(bú)能用(yòng)于準确計(jì)量現(xiàn)場不(bú)同(tóng)的物性(xìng)及成(chéng)份的(de)泥(ní)漿流量(liàng)。目前(qián)各油(yóu)田大(dà)多(duō)采(cǎi)用 渦輪流(liú)量計 來現場計量固井泥漿的流量(liàng)，其流(liú)量精(jīng)度(3％)雖能滿(mǎn)足要求，但渦輪(lún)常被泥漿中的(de)雜物卡堵(尤其(qí)用于(yú)高密度泥(ní)漿)，影響施工，且沖洗和軸承保(bǎo)養要求較高，壽(shòu)命不長(zhǎng)。随着我(wǒ)國大深度鑽井(jǐng)作業日益增多，高密(mì)度、大排量泥漿(jiāng)在固井施工中使用日趨(qū)頻繁，需要(yào)一種(zhǒng)新型(xíng)的泥漿流(liú)量計 進行現場實時(shí)準确計量(liàng)。
　　從常(cháng)規 電(diàn)磁流(liú)量計原理(lǐ) 着手(shǒu)，在分析勵(lì)磁信(xìn)号對計(jì)量精度(dù)影響的基礎上(shàng)，針對(duì)固井施工(gōng)現場(chǎng)的(de)高(gāo)密度(dù)、大流(liú)量泥漿管流場的特點，提出了一種(zhǒng)新的(de)勵磁信号形式，以提高固井泥漿的計量(liàng)精度。
1測量原(yuán)理
　　根據(jù)法拉(lā)第電磁感(gǎn)應(yīng)定(dìng)律，當一導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動而切割(gē)磁力(lì)線時(shí)，在導體兩端便(biàn)會産生感應電動勢。在均(jun1)勻磁(cí)場中，設垂(chuí)直于(yú)磁場(chǎng)方向有一(yī)個(gè)直徑爲(wèi)d的無(wú)磁管(guǎn)道，内表面澆注絕緣(yuán)襯裏，外表(biǎo)面繞有線(xiàn)圈，在與計(jì)量管軸線和磁(cí)場磁力(lì)線相互(hù)垂直的管(guǎn)壁上(shàng)安裝一對檢測電極。用于固井的泥漿(jiāng)是(shì)一種(zhǒng)導電(diàn)介質，當測(cè)量管(guǎn)道中(zhōng)的泥(ní)漿流動時(shí)，泥漿(jiāng)切割(gē)線圈中勵(lì)磁電流(liú)産(chǎn)生的磁場，便(biàn)會産生(shēng)和泥漿的平均(jun1)流速v成正比感(gǎn)應電動勢e。

式中：k爲儀(yí)表常數，當保持(chí)磁感(gǎn)應強(qiáng)度b恒定時，測量(liàng)感應電(diàn)動(dòng)勢便(biàn)可得管道(dào)的體(tǐ)積流量q，且(qiě)具有線性關(guān)系(xì)。
2勵磁(cí)方式
　　從(cóng)測量原(yuán)理可(kě)知，隻有測(cè)量管道維持均(jun1)勻、恒定的磁場(chǎng)，即b爲常(cháng)數(shù)時，體積(jī)流量q與(yǔ)感應(yīng)電動勢(shì)e的線性關系才(cái)成立，所(suǒ)以需要選擇合适的(de)勵(lì)磁(cí)方式(shì)。
　　勵磁技(jì)術(shù)是電磁流(liú)量計中最(zuì)關鍵的技(jì)術，目前一般采用直流勵磁、工(gōng)頻正(zhèng)弦勵(lì)磁和低頻(pín)方波勵磁三種方式。直(zhí)流(liú)勵磁(cí)用直(zhí)流(liú)電(diàn)或永(yǒng)久磁(cí)鐵産生磁(cí)場(chǎng)，結構雖(suī)簡單(dān)，但電(diàn)極易發生(shēng)極化，難以保證b爲常(cháng)數(shù)，使其應(yīng)用範圍受限。工頻正(zhèng)弦勵(lì)磁通(tōng)過勵磁(cí)線(xiàn)圈産生交變磁場，但(dàn)易産生(shēng)正交幹(gàn)擾和(hé)同相(xiàng)幹擾(rǎo)等(děng)，引起零(líng)點漂(piāo)移。低頻方波勵(lì)磁用(yòng)低頻(pín)方波(bō)經功率(lǜ)放(fàng)大後(hòu)勵磁(cí)線圈産生(shēng)磁場，在(zài)半(bàn)個周(zhōu)期内，磁場是恒穩的(de)直流磁場(chǎng)，受電磁(cí)幹擾影(yǐng)響很小(xiǎo)，同時消(xiāo)除由(yóu)分布電容引起(qǐ)的(de)工(gōng)頻幹(gàn)擾；同時從(cóng)整個(gè)時間過程來說(shuō)，方波信号(hào)是一(yī)個交(jiāo)變的(de)信号(hào)，克服了直流(liú)勵(lì)磁易産(chǎn)生(shēng)的極化現象(xiàng)。目(mù)前這(zhè)種勵(lì)磁方式在電(diàn)磁(cí)流量計上(shàng)廣泛(fàn)應用。
　　常規電磁流量(liàng)計所應用(yòng)的低頻方(fāng)波勵磁方(fāng)式的(de)勵磁電流(liú)頻率(lǜ)通常(cháng)爲工頻(pín)的(de)1/4～1/10。目前(qián)深井(jǐng)(6000m以上(shàng))的固(gù)井施(shī)工中所使(shǐ)用泥漿的(de)密(mì)度(dù)大多在1.8cm3以(yǐ)上，流(liú)速(sù)高達25m/s，所(suǒ)用的泥漿(jiāng)又是固液兩(liǎng)相低導(dǎo)率流(liú)體(tǐ)，雖(suī)然高壓下(xià)能消除非(fēi)牛頓流(liú)體所(suǒ)帶(dài)來的測量(liàng)誤差(chà)，但測量(liàng)管内會産生随流量增加而頻率增加(jiā)的随(suí)機幹擾噪(zào)聲。經(jīng)測定，在dn50測(cè)量管内(nèi)，所用的(de)泥漿密度爲2.0g/cm3，流速在10～15m/s範圍内，測(cè)量管内的流動(dòng)噪聲主要爲尖(jiān)峰狀的泥漿流噪聲(shēng)，量級(jí)在mv級(jí)，頻率集中(zhōng)在25hz以下，如圖(tú)1所示。在(zài)勵磁頻率較低(dī)時，泥漿(jiāng)幹擾的(de)數量(liàng)級(jí)較(jiào)大，高(gāo)頻(pín)時幹擾數量(liàng)級較小(xiǎo)，具(jù)有(yǒu)1/?的(de)頻譜特性。另外，施工現場敲擊(jī)和震(zhèn)動所帶來的低頻(pín)噪(zào)聲，也(yě)會影(yǐng)響電磁流(liú)量計的計量精(jīng)度。提(tí)高勵磁電(diàn)流頻率可以規(guī)避和抑(yì)止這些(xiē)幹擾，以(yǐ)提(tí)高電(diàn)磁流量(liàng)傳(chuán)感器(qì)輸出的(de)信噪比，但會(huì)犧牲電磁(cí)流量計的零點(diǎn)穩定性。提出新的一種(zhǒng)勵(lì)磁方(fāng)式，采(cǎi)用雙頻矩(jǔ)形波作(zuò)爲(wèi)勵磁(cí)信号。其勵磁電(diàn)流波形是在低頻矩(jǔ)形波(bō)上疊(dié)加高頻矩(jǔ)形波(bō)，用兩(liǎng)種采樣頻(pín)率(lǜ)分别(bié)得(dé)到高(gāo)頻和(hé)低頻兩種(zhǒng)流量信号。如圖(tú)2所示(shì)，高頻部分(fèn)是80hz的矩形(xíng)波，外(wài)包絡(luò)線是(shì)10hz的低(dī)頻矩(jǔ)形波。這(zhè)樣，能克服單一低(dī)頻矩形波勵磁存在(zài)的泥(ní)漿流動噪聲(shēng)，同時又(yòu)能保證零(líng)點(diǎn)的(de)穩定性，提(tí)高流量計(jì)的(de)計量穩(wěn)定性和響應速度。


3硬件(jiàn)系統
　　用于固井(jǐng)泥漿(jiāng)的(de)電磁流(liú)量計的(de)硬件部分(fèn)主要由傳感(gǎn)器、電源電(diàn)路、勵(lì)磁電(diàn)路、信(xìn)号調(diào)理電路、信(xìn)号采(cǎi)集處(chù)理電(diàn)路及(jí)接(jiē)口電(diàn)路等模(mó)塊組成，如圖3所(suǒ)示。重點介紹關(guān)鍵模(mó)塊勵磁電(diàn)路和(hé)信号(hào)調理電路(lù)。

3.1勵磁電路(lù)
　　勵磁(cí)電路(lù)決定儀表(biǎo)的工作磁場，是儀(yí)表(biǎo)極其(qí)關鍵(jiàn)的部分。中(zhōng)的勵磁(cí)電(diàn)路由兩部分組成，如(rú)圖4所示。由(yóu)單片(piàn)機msp430f2418的定(dìng)時(shí)器産(chǎn)生雙(shuāng)頻矩(jǔ)形波(bō)，經光耦隔離後(hòu)通過(guò)兩片場效應管(guǎn)組成(chéng)的開(kāi)關電(diàn)路實(shí)現通斷功(gōng)能。dh902爲恒流管(guǎn)，提供恒(héng)定的勵磁電流，由mcu定(dìng)時器(qì)脈沖(chòng)寬度調制(pwm)輸出經過(guò)濾波後控(kòng)制勵(lì)磁電流的(de)幅值(zhí)，從而産生雙頻(pín)矩形波。

3.2信(xìn)号調(diào)理電路(lù)
　　電極輸出的(de)感(gǎn)應(yīng)電動(dòng)勢信号(hào)爲微伏(fú)至毫伏級交變(biàn)信号，經(jīng)濾(lǜ)波後(hòu)慮除部(bù)分高頻(pín)信号，然後送高阻(zǔ)抗(kàng)放大器進(jìn)行放大，經(jīng)兩級(jí)帶通(tōng)濾(lǜ)波(bō)器分别取(qǔ)出(chū)高頻、低(dī)頻信号，隔直後(hòu)保留交流分量(liàng)送mcu的adc引(yǐn)腳。
4軟件(jiàn)系統(tǒng)
　　系統(tǒng)軟件(jiàn)采用(yòng)模塊化設(shè)計方(fāng)法，由控制模塊(kuài)、測量模塊(kuài)、空管檢測模塊(kuài)和解析(xī)軟件組(zǔ)成。控制模塊爲(wèi)本儀(yí)表的主程序，用(yòng)于(yú)産(chǎn)生雙頻矩形勵磁波、控制流量信号(hào)的采(cǎi)集(jí)和處理(lǐ)、以菜單模(mó)式通(tōng)過鍵盤操作和(hé)液晶(jīng)顯(xiǎn)示使儀(yí)表進(jìn)入參數設(shè)定狀(zhuàng)态或工況顯示(shì)狀态(tài)。測量(liàng)模塊采集(jí)來自(zì)信号調理模(mó)塊的流(liú)量信(xìn)号，計(jì)算瞬(shùn)時(shí)流量、累計流(liú)量(liàng)和(hé)流速，并(bìng)進(jìn)行相應的(de)儀表系數(shù)補(bǔ)償(cháng)，由液晶(jīng)屏顯示和接口輸出。空管檢(jiǎn)測模塊用于設定使用實(shí)際環境的地(dì)磁(cí)幅值，檢(jiǎn)測(cè)測量(liàng)管是否(fǒu)處于空管狀态。解析軟(ruǎn)件用于将計量(liàng)數據自動(dòng)生成固井施工所需(xū)的各種(zhǒng)報表和(hé)圖标(biāo)。
5試驗結果及(jí)分析
　　現場試(shì)驗所(suǒ)用(yòng)測量管的内徑爲dn50，通過高壓由壬接入(rù)泥漿(jiāng)管線，并串(chuàn)接渦(wō)輪流量計(jì)進行(háng)比較(jiào)，采用(yòng)标準(zhǔn)計量罐測(cè)試。計量(liàng)鑽井泥(ní)漿密度範圍爲1.15g/cm3～2.50g/cm3，固井(jǐng)設(shè)計(jì)施工現場一次(cì)性(xìng)替(tì)漿量爲18cm3~160cm3，替(tì)漿瞬(shùn)時流量爲0.2cm3/min-2.8cm3/min(流速：1.6-23.8m/s)；通過近15口井的施(shī)工(gōng)應用，結果(guǒ)如表1所示(shì)。試驗表明儀(yí)表(biǎo)計量(liàng)誤差小于l％；在流(liú)速2.0m/s以(yǐ)下(xià)，随着流(liú)量的(de)減少測試(shì)誤差(chà)逐漸提高，在流(liú)速1.0m/s左(zuǒ)右計(jì)量精(jīng)度(dù)降到3％左(zuǒ)右。經(jīng)分析，主要(yào)是由零點漂移(yí)引起的，這點與(yǔ)實驗室用清水(shuǐ)标定(dìng)結果(guǒ)基本吻合(hé)。使(shǐ)用dn50的測(cè)量(liàng)管，實驗室标(biāo)定結(jié)果如表2所(suǒ)示。試驗證(zhèng)明，采(cǎi)用雙頻矩形波(bō)作爲(wèi)勵磁信号，可有(yǒu)效地規避(bì)和抑止固井(jǐng)泥漿的(de)流動噪聲(shēng)和現場震(zhèn)動等(děng)所帶(dài)來的低頻(pín)噪聲，從而顯著(zhe)提高(gāo)儀表計量(liàng)泥漿(jiāng)的精(jīng)度。


6結束語
　　采用(yòng)雙頻(pín)矩形波作(zuò)爲勵(lì)磁信号，根據固(gù)井施(shī)工的(de)特點(diǎn)和現場(chǎng)幹擾的分析，選取(qǔ)适當(dāng)的勵(lì)磁電流頻率(lǜ)提高儀表在(zài)工作過程(chéng)中的(de)抗幹(gàn)擾(rǎo)能力，顯(xiǎn)著提(tí)高了固井(jǐng)泥漿的計(jì)量精度。由于測量管(guǎn)爲無阻流(liú)檢測件的(de)光滑管道(dào)，不可能被(bèi)泥漿中的雜物(wù)卡堵(dǔ)(尤(yóu)其用于高密(mì)度泥(ní)漿)而影響(xiǎng)施工，且沖洗和保養要求很低(dī)，具有(yǒu)較好的推(tuī)廣(guǎng)應用價值。今(jīn)後，将進一步(bù)研(yán)究勵(lì)磁信号的(de)形式(shì)和勵(lì)磁電流頻(pín)率(lǜ)的(de)選取(qǔ)，提高儀表在低(dī)流速(sù)階段(duàn)的(de)測(cè)量精(jīng)度。

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