摘要(yào)：在分析勵磁信号(hào)對計量精度影響(xiǎng)的基礎上，針對固(gù)井作業高密度、大(da)排量泥漿管流場(chang)的特點和施工現(xian)場的幹擾特征🛀，提(tí)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(guǒ)。
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(an)全的✍️前提下，通過(guo)高壓壓入泥漿并(bìng)控制施工流量，實(shí)現有效✍️驅替，提高(gāo)所注水泥的頂替(tì)效率是避免鑽井(jing)液竄槽，保🐕證水泥(ní)膠🧑🏾‍🤝‍🧑🏼結質量和環密(mi)封效果的基本前(qian)提。泥漿的流量是(shì)固井施💃🏻工過程中(zhong)的重要參數，對其(qí)進行連續實時正(zheng)确的計量，是🈚确保(bǎo)固井質量、提高施(shī)工技術水平和效(xiào)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(zhi)量流量計 雖然計(ji)量精度很高，但由(you)于對外界振動相(xiang)當敏感，需要固定(dìng)安裝，且耐壓性很(hěn)差，不能用于高壓(ya)作業實時計量； 超(chāo)聲流量計 與物性(xing)及成份關系極大(da)，在固井現場難于(yú)推廣使用；也有報(bao)道使用 電磁流量(liàng)計 來計量固井泥(ní)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(ni)漿流量。目前各油(you)田大多采用 渦輪(lun)流量計 來現場計(ji)量固井泥漿的流(liú)量，其流量精度(3％)雖(suī)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(jiao)高，壽命不長。随着(zhe)我國大深度鑽井(jing)作🔆業日益增多，高(gāo)密度、大👄排量泥漿(jiāng)在固井施工中使(shi)用日趨頻繁，需要(yào)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(ji)原理 着手，在分析(xī)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(dà)流量泥漿管流場(chang)的特👨‍❤️‍👨點，提出了一(yī)種新的勵磁信号(hào)形式，以提高固井(jing)泥漿☁️的計量精度(dù)。
1測量原理
　　根據法(fa)拉第電磁感應定(dìng)律，當一導體在磁(cí)場中運動而👣切割(ge)磁力線時，在導體(tǐ)兩端便會産生感(gan)應電動勢。在均勻(yun)磁場中，設垂直于(yu)磁場方向有一個(ge)直徑爲D的無磁管(guǎn)道，内表面澆注🤟絕(jué)緣襯📐裏，外表面繞(rào)有線圈，在🛀🏻與計量(liang)管軸線和磁場磁(cí)力線相互垂直的(de)管壁上安裝一對(duì)檢測電極。用于固(gu)井的泥漿是一種(zhong)導電介🈲質，當測量(liang)管道中的泥漿流(liu)動時✨，泥漿切割線(xiàn)圈中勵磁電流産(chan)生的磁場，便會産(chan)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(ci)感應強度B恒定時(shí)，測量感應🌈電動勢(shì)便可得管道的體(ti)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(zhi)，隻有測量管道維(wéi)持均勻、恒定的磁(ci)場💰，即B爲💔常數時，體(tǐ)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(shi)電磁流量計中最(zuì)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(li)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(nan)以保證B爲常數，使(shi)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(chǎn)生正交幹擾和同(tong)相幹擾🥰等，引起零(líng)點漂移。低頻方波(bo)勵磁用低頻方波(bō)🐕經功率放大後勵(li)磁線圈産生磁場(chǎng)，在半個周期内，磁(ci)場是恒穩的直流(liú)磁場🔅，受電磁幹擾(rǎo)影響很小，同時消(xiāo)除由分布電容引(yin)起的💜工頻幹擾；同(tong)時從整個時間過(guò)程來說，方波信号(hao)是一個交變的信(xin)号，克服了直✂️流勵(lì)磁易産生的極化(hua)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(fang)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(shēn)井(6000m以上)的固井施(shī)工中所使♋用泥漿(jiāng)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(ti)，雖然高壓下能消(xiāo)🏃‍♂️除非牛頓流體所(suǒ)帶來的測量誤差(cha)，但測💯量管内會産(chǎn)生随流量增加而(er)頻率增加的随機(ji)幹擾噪聲。經測定(ding)，在DN50測量管内，所用(yòng)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(shēng)🔞主要爲尖峰狀的(de)泥漿流噪聲，量級(jí)💋在mv級，頻率集中在(zai)💃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(gan)擾數量級⚽較小，具(ju)有1/?的頻譜特性。另(ling)外，施工📞現場敲擊(ji)和震動所帶來的(de)低頻噪聲，也會影(ying)響電磁流量計的(de)計量精度。提高勵(li)磁電流頻率可以(yǐ)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(xi)牲🎯電磁流量計的(de)🌈零點穩定性🙇🏻。提出(chū)新的一種勵磁方(fang)式，采用雙頻矩形(xing)波作爲勵磁信号(hao)。其勵磁電流波形(xing)是在低頻矩形波(bō)上疊加高頻矩形(xing)波，用兩種采樣頻(pin)率分别得到高頻(pin)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(xíng)波，外包絡線是10Hz的(de)低頻矩形波。這樣(yang)，能克服單一低頻(pin)矩🏃形波勵磁存在(zai)的泥漿流動噪聲(shēng)，同時又能保🌍證零(ling)點的穩定性，提高(gāo)流量計的計量穩(wen)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(you)🌈傳感器、電源電路(lù)、勵磁電路、信号調(diao)理電路、信号采集(jí)處⭐理電路及接口(kǒu)電路💚等模塊組成(chéng)，如圖3所示。重點介(jiè)紹關鍵模塊勵磁(ci)電路和信号調理(li)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(ji)MSP430F2418的定時器産生雙(shuāng)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(tong)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(mo)沖寬度調制(PWM)輸出(chu)經過濾波💯後控制(zhi)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(gan)應電動勢信号爲(wei)微伏至毫伏級交(jiao)變信号，經🈲濾波後(hòu)慮除部分高頻信(xin)号，然後送高阻🆚抗(kàng)放大器進行放大(dà)，經兩級帶通濾波(bō)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(chéng)。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(xìn)号的采集和處理(li)、以菜單模式通過(guò)鍵盤操作和液晶(jīng)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(shùn)時流量、累計流量(liàng)和流速，并進行相(xiàng)應的儀表系數補(bǔ)償，由液晶屏顯示(shi)和接口輸出。空管(guan)檢測模塊用于設(she)定使用實際環境(jing)的地磁幅值，檢測(cè)測量管是否處于(yu)空管狀态。解析軟(ruan)件用于将計量數(shu)據自動生成固井(jǐng)施工所需的各種(zhǒng)報表和圖标。
5試驗(yan)結果及分析
　　現場(chǎng)試驗所用測量管(guǎn)的内徑爲DN50，通過高(gāo)壓由壬接✊入泥漿(jiang)管線，并串接渦輪(lun)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(chang)一次性替漿量爲(wei)18cm3~160cm3，替漿瞬時流量爲(wei)0.2cm3/min-2.8cm3/min(流速：1.6-23.8m/s)；通過近15口井(jing)的施工應用，結果(guo)如表1所示。試驗表(biao)明儀表計量誤差(chà)小于l％；在流速2.0m/s以下(xia)，随着流量的減少(shao)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(yóu)零點漂移引❗起的(de)，這點與實驗室用(yong)清水标定結🔞果基(ji)本吻合。使用DN50的測(ce)量管，實驗室标定(dìng)結果如表2所示。試(shi)驗⛷️證明，采用雙頻(pín)矩形波作爲勵磁(ci)信号，可有效地規(gui)避和抑止固井泥(ní)漿的流動噪聲🚶‍♀️和(he)現場震動等所帶(dài)來的低頻噪聲，從(cóng)而顯著提高儀表(biǎo)計量泥漿的🔴精度(du)。


6結束語
　　采用雙頻(pín)矩形波作爲勵磁(cí)信号，根據固井施(shī)工的特點和現場(chǎng)幹擾的分析，選取(qǔ)适當的勵磁電流(liu)頻率提🛀🏻高儀表在(zài)工作過程中的抗(kàng)幹擾能力，顯著提(tí)㊙️高了固井泥漿的(de)計量精度。由于測(cè)量管爲無阻流檢(jiǎn)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(jiang))而影響施工，且沖(chòng)洗和保養要求很(hen)低，具有較好的推(tui)廣應用價值。今後(hou)，将進一步研究勵(li)磁信号的形式和(he)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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