摘要(yao)：在分析(xi)勵磁信(xìn)号對計(jì)量精度(dù)影響的(de)基礎上(shang)🐉，針對固(gu)❄️井作業(ye)高密度(dù)、大排量(liang)泥漿管(guan)流場的(de)特點和(he)施工現(xiàn)場的幹(gan)擾特征(zheng)，提出了(le)一種新(xīn)的勵磁(ci)信号形(xíng)式，提高(gao)泥漿的(de)計量精(jing)度🔞，并給(gěi)出現場(chang)結果。
固(gù)井的目(mù)的就是(shì)使用水(shui)泥建立(lì)層間封(fēng)隔，首先(xian)它必須(xū)能夠有(you)效地從(cong)井眼中(zhong)清除鑽(zuan)井液。在(zài)确保井(jing)下安全(quan)的前提(ti)下，通過(guò)高壓壓(ya)入泥漿(jiāng)并控制(zhì)施工🏃🏻流(liú)量，實❤️現(xiàn)有效驅(qu)替，提高(gao)所注水(shuǐ)泥的🌏頂(ding)替效率(lü)是避免(miǎn)鑽井液(yè)竄槽，保(bao)證水泥(ni)膠結質(zhì)量和環(huán)密封效(xiào)果的基(jī)本前提(tí)。泥漿的(de)流量是(shì)固井施(shi)工過程(cheng)中的🏃重(zhong)要參數(shu)，對其進(jìn)行連續(xù)實時🏃正(zheng)确的計(jì)量，是确(què)保固井(jǐng)質量、提(ti)高施工(gōng)技術😘水(shuǐ)平和效(xiao)率、實現(xiàn)科學管(guan)理的必(bi)要手段(duan)。
　　由于固(gù)井泥漿(jiang)物性及(jí)成份範(fàn)圍很大(da)，目前所(suo)采用♉的(de)幾種檢(jian)測儀器(qi)和方法(fa)都存在(zai)不少問(wèn)題，例如(ru)：科裏奧(ào)利 質量(liang)流量計(jì) 雖然計(ji)量精度(du)很高，但(dan)由于對(duì)外界振(zhèn)動相當(dang)敏感，需(xu)要固定(ding)♉安裝，且(qie)耐壓性(xing)很差，不(bu)能用于(yu)高壓作(zuo)業實時(shi)🚶‍♀️計量； 超(chao)聲流量(liàng)計 與物(wù)性及成(cheng)份關系(xì)極大，在(zài)固井現(xiàn)場難于(yu)推廣使(shi)用；也有(yǒu)報✂️道使(shi)用 電磁(ci)流量計(ji) 來計量(liang)固井泥(ni)漿，但耐(nai)壓(≤5MPa)和泥(ní)漿密度(dù)(≤1.8g/cm3)有一定(ding)的限🔞制(zhì)✍️，不能用(yòng)于準确(que)計量現(xiàn)場不同(tong)的物性(xing)及成份(fèn)的泥漿(jiang)流量🈲。目(mù)前各油(you)田大多(duō)采用 渦(wo)輪流量(liang)計 來現(xian)場計量(liàng)固井泥(ni)漿的流(liu)量，其流(liu)量精度(du)(3％)雖能滿(man)足要求(qiu)，但渦輪(lún)常被泥(ni)漿中的(de)雜物卡(ka)堵(尤其(qí)用于高(gāo)密👅度泥(ni)漿)，影響(xiǎng)施工，且(qiě)❓沖洗和(he)軸承保(bǎo)養要求(qiú)較高，壽(shou)命不長(zhang)。随着我(wo)國大深(shēn)度鑽井(jing)作業日(ri)益增多(duo)，高密度(dù)、大排量(liàng)泥漿在(zài)固井施(shi)工中使(shi)用㊙️日趨(qu)頻繁✂️，需(xū)要一種(zhong)新型的(de)泥漿流(liu)量計 進(jin)行現場(chǎng)實時準(zhun)确計量(liàng)。
　　從常規(guī) 電磁流(liú)量計原(yuan)理 着手(shou)，在分析(xi)勵磁信(xin)号對計(ji)量精度(dù)影響的(de)基礎上(shàng)，針對固(gù)井施工(gong)現場的(de)高密度(dù)、大流量(liang)泥漿管(guǎn)流場的(de)特點，提(ti)出了一(yī)種🏃新的(de)勵磁信(xìn)号形式(shì)，以提高(gao)固井泥(ní)漿的計(jì)量精度(dù)。
1測量原(yuán)理
　　根據(ju)法拉第(di)電磁感(gǎn)應定律(lü)，當一導(dao)體在磁(cí)場中運(yùn)動而切(qie)割🌈磁力(lì)線時，在(zài)導體兩(liang)端便會(hui)産生感(gan)應電♉動(dòng)勢。在均(jun1)勻磁場(chang)中，設垂(chuí)直于磁(cí)場方向(xiang)有一個(gè)直徑爲(wèi)D的無磁(ci)管道，内(nèi)表面澆(jiāo)注絕緣(yuán)襯裏，外(wài)表面繞(rào)有線圈(quān)，在與計(ji)量管軸(zhóu)線和磁(ci)場磁力(li)線相互(hù)垂直的(de)管壁上(shàng)安裝一(yi)對檢測(ce)電極。用(yòng)于固井(jǐng)的泥漿(jiang)是🧑🏾‍🤝‍🧑🏼一種(zhǒng)導電介(jie)❄️質，當測(ce)量管道(dào)中的泥(ní)漿流動(dong)時，泥漿(jiāng)💯切割線(xiàn)圈😘中勵(li)磁電流(liú)産生的(de)磁場，便(biàn)會産生(shēng)和泥漿(jiang)的平均(jun1)流速v成(cheng)正比感(gan)應電動(dong)勢E。

式中(zhong)：K爲儀表(biǎo)常數，當(dang)保持磁(cí)感應強(qiang)度B恒定(dìng)時，測量(liang)感應電(dian)動勢便(biàn)可得管(guǎn)道的體(ti)積流量(liàng)Q，且具有(you)線性🏒關(guan)系。
2勵磁(ci)方式
　　從(cong)測量原(yuan)理可知(zhī)，隻有測(ce)量管道(dào)維持均(jun)勻、恒定(ding)的磁場(chang)，即B爲常(cháng)數時，體(tǐ)積流量(liàng)Q與感應(yīng)電動勢(shi)E的線性(xing)關系💰才(cai)成立，所(suǒ)以需要(yao)選擇合(he)适的勵(li)磁方式(shi)。
　　勵磁技(jì)術是電(diàn)磁流量(liang)計中最(zui)關鍵的(de)技術，目(mu)前一🏒般(ban)🤩采🤞用直(zhí)流勵磁(cí)、工頻正(zhèng)弦勵磁(ci)和低頻(pin)方波勵(lì)磁三種(zhǒng)方式。直(zhí)流勵磁(ci)用直流(liu)電或永(yong)久磁鐵(tiě)産生磁(cí)✔️場，結構(gou)㊙️雖簡單(dan)，但電極(ji)易發生(shēng)極化，難(nan)以保證(zheng)B爲常數(shù)，使其應(ying)用範圍(wéi)受限。工(gōng)頻正弦(xian)勵磁通(tong)過勵磁(cí)線圈産(chǎn)生交變(biàn)磁場，但(dàn)易産🧑🏾‍🤝‍🧑🏼生(shēng)正交幹(gàn)擾和同(tong)相幹擾(rǎo)等，引起(qǐ)零點漂(piāo)移。低頻(pín)方波勵(lì)🌈磁用低(dī)頻方波(bo)經功率(lü)放大後(hòu)💰勵磁線(xiàn)圈産生(shēng)磁場，在(zài)半個周(zhou)期内，磁(ci)場是恒(heng)穩的直(zhí)流磁場(chang)，受電磁(ci)幹擾影(ying)響很小(xiao)，同時消(xiāo)除由分(fèn)布電容(rong)引起的(de)工頻幹(gàn)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼擾；同時(shi)從整個(ge)時間過(guo)程來說(shuō)，方波信(xìn)号是一(yī)個交變(biàn)的信号(hao)，克服了(le)直流勵(lì)磁易産(chan)🌏生的極(jí)化現象(xiàng)🏃‍♂️。目前這(zhe)種勵磁(ci)方式在(zai)電磁流(liú)量計上(shang)廣泛應(yīng)用📐。
　　常規(guī)電磁流(liu)量計所(suǒ)應用的(de)低頻方(fāng)波勵磁(ci)方式的(de)勵磁電(dian)🏃🏻流頻率(lǜ)通常爲(wèi)工頻的(de)1/4～1/10。目前深(shen)井(6000m以上(shàng))的固井(jing)施工中(zhong)所使用(yong)泥漿的(de)密度大(dà)多在1.8cm3以(yǐ)上，流速(su)高達25m/s，所(suo)用🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的泥(ni)漿又是(shì)固液兩(liang)相🌍低導(dao)率流體(ti)，雖然高(gao)壓下能(néng)消🆚除非(fēi)牛頓流(liú)體所帶(dai)來的測(cè)量誤差(chà)，但測量(liàng)管内會(hui)産🆚生随(sui)流量增(zēng)加而頻(pín)率增加(jia)的随機(jī)幹擾噪(zao)聲。經測(cè)定，在DN50測(ce)量管内(nèi)，所用的(de)泥漿密(mi)度爲2.0g/cm3，流(liú)速在10～15m/s範(fàn)圍📱内，測(cè)量管内(nèi)的⛹🏻‍♀️流動(dong)噪聲🏃‍♂️主(zhu)要爲尖(jiān)峰狀的(de)泥漿流(liú)噪聲，量(liàng)級在mv級(jí)，頻率集(jí)中在25Hz以(yǐ)下，如圖(tú)1所💃🏻示。在(zài)勵磁頻(pín)率較低(di)時🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，泥漿(jiang)幹⁉️擾的(de)數量級(ji)較大，高(gāo)頻時幹(gàn)擾數量(liàng)級較小(xiǎo)，具有1/?的(de)頻譜特(tè)性。另外(wai)，施工現(xiàn)場敲擊(ji)和💜震動(dòng)所帶來(lai)的低頻(pín)噪聲，也(yě)會影響(xiǎng)電🔴磁流(liú)量計的(de)計量精(jīng)度。提高(gao)勵磁電(diàn)流頻率(lü)可以規(guī)避和抑(yì)止這些(xie)幹擾，以(yǐ)提高電(diàn)磁♋流量(liang)傳🐅感器(qì)輸出的(de)信噪比(bi)，但會犧(xī)牲電磁(ci)流量計(ji)的零點(dian)穩定性(xìng)。提☔出新(xin)的一種(zhǒng)勵磁方(fāng)式，采用(yong)雙頻矩(ju)形波作(zuo)爲勵磁(cí)信号❌。其(qí)勵磁電(dian)流波形(xíng)是在低(dī)頻矩形(xing)波㊙️上疊(dié)加高頻(pin)矩形波(bō)，用兩種(zhong)采樣頻(pín)🐆率分别(bié)得到高(gao)頻和低(di)頻兩種(zhǒng)流量信(xin)号。如圖(tú)💃🏻2所示，高(gāo)頻部分(fèn)🤟是80Hz的矩(ju)形波，外(wai)包絡線(xiàn)是👉10Hz的低(di)頻矩形(xíng)波。這樣(yàng)，能克服(fu)單一低(dī)頻矩形(xing)波勵磁(cí)存在的(de)泥漿流(liú)動噪聲(sheng)，同時又(you)能保證(zheng)零💛點的(de)穩定性(xìng)，提高流(liu)量計的(de)計量穩(wen)定性和(hé)響應速(sù)度。


3硬件(jian)系統
　　用(yòng)于固井(jing)泥漿的(de)電磁流(liu)量計的(de)硬件部(bù)分主要(yao)由傳感(gǎn)器💛、電源(yuán)電路、勵(li)磁電路(lù)、信号調(diào)理電路(lù)、信号采(cai)集處理(lǐ)電路及(jí)接口電(dian)路等模(mó)塊組成(chéng)，如圖3所(suǒ)示。重👅點(dian)介紹關(guan)鍵模塊(kuai)勵磁電(diàn)路和信(xin)号調理(lǐ)電路。

3.1勵(lì)磁電路(lù)
　　勵磁電(diàn)路決定(dìng)儀表的(de)工作磁(cí)場，是儀(yí)表極其(qi)關鍵的(de)部分。中(zhōng)✉️的勵磁(ci)電路由(yóu)兩部分(fèn)組成，如(ru)圖4所示(shì)。由單片(piàn)機MSP430F2418的定(ding)時㊙️器産(chǎn)生雙頻(pín)矩形波(bo)，經光耦(ǒu)隔離後(hòu)通過兩(liang)片場效(xiao)♊應管組(zu)成的開(kai)關電路(lu)實現通(tōng)斷功能(néng)。DH902爲恒流(liu)管，提供(gòng)恒定的(de)勵磁電(diàn)流，由MCU定(ding)時器脈(mò)沖🥵寬度(dù)調制(PWM)輸(shū)出經過(guo)濾波後(hou)控制勵(li)磁電流(liu)的幅值(zhi)🈲，從而産(chan)生雙頻(pin)矩形波(bo)。

3.2信号調(diào)理電路(lu)
　　電極輸(shu)出的感(gan)應電動(dòng)勢信号(hào)爲微伏(fú)至毫伏(fú)級交變(biàn)信号，經(jing)濾波後(hòu)慮除部(bu)分高頻(pín)信号，然(ran)後送高(gāo)阻🈲抗放(fang)⛱️大器進(jìn)行放大(da)🌈，經兩級(jí)帶通濾(lǜ)波器分(fen)别取出(chū)❤️高頻、低(dī)🌈頻信号(hao)，隔直後(hou)保留交(jiao)流分量(liàng)送MCU的ADC引(yǐn)腳。
4軟件(jian)系統
　　系(xi)統軟件(jiàn)采用模(mó)塊化設(she)計方法(fa)，由控制(zhi)模塊、測(ce)量模塊(kuai)、空管檢(jian)測模塊(kuài)和解析(xi)軟件組(zǔ)成。控制(zhì)模塊爲(wei)本儀表(biao)的主程(chéng)序，用于(yú)産生雙(shuang)頻矩形(xing)勵磁波(bō)、控制流(liú)量信号(hao)的采集(ji)和處理(li)、以菜單(dan)模式通(tong)過鍵盤(pán)操作和(hé)液晶顯(xian)示使儀(yi)表進入(rù)參數設(shè)定狀态(tai)或工況(kuang)顯示狀(zhuang)态。測量(liàng)模塊采(cai)集來自(zi)信号調(diao)理模塊(kuai)的流量(liàng)信号，計(ji)算瞬時(shi)流量、累(lèi)計流量(liang)和流速(sù)，并進行(hang)相應的(de)儀表系(xì)數補償(chang)，由液晶(jing)屏顯示(shi)和接口(kǒu)輸出。空(kong)管檢測(cè)模塊用(yong)于設定(ding)使用實(shí)際環境(jing)的地磁(cí)幅值，檢(jian)測測量(liàng)管是否(fou)處于空(kōng)管狀态(tài)。解析軟(ruan)件用于(yu)将計量(liàng)數據自(zi)動生成(chéng)固井施(shi)工所需(xu)的各種(zhong)報表和(he)圖标。
5試(shì)驗結果(guǒ)及分析(xi)
　　現場試(shi)驗所用(yong)測量管(guǎn)的内徑(jing)爲DN50，通過(guo)高壓由(you)壬接入(rù)泥漿管(guǎn)線，并串(chuàn)接渦輪(lun)流量計(jì)進行比(bi)較，采用(yong)标準計(ji)量罐測(ce)試。計量(liàng)鑽井泥(ní)漿密度(du)範圍爲(wèi)1.15g/cm3～2.50g/cm3，固井設(she)計施工(gōng)現場一(yi)次性替(tì)⭕漿量爲(wèi)18cm3~160cm3，替漿瞬(shùn)時流量(liàng)爲0.2cm3/min-2.8cm3/min(流⛷️速(su)：1.6-23.8m/s)；通過近(jìn)15口井的(de)施工應(ying)用，結果(guǒ)如表1所(suǒ)示。試驗(yàn)表🌈明儀(yi)表計量(liang)誤差小(xiǎo)于l％；在流(liú)速2.0m/s以下(xia)，随着流(liú)量的減(jian)❌少測試(shì)誤差逐(zhú)⛱️漸提高(gāo)，在流速(sù)🌏1.0m/s左右計(ji)量精度(du)🏒降到3％左(zuǒ)右。經分(fen)⭐析，主要(yao)是由零(ling)🐇點漂移(yi)引起的(de)，這點與(yǔ)實驗🔱室(shi)用清水(shuǐ)标定結(jie)果基本(běn)吻合。使(shǐ)用DN50的測(ce)量管，實(shi)✔️驗室标(biao)定㊙️結果(guǒ)如表2所(suo)示。試驗(yàn)證明，采(cai)用雙頻(pin)矩形🔞波(bo)作爲勵(lì)磁信号(hao)✏️，可有效(xiao)地規避(bì)和抑止(zhǐ)🏃🏻‍♂️固井泥(ní)漿的流(liú)動噪聲(shēng)和現場(chang)震動等(deng)所帶來(lai)的低頻(pin)噪聲，從(cóng)而顯🔱著(zhe)提高儀(yi)表計量(liàng)泥漿的(de)精度。


6結(jié)束語
　　采(cai)用雙頻(pin)矩形波(bō)作爲勵(lì)磁信号(hào)，根據固(gù)井施工(gōng)的特點(diǎn)和現🤞場(chǎng)幹擾的(de)分析，選(xuan)取适當(dāng)的勵磁(cí)電流頻(pin)率提🔞高(gao)儀表在(zai)工作過(guò)程中的(de)抗幹擾(rao)能力，顯(xian)著提高(gao)了固井(jǐng)泥漿的(de)計量精(jing)度。由于(yu)測量管(guan)爲無阻(zu)流檢測(ce)件的光(guang)滑管道(dào)，不可能(néng)被泥漿(jiang)中的雜(za)物卡堵(dǔ)(尤其用(yong)于高密(mi)度泥漿(jiāng))而影響(xiang)施工，且(qiě)沖洗和(hé)保養要(yao)求很低(di)，具❓有較(jiào)好的推(tui)廣應用(yong)價值。今(jin)後，将進(jìn)一步研(yan)究勵💰磁(cí)信号的(de)形式🏃🏻和(he)勵磁電(diàn)流頻率(lü)的選取(qǔ)，提高儀(yi)表在低(dī)流速階(jiē)段的測(ce)量精度(dù)。

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