適當的勵磁電流頻率提高固井泥漿的計量精度

摘要：在分析勵磁信號對計（jì）量精度影（yǐng）響的基礎上（shàng），針（zhēn）對固井作業高密度、大（dà）排量泥（ní）漿管流場的特點和施工現場的幹擾特征，提出了一種新的勵磁信號形式，提高泥漿（jiāng）的計量精度，並給出現（xiàn）場驗證結果。

固（gù）井的目的就是使用水泥建立層（céng）間（jiān）封隔（gé），*先它必須能夠有效地從井眼中清除鑽井液。在確保井下安全的前提下，通過高壓（yā）壓入泥漿並控製施工流量，實（shí）現有效（xiào）驅替，提（tí）高所注水泥的頂替效率是避免鑽井液（yè）竄槽，保證水泥（ní）膠（jiāo）結（jié）質量和環密封效果（guǒ）的（de）基本前提。泥（ní）漿的流量是固井施工過程中的重要參數，對其進行連續實時（shí）精確的計量（liàng），是確保固井質量、提高施工技術水平和效率、實現（xiàn）科學管理（lǐ）的必要手段。

由於固井泥漿物性及成份範圍（wéi）很（hěn）大，目前所采用（yòng）的幾種檢測儀器和（hé）方法都存在不少問（wèn）題，例（lì）如（rú）：科裏奧利質量流量計（jì）雖（suī）然計量精度很高，但由於（yú）對外（wài）界振動相當敏感，需要固定安裝，且耐壓（yā）性很差，不能用於高壓作業實時計量；超（chāo）聲流量計與物性及（jí）成份關係*大（dà），在固井現場難於推廣使用；也有報道使（shǐ）用電磁流量計來計量固井泥漿，但耐壓（≤5MPa）和泥（ní）漿密（mì）度（≤1.8g/cm³）有一定的限製，不能用於準確計量（liàng）現場不同的物性及成份的泥漿流量。目前各油田大多采用渦輪流量計來現（xiàn）場計量固（gù）井（jǐng）泥漿的流量，其流量精度（3％）雖能（néng）滿足（zú）要求，但（dàn）渦輪常被泥漿中的雜（zá）物卡堵（尤其用於（yú）高密（mì）度（dù）泥漿），影（yǐng）響施工，且衝洗和軸承保養要求較高，壽命不長。隨著我國大深度（dù）鑽井作業日益增多，高密度（dù）、大排量泥漿在固井施工中使用日趨頻繁，需要一（yī）種新型的泥漿流量計進行現（xiàn）場實時準確計（jì）量。

本文從常規電磁流量計原理（lǐ）著手，在分析勵磁（cí）信號對計量精度影響的基礎上，針對固井施工現場的高密度、大流（liú）量（liàng）泥漿管（guǎn）流場的特點，提出了一種新的勵磁（cí）信號形（xíng）式，以提高固井泥漿的計量精度，*後給出現（xiàn）場驗證結果。

1、測量原理（lǐ）

根據法拉*電磁（cí）感應定律，當一導體在磁（cí）場中運動而切割磁力線（xiàn）時，在導（dǎo）體兩端便會產生感應電動勢。在均勻磁場中，設垂直於磁場方向有一個直徑為D的無磁管（guǎn）道，內表麵澆注絕緣襯裏，外表麵繞（rào）有線圈，在與計量管軸線和磁場磁（cí）力線相互垂直的管壁上安裝（zhuāng）一對檢測電*。用於固井的泥漿是一種（zhǒng）導（dǎo）電介質，當測量管道中的泥（ní）漿流動時（shí），泥漿切割線圈中勵磁電流產生的磁場，便會產生和泥漿的平均流速（sù）v成正比感應電動勢E。

E=BDv   （1）

式中（zhōng）B為磁感應強（qiáng）度。

由此可得管道的體積流（liú）量為：

由式（1）、式（2）可得：

式中：K為儀表常數，當保持磁感應強度B恒定時，測量感應電動勢E便（biàn）可得管（guǎn）道（dào）的體積流量Q，且（qiě）具（jù）有線（xiàn）性關係。

2、勵磁方式

從測量原理可知，隻有測量管道維持均勻、恒定的磁場，即B為常數（shù）時，體積流量Q與感應電動勢E的線（xiàn）性關係才成立，所以需要選（xuǎn）擇合適的勵磁方式。

勵磁技術是電磁流量計中*關鍵的技（jì）術，目前一般采用直流勵磁、工頻正弦勵磁和低頻方波勵磁三種方式。直流勵磁用直（zhí）流電或（huò）永久磁鐵產（chǎn）生磁場，結構雖簡單，但電*易發生*化（huà），難以保（bǎo）證B為常數，使其（qí）應用範圍受限。工頻正弦勵磁通過勵磁線圈產生交變磁場，但易產生正交幹擾和同相幹擾（rǎo）等，引起零點漂移。低頻方波（bō）勵磁用低頻方波經（jīng）功率放（fàng）大後激勵（lì）線圈產生磁場，在半個周期內，磁場是恒穩的直流磁場，受電磁幹擾影響很小，同時消除由分布電容引起的工頻幹擾；同時從整（zhěng）個時間過程來說，方波信號是一個交變的信號，克服了直流勵磁易產生的*化現象。目前這種勵磁方式在電磁流量計上廣泛應用。

常規電磁流量計所應用的（de）低頻方波（bō）勵磁方式的（de）勵磁電流頻率（lǜ）通常為工頻的1/4～1/10。目前（qián）深井（6000m以上）的固井施工中所使用泥漿（jiāng）的密度大多在1.8g/cm³以（yǐ）上，流速高達25m/s，所用（yòng）的泥漿又是固液兩相低導率流體，雖然高壓下能消除非牛（niú）頓流體所帶（dài）來（lái）的測量誤差，但測量管內會產生隨流量增加而頻率增加的隨機幹擾噪聲。經測（cè）定（dìng），在DN50測量管內，所用的泥漿密度為2.0g/cm³，流速在10～15m/s範圍內，測量管內的流動噪聲主要為尖峰狀的泥漿流噪聲，量級在mv級，頻率集中在25Hz以下，如圖1所示。在勵磁頻率較低時，泥漿幹（gàn）擾（rǎo）的數量級較（jiào）大，高頻時幹擾（rǎo）數量級（jí）較（jiào）小，具有1/f的（de）頻譜特性。另外，施（shī）工現場敲擊和震動所帶（dài）來的低頻噪聲，也會影響電磁流量計的計量精度。提高勵（lì）磁電流頻率可以（yǐ）規（guī）避和抑止這些幹擾，以提高電磁流量傳感器輸（shū）出的信噪比，但會犧牲電磁（cí）流量計的零點穩定性。本文提出新的一種勵磁方式，采用雙頻矩形波作為勵磁信號。其勵磁電流波形是在低頻矩形波上疊加高頻（pín）矩形波，用兩種采樣頻率分別（bié）得到高頻和低頻兩種流（liú）量信號。如圖2所示，高頻部分是80Hz的矩形波，外（wài）包絡線是10Hz的低（dī）頻（pín）矩形波。這樣，能克服單一低頻矩形波勵磁存在的泥漿流動（dòng）噪聲，同時又能保證零點的穩定性，提高流量計的計量穩定（dìng）性和（hé）響應速度。

3、硬件係統

用於固井泥漿的電磁流量計的硬件部分（fèn）主（zhǔ）要由傳感器、電源電路、勵磁電路（lù）、信號調理電路（lù）、信號采集處理電路（lù）及接口電路等模塊組成，如圖3所示。本（běn）文重點介紹關鍵模（mó）塊勵磁電路和信號調理電路。

3.1勵磁電路

勵磁電路決定儀表（biǎo）的工作磁場，是儀表*其關鍵的部分。本文中（zhōng）的勵磁電路由兩部分組成，如圖4所示（shì）。由單片機MSP430F2418的定時器產生雙頻矩形（xíng）波，經光耦隔離後通過兩片場效應管組成的開關電路實現通斷功（gōng）能。DH902為恒流管，提供恒定的勵磁（cí）電流，由MCU定時器脈衝寬（kuān）度調製（PWM）輸出經過濾波後控製勵磁電流的幅值，從而產生雙頻矩形波。

3.2信號調理電（diàn）路

電（diàn）*輸出的感應電動勢信號為微伏至毫伏級交變信號，經濾波後慮除（chú）部分高（gāo）頻信號（hào），然（rán）後送（sòng）高阻抗放大器進（jìn）行放大，經（jīng）兩級帶通濾波器（qì）分別取（qǔ）出（chū）高頻、低頻信號，隔直後保留交流分量送MCU的ADC引（yǐn）腳。

4、軟件係統

係統軟件采用（yòng）模塊化設計方法，由控製模塊、測量（liàng）模塊、空管檢測模塊和解（jiě）析軟件組成。控製模塊為本儀表的主程（chéng）序，用於產（chǎn）生雙頻矩形勵磁波、控製流量信號的采集（jí）和處理、以菜單模（mó）式通過鍵盤操作和液晶顯示使儀表進入參數設定狀態或工況顯示狀態。測量模塊采集（jí）來自信號（hào）調（diào）理模（mó）塊的流量信號（hào），計算瞬時流量、累計流量和流速，並進行相應（yīng）的儀表係數補償，由液晶屏顯示和接口輸出。空管檢（jiǎn）測模塊用於設定使用實際環境的地磁幅值，檢測測量管是否處於空（kōng）管狀態。解析軟件（jiàn）用於將計量數據自動生成固井施工所需的各種報表和圖標。

5、試驗結果及分析

現場試驗所用測（cè）量管的內徑為（wéi）DN50，通過高壓由壬接入泥漿管（guǎn）線，並串（chuàn）接渦輪流量計進（jìn）行比較，采用標準計量罐測試。計量鑽井泥漿密度範圍為1.15g/cm³～2.50g/cm³，固（gù）井設計施工現場一（yī）次性替漿（jiāng）量為18m³～160m³，替漿瞬時流量為0.2m³/min～2.8m³/min（流速（sù）：1.6～23.8m/s）；通過近15口井的施工應用，結果如表1所示。試驗表明（míng）儀表計量（liàng）誤差小於1%；在流速2.0m/s以下，隨著流量的減少測試誤差逐漸提高，在流速1.0m/s左右計量精度降到3%左右。經分析，主要是由零點漂移引（yǐn）起的，這點與實（shí）驗室用清水標定結果基本吻合。使用DN50的（de）測量管，實驗室標（biāo）定結果如表2所示。試驗證明，采用雙頻矩形波作為勵磁信號，可有效地規避和抑止固井泥漿的（de）流動噪聲（shēng）和現場（chǎng）震動等所帶來的低頻噪聲，從而顯著提高儀表計（jì）量（liàng）泥漿的精度。

6、結束（shù）語（yǔ）

本文采用雙頻矩形波作為勵磁信號，根據固井施工的特點（diǎn）和現場幹擾的分析，選取適當的勵磁電流頻率（lǜ）提高儀表在工（gōng）作過程中的抗幹擾能（néng）力，顯著提高了固井泥漿的計量精度。由於測量管為無阻流檢測件的光滑管道，不可能被泥（ní）漿中的雜物卡（kǎ）堵（dǔ）（尤其用於高密度泥漿）而影響施工，且衝洗和保（bǎo）養要求很低，具（jù）有較好的推廣應（yīng）用（yòng）價值。今後，將進一步（bù）研究勵磁信號的形式和（hé）勵磁電流頻率的選取，提高儀表在低流速（sù）階段的測量精度。