適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流頻率提高固井泥漿的計(jì)量精度

摘要：在分析勵(lì)磁信號(hào)對(duì)計(jì)量精度影響的基礎(chǔ)上，針對(duì)固井作業(yè)高密度、大排量泥漿管流場(chǎng)的特點(diǎn)和施工現(xiàn)場(chǎng)的干擾特征，提出了一種新的勵(lì)磁信號(hào)形式，提高泥漿的計(jì)量精度，并給出現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果。

固井的目的就是使用水泥建立層間封隔，*先它必須能夠有效地從井眼中清除鉆井液。在確保井下安全的前提下，通過(guò)高壓壓入泥漿并控制施工流量，實(shí)現(xiàn)有效驅(qū)替，提高所注水泥的頂替效率是避免鉆井液竄槽，保證水泥膠結(jié)質(zhì)量和環(huán)密封效果的基本前提。泥漿的流量是固井施工過(guò)程中的重要參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)精確的計(jì)量，是確保固井質(zhì)量、提高施工技術(shù)水平和效率、實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的必要手段。

由于固井泥漿物性及成份范圍很大，目前所采用的幾種檢測(cè)儀器和方法都存在不少問(wèn)題，例如：科里奧利質(zhì)量流量計(jì)雖然計(jì)量精度很高，但由于對(duì)外界振動(dòng)相當(dāng)敏感，需要固定安裝，且耐壓性很差，不能用于高壓作業(yè)實(shí)時(shí)計(jì)量；超聲流量計(jì)與物性及成份關(guān)系*大，在固井現(xiàn)場(chǎng)難于推廣使用；也有報(bào)道使用電磁流量計(jì)來(lái)計(jì)量固井泥漿，但耐壓（≤5MPa）和泥漿密度（≤1.8g/cm³）有一定的限制，不能用于準(zhǔn)確計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)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(jì)來(lái)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量固井泥漿的流量，其流量精度（3％）雖能滿足要求，但渦輪常被泥漿中的雜物卡堵（尤其用于高密度泥漿），影響施工，且沖洗和軸承保養(yǎng)要求較高，壽命不長(zhǎng)。隨著我國(guó)大深度鉆井作業(yè)日益增多，高密度、大排量泥漿在固井施工中使用日趨頻繁，需要一種新型的泥漿流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確計(jì)量。

本文從常規(guī)電磁流量計(jì)原理著手，在分析勵(lì)磁信號(hào)對(duì)計(jì)量精度影響的基礎(chǔ)上，針對(duì)固井施工現(xiàn)場(chǎng)的高密度、大流量泥漿管流場(chǎng)的特點(diǎn)，提出了一種新的勵(lì)磁信號(hào)形式，以提高固井泥漿的計(jì)量精度，*后給出現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果。

1、測(cè)量原理

根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體兩端便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在均勻磁場(chǎng)中，設(shè)垂直于磁場(chǎng)方向有一個(gè)直徑為D的無(wú)磁管道，內(nèi)表面澆注絕緣襯里，外表面繞有線圈，在與計(jì)量管軸線和磁場(chǎng)磁力線相互垂直的管壁上安裝一對(duì)檢測(cè)電*。用于固井的泥漿是一種導(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)測(cè)量管道中的泥漿流動(dòng)時(shí)，泥漿切割線圈中勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，便會(huì)產(chǎn)生和泥漿的平均流速v成正比感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。

E=BDv   （1）

式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

由此可得管道的體積流量為：

由式（1）、式（2）可得：

式中：K為儀表常數(shù)，當(dāng)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定時(shí)，測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E便可得管道的體積流量Q，且具有線性關(guān)系。

2、勵(lì)磁方式

從測(cè)量原理可知，只有測(cè)量管道維持均勻、恒定的磁場(chǎng)，即B為常數(shù)時(shí)，體積流量Q與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的線性關(guān)系才成立，所以需要選擇合適的勵(lì)磁方式。

勵(lì)磁技術(shù)是電磁流量計(jì)中*關(guān)鍵的技術(shù)，目前一般采用直流勵(lì)磁、工頻正弦勵(lì)磁和低頻方波勵(lì)磁三種方式。直流勵(lì)磁用直流電或永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，結(jié)構(gòu)雖簡(jiǎn)單，但電*易發(fā)生*化，難以保證B為常數(shù)，使其應(yīng)用范圍受限。工頻正弦勵(lì)磁通過(guò)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，但易產(chǎn)生正交干擾和同相干擾等，引起零點(diǎn)漂移。低頻方波勵(lì)磁用低頻方波經(jīng)功率放大后激勵(lì)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，在半個(gè)周期內(nèi)，磁場(chǎng)是恒穩(wěn)的直流磁場(chǎng)，受電磁干擾影響很小，同時(shí)消除由分布電容引起的工頻干擾；同時(shí)從整個(gè)時(shí)間過(guò)程來(lái)說(shuō)，方波信號(hào)是一個(gè)交變的信號(hào)，克服了直流勵(lì)磁易產(chǎn)生的*化現(xiàn)象。目前這種勵(lì)磁方式在電磁流量計(jì)上廣泛應(yīng)用。

常規(guī)電磁流量計(jì)所應(yīng)用的低頻方波勵(lì)磁方式的勵(lì)磁電流頻率通常為工頻的1/4～1/10。目前深井（6000m以上）的固井施工中所使用泥漿的密度大多在1.8g/cm³以上，流速高達(dá)25m/s，所用的泥漿又是固液兩相低導(dǎo)率流體，雖然高壓下能消除非牛頓流體所帶來(lái)的測(cè)量誤差，但測(cè)量管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機(jī)干擾噪聲。經(jīng)測(cè)定，在DN50測(cè)量管內(nèi)，所用的泥漿密度為2.0g/cm³，流速在10～15m/s范圍內(nèi)，測(cè)量管內(nèi)的流動(dòng)噪聲主要為尖峰狀的泥漿流噪聲，量級(jí)在mv級(jí)，頻率集中在25Hz以下，如圖1所示。在勵(lì)磁頻率較低時(shí)，泥漿干擾的數(shù)量級(jí)較大，高頻時(shí)干擾數(shù)量級(jí)較小，具有1/f的頻譜特性。另外，施工現(xiàn)場(chǎng)敲擊和震動(dòng)所帶來(lái)的低頻噪聲，也會(huì)影響電磁流量計(jì)的計(jì)量精度。提高勵(lì)磁電流頻率可以規(guī)避和抑止這些干擾，以提高電磁流量傳感器輸出的信噪比，但會(huì)犧牲電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性。本文提出新的一種勵(lì)磁方式，采用雙頻矩形波作為勵(lì)磁信號(hào)。其勵(lì)磁電流波形是在低頻矩形波上疊加高頻矩形波，用兩種采樣頻率分別得到高頻和低頻兩種流量信號(hào)。如圖2所示，高頻部分是80Hz的矩形波，外包絡(luò)線是10Hz的低頻矩形波。這樣，能克服單一低頻矩形波勵(lì)磁存在的泥漿流動(dòng)噪聲，同時(shí)又能保證零點(diǎn)的穩(wěn)定性，提高流量計(jì)的計(jì)量穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

3、硬件系統(tǒng)

用于固井泥漿的電磁流量計(jì)的硬件部分主要由傳感器、電源電路、勵(lì)磁電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集處理電路及接口電路等模塊組成，如圖3所示。本文重點(diǎn)介紹關(guān)鍵模塊勵(lì)磁電路和信號(hào)調(diào)理電路。

3.1勵(lì)磁電路

勵(lì)磁電路決定儀表的工作磁場(chǎng)，是儀表*其關(guān)鍵的部分。本文中的勵(lì)磁電路由兩部分組成，如圖4所示。由單片機(jī)MSP430F2418的定時(shí)器產(chǎn)生雙頻矩形波，經(jīng)光耦隔離后通過(guò)兩片場(chǎng)效應(yīng)管組成的開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)通斷功能。DH902為恒流管，提供恒定的勵(lì)磁電流，由MCU定時(shí)器脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出經(jīng)過(guò)濾波后控制勵(lì)磁電流的幅值，從而產(chǎn)生雙頻矩形波。

3.2信號(hào)調(diào)理電路

電*輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)為微伏至毫伏級(jí)交變信號(hào)，經(jīng)濾波后慮除部分高頻信號(hào)，然后送高阻抗放大器進(jìn)行放大，經(jīng)兩級(jí)帶通濾波器分別取出高頻、低頻信號(hào)，隔直后保留交流分量送MCU的ADC引腳。

4、軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由控制模塊、測(cè)量模塊、空管檢測(cè)模塊和解析軟件組成?？刂颇K為本儀表的主程序，用于產(chǎn)生雙頻矩形勵(lì)磁波、控制流量信號(hào)的采集和處理、以菜單模式通過(guò)鍵盤操作和液晶顯示使儀表進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定狀態(tài)或工況顯示狀態(tài)。測(cè)量模塊采集來(lái)自信號(hào)調(diào)理模塊的流量信號(hào)，計(jì)算瞬時(shí)流量、累計(jì)流量和流速，并進(jìn)行相應(yīng)的儀表系數(shù)補(bǔ)償，由液晶屏顯示和接口輸出。空管檢測(cè)模塊用于設(shè)定使用實(shí)際環(huán)境的地磁幅值，檢測(cè)測(cè)量管是否處于空管狀態(tài)。解析軟件用于將計(jì)量數(shù)據(jù)自動(dòng)生成固井施工所需的各種報(bào)表和圖標(biāo)。

5、試驗(yàn)結(jié)果及分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所用測(cè)量管的內(nèi)徑為DN50，通過(guò)高壓由壬接入泥漿管線，并串接渦輪流量計(jì)進(jìn)行比較，采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量罐測(cè)試。計(jì)量鉆井泥漿密度范圍為1.15g/cm³～2.50g/cm³，固井設(shè)計(jì)施工現(xiàn)場(chǎng)一次性替漿量為18m³～160m³，替漿瞬時(shí)流量為0.2m³/min～2.8m³/min（流速：1.6～23.8m/s）；通過(guò)近15口井的施工應(yīng)用，結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)表明儀表計(jì)量誤差小于1%；在流速2.0m/s以下，隨著流量的減少測(cè)試誤差逐漸提高，在流速1.0m/s左右計(jì)量精度降到3%左右。經(jīng)分析，主要是由零點(diǎn)漂移引起的，這點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)室用清水標(biāo)定結(jié)果基本吻合。使用DN50的測(cè)量管，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)證明，采用雙頻矩形波作為勵(lì)磁信號(hào)，可有效地規(guī)避和抑止固井泥漿的流動(dòng)噪聲和現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)等所帶來(lái)的低頻噪聲，從而顯著提高儀表計(jì)量泥漿的精度。

6、結(jié)束語(yǔ)

本文采用雙頻矩形波作為勵(lì)磁信號(hào)，根據(jù)固井施工的特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)干擾的分析，選取適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流頻率提高儀表在工作過(guò)程中的抗干擾能力，顯著提高了固井泥漿的計(jì)量精度。由于測(cè)量管為無(wú)阻流檢測(cè)件的光滑管道，不可能被泥漿中的雜物卡堵（尤其用于高密度泥漿）而影響施工，且沖洗和保養(yǎng)要求很低，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。今后，將進(jìn)一步研究勵(lì)磁信號(hào)的形式和勵(lì)磁電流頻率的選取，提高儀表在低流速階段的測(cè)量精度。