摘要(yao)：在分(fen)析勵(li)磁信(xin)号對(dui)計量(liang)精度(du)影響(xiang)的基(ji)礎上(shang)，針對(dui)固井(jing)作業(ye)高密(mi)度、大(da)排量(liang)泥漿(jiang)管流(liu)場的(de)特點(dian)和施(shi)🔅工現(xian)場的(de)幹擾(rao)🏒特征(zheng)，提出(chu)了一(yi)種新(xin)的勵(li)磁信(xin)号形(xing)式，提(ti)高泥(ni)㊙️漿的(de)計量(liang)精度(du)，并給(gei)出現(xian)場結(jie)果。
固(gu)井的(de)目的(de)就是(shi)使用(yong)水泥(ni)建立(li)層間(jian)封隔(ge)，首先(xian)它必(bi)須能(neng)夠🔴有(you)效地(di)從井(jing)眼中(zhong)清除(chu)鑽井(jing)液。在(zai)确保(bao)井下(xia)安全(quan)的前(qian)提下(xia)，通過(guo)高壓(ya)壓入(ru)泥漿(jiang)并控(kong)制施(shi)工🌍流(liu)量，實(shi)現有(you)效驅(qu)替，提(ti)高所(suo)注水(shui)泥的(de)頂替(ti)效率(lü)是避(bi)免鑽(zuan)井液(ye)竄槽(cao)，保證(zheng)水泥(ni)膠結(jie)質量(liang)和環(huan)密封(feng)效🌍果(guo)的基(ji)本前(qian)提。泥(ni)漿的(de)流量(liang)是固(gu)井施(shi)工過(guo)程中(zhong)的重(zhong)要參(can)數，對(dui)其進(jin)行連(lian)續實(shi)時正(zheng)确的(de)計量(liang)，是确(que)保固(gu)井質(zhi)量、提(ti)高施(shi)工技(ji)術水(shui)平和(he)效率(lü)、實現(xian)科學(xue)管理(li)的必(bi)要手(shou)段。
　　由(you)于固(gu)井泥(ni)漿物(wu)性及(ji)成份(fen)範圍(wei)很大(da)，目前(qian)所采(cai)用👣的(de)幾種(zhong)檢測(ce)儀器(qi)和方(fang)法都(dou)存在(zai)不少(shao)問題(ti)，例如(ru)：科🐅裏(li)奧利(li) 質量(liang)流量(liang)計 雖(sui)然計(ji)量精(jing)度很(hen)高，但(dan)由于(yu)對外(wai)界振(zhen)動相(xiang)當敏(min)感，需(xu)要固(gu)定👄安(an)裝，且(qie)耐壓(ya)性很(hen)差，不(bu)能用(yong)于高(gao)壓作(zuo)業實(shi)時計(ji)量； 超(chao)聲流(liu)量計(ji) 與物(wu)性及(ji)成份(fen)關系(xi)極大(da)，在固(gu)井現(xian)場難(nan)于推(tui)廣使(shi)用；也(ye)有報(bao)道使(shi)用 電(dian)磁流(liu)量計(ji) 來計(ji)量固(gu)井泥(ni)漿，但(dan)耐壓(ya)(≤5MPa)和泥(ni)漿密(mi)度(≤1.8g/cm3)有(you)一定(ding)的限(xian)制⭐，不(bu)能用(yong)于💛準(zhun)确計(ji)量現(xian)場不(bu)同的(de)物性(xing)及成(cheng)份的(de)泥漿(jiang)流量(liang)。目前(qian)各油(you)田大(da)多采(cai)用 渦(wo)輪流(liu)量計(ji) 來現(xian)場計(ji)量固(gu)井泥(ni)漿的(de)流量(liang)，其流(liu)量精(jing)度(3％)雖(sui)能滿(man)足要(yao)求🔴，但(dan)⭐渦輪(lun)常被(bei)泥漿(jiang)中的(de)雜物(wu)卡堵(du)(尤其(qi)用于(yu)🍉高密(mi)度泥(ni)漿)，影(ying)響施(shi)🔱工，且(qie)沖洗(xi)和軸(zhou)承保(bao)養要(yao)求較(jiao)高，壽(shou)命不(bu)長。随(sui)着我(wo)國大(da)深度(du)鑽井(jing)作業(ye)日益(yi)增多(duo)，高密(mi)度、大(da)🈲排量(liang)泥漿(jiang)在固(gu)井施(shi)工中(zhong)使用(yong)日趨(qu)頻繁(fan)，需要(yao)一種(zhong)新型(xing)的泥(ni)漿流(liu)量計(ji) 進行(hang)現場(chang)實時(shi)準确(que)計量(liang)。
　　從常(chang)規 電(dian)磁流(liu)量計(ji)原理(li) 着手(shou)，在分(fen)析勵(li)磁信(xin)号對(dui)計量(liang)精度(du)影響(xiang)的基(ji)礎上(shang)❌，針對(dui)固井(jing)🈚施🤩工(gong)現場(chang)的高(gao)密度(du)、大流(liu)量泥(ni)漿管(guan)流場(chang)的特(te)點，提(ti)出了(le)㊙️一種(zhong)🛀新的(de)勵磁(ci)信号(hao)形式(shi)，以提(ti)高固(gu)井泥(ni)漿的(de)計量(liang)精度(du)。
1測量(liang)原理(li)
　　根據(ju)法拉(la)第電(dian)磁感(gan)應定(ding)律，當(dang)一導(dao)體在(zai)磁場(chang)中運(yun)動而(er)切割(ge)☔磁力(li)線時(shi)，在導(dao)體兩(liang)端便(bian)會産(chan)生感(gan)應電(dian)動勢(shi)。在均(jun)勻磁(ci)場中(zhong)，設垂(chui)直于(yu)磁場(chang)方向(xiang)有一(yi)個直(zhi)徑爲(wei)D的無(wu)磁管(guan)📐道，内(nei)表🔞面(mian)澆注(zhu)絕緣(yuan)襯裏(li)，外表(biao)面繞(rao)有線(xian)圈，在(zai)與計(ji)量管(guan)軸線(xian)和磁(ci)場磁(ci)力線(xian)✍️相互(hu)垂直(zhi)❗的管(guan)壁上(shang)安裝(zhuang)一對(dui)檢測(ce)🔆電極(ji)。用于(yu)固井(jing)的泥(ni)漿是(shi)😘一種(zhong)導電(dian)介質(zhi)，當測(ce)量管(guan)道中(zhong)的泥(ni)漿流(liu)動時(shi)，泥漿(jiang)切割(ge)線圈(quan)中勵(li)磁電(dian)流産(chan)🏒生的(de)磁場(chang)，便會(hui)産生(sheng)和泥(ni)漿的(de)平均(jun)流速(su)v成正(zheng)🚶‍♀️比感(gan)應電(dian)動勢(shi)E。

式中(zhong)：K爲儀(yi)表常(chang)數，當(dang)保持(chi)磁感(gan)應強(qiang)度B恒(heng)定時(shi)，測量(liang)感應(ying)電👈動(dong)勢便(bian)可得(de)管道(dao)的體(ti)積流(liu)量Q，且(qie)具有(you)線性(xing)關系(xi)。
2勵磁(ci)方式(shi)
　　從測(ce)量原(yuan)理可(ke)知，隻(zhi)有測(ce)量管(guan)道維(wei)持均(jun)勻、恒(heng)定的(de)磁場(chang)，即B爲(wei)常❄️數(shu)時，體(ti)積流(liu)量Q與(yu)感應(ying)電動(dong)勢E的(de)線性(xing)⭐關系(xi)才成(cheng)立，所(suo)以需(xu)要選(xuan)擇合(he)适的(de)勵磁(ci)方式(shi)。
　　勵磁(ci)技術(shu)是電(dian)磁流(liu)量計(ji)中最(zui)關鍵(jian)的技(ji)術，目(mu)前一(yi)般采(cai)用直(zhi)流勵(li)磁、工(gong)頻正(zheng)弦勵(li)磁和(he)低頻(pin)方波(bo)勵磁(ci)三種(zhong)方式(shi)。直流(liu)勵磁(ci)🐉用直(zhi)流電(dian)或永(yong)久磁(ci)鐵産(chan)生磁(ci)💃🏻場，結(jie)構雖(sui)簡單(dan)，但電(dian)極易(yi)發生(sheng)極化(hua)，難🏒以(yi)保證(zheng)B爲常(chang)數，使(shi)其應(ying)用範(fan)圍受(shou)🐉限。工(gong)頻正(zheng)弦勵(li)磁通(tong)過勵(li)磁線(xian)💞圈産(chan)生交(jiao)變磁(ci)場，但(dan)易産(chan)🚩生正(zheng)交幹(gan)擾和(he)同相(xiang)幹擾(rao)等，引(yin)起零(ling)點漂(piao)移。低(di)頻方(fang)波勵(li)磁用(yong)低頻(pin)方波(bo)經功(gong)率放(fang)大後(hou)勵磁(ci)線圈(quan)産生(sheng)💃磁場(chang)，在半(ban)🔞個周(zhou)期内(nei)，磁場(chang)👣是🥵恒(heng)穩的(de)直流(liu)磁場(chang)🔅，受電(dian)磁幹(gan)擾影(ying)響很(hen)小，同(tong)時消(xiao)除由(you)分布(bu)電容(rong)引起(qi)的工(gong)頻幹(gan)擾；同(tong)時從(cong)整個(ge)時間(jian)過程(cheng)來說(shuo)，方波(bo)信号(hao)是一(yi)個交(jiao)變的(de)信号(hao)，克服(fu)了直(zhi)流勵(li)磁易(yi)産生(sheng)的極(ji)化現(xian)象。目(mu)前這(zhe)種勵(li)磁方(fang)式在(zai)電磁(ci)流量(liang)計上(shang)廣泛(fan)應用(yong)。
　　常規(gui)電磁(ci)流量(liang)計所(suo)應用(yong)的低(di)頻方(fang)波勵(li)磁方(fang)式的(de)勵磁(ci)電流(liu)頻率(lü)通常(chang)爲工(gong)頻的(de)1/4～1/10。目前(qian)深井(jing)(6000m以上(shang))的固(gu)井施(shi)工中(zhong)⛹🏻‍♀️所使(shi)用泥(ni)漿的(de)♊密度(du)大多(duo)在1.8cm3以(yi)上，流(liu)速高(gao)🚶達25m/s，所(suo)用🈲的(de)泥漿(jiang)又是(shi)固液(ye)兩相(xiang)低導(dao)率流(liu)體，雖(sui)然高(gao)壓下(xia)能消(xiao)除非(fei)牛頓(dun)流體(ti)所帶(dai)來的(de)測量(liang)誤差(cha)，但測(ce)量管(guan)内會(hui)産生(sheng)随流(liu)量增(zeng)加而(er)頻率(lü)增加(jia)的随(sui)機幹(gan)擾噪(zao)聲。經(jing)測定(ding)，在DN50測(ce)量管(guan)内，所(suo)用的(de)泥漿(jiang)密度(du)爲2.0g/cm3，流(liu)速在(zai)10～15m/s範圍(wei)内，測(ce)量👨‍❤️‍👨管(guan)内的(de)流動(dong)噪聲(sheng)主要(yao)爲尖(jian)峰狀(zhuang)的泥(ni)漿流(liu)噪聲(sheng)，量級(ji)在mv級(ji)，頻率(lü)集中(zhong)在25Hz以(yi)下，如(ru)圖1所(suo)示。在(zai)勵磁(ci)頻率(lü)較低(di)時，泥(ni)漿幹(gan)擾的(de)數量(liang)級較(jiao)大，高(gao)頻時(shi)幹擾(rao)數量(liang)級較(jiao)小，具(ju)有1/?的(de)頻譜(pu)特性(xing)。另外(wai)，施工(gong)現場(chang)敲擊(ji)和震(zhen)動所(suo)帶來(lai)的低(di)頻噪(zao)聲，也(ye)會影(ying)響電(dian)👉磁流(liu)💔量計(ji)的計(ji)量精(jing)度。提(ti)高勵(li)磁🌐電(dian)流頻(pin)率可(ke)以規(gui)避和(he)抑止(zhi)這些(xie)幹擾(rao)，以提(ti)高電(dian)磁🙇🏻流(liu)量傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)☁️的信(xin)噪比(bi)，但會(hui)💃犧牲(sheng)電磁(ci)流量(liang)計的(de)零點(dian)穩定(ding)性。提(ti)出新(xin)的一(yi)種勵(li)磁方(fang)式，采(cai)用雙(shuang)頻矩(ju)形波(bo)作爲(wei)勵磁(ci)信号(hao)。其勵(li)磁電(dian)流波(bo)形是(shi)在低(di)頻矩(ju)形波(bo)上疊(die)加高(gao)頻矩(ju)形波(bo)，用兩(liang)種采(cai)樣頻(pin)🌍率分(fen)别得(de)到高(gao)頻🎯和(he)低頻(pin)兩種(zhong)流量(liang)信号(hao)。如圖(tu)2所示(shi)，高頻(pin)部分(fen)是80Hz的(de)矩形(xing)波，外(wai)包絡(luo)線是(shi)10Hz的低(di)頻矩(ju)形波(bo)。這樣(yang)，能克(ke)服單(dan)一低(di)頻矩(ju)💁形波(bo)勵磁(ci)存在(zai)的泥(ni)漿流(liu)動噪(zao)聲，同(tong)時又(you)能保(bao)證零(ling)點的(de)穩定(ding)性，提(ti)高流(liu)量計(ji)的計(ji)量穩(wen)定性(xing)和響(xiang)應速(su)度👨‍❤️‍👨。


3硬件(jian)系統(tong)
　　用于(yu)固井(jing)泥漿(jiang)的電(dian)磁流(liu)量計(ji)的硬(ying)件部(bu)分主(zhu)要由(you)傳感(gan)器、電(dian)☀️源⭕電(dian)路、勵(li)磁電(dian)路、信(xin)号調(diao)理電(dian)路、信(xin)号采(cai)🛀集處(chu)理電(dian)路及(ji)接口(kou)🔴電路(lu)等模(mo)塊組(zu)成，如(ru)圖3所(suo)示。重(zhong)🌐點介(jie)紹🚩關(guan)鍵模(mo)塊勵(li)磁⁉️電(dian)路和(he)♌信号(hao)調🧑🏾‍🤝‍🧑🏼理(li)電路(lu)。

3.1勵磁(ci)電路(lu)
　　勵磁(ci)電路(lu)決定(ding)儀表(biao)的工(gong)作磁(ci)場，是(shi)儀表(biao)極其(qi)關鍵(jian)的部(bu)分。中(zhong)的㊙️勵(li)磁電(dian)路由(you)兩部(bu)分組(zu)成，如(ru)圖4所(suo)示。由(you)🍓單片(pian)機MSP430F2418的(de)♌定時(shi)器産(chan)生雙(shuang)頻矩(ju)形波(bo)，經光(guang)耦隔(ge)離後(hou)通過(guo)兩片(pian)場效(xiao)應管(guan)組成(cheng)的開(kai)關電(dian)路實(shi)現通(tong)斷功(gong)能。DH902爲(wei)恒流(liu)🌈管，提(ti)供恒(heng)定的(de)勵磁(ci)電流(liu)，由MCU定(ding)♻️時器(qi)脈沖(chong)寬度(du)調制(zhi)(PWM)輸出(chu)經過(guo)濾波(bo)後控(kong)制勵(li)磁🐪電(dian)流的(de)幅值(zhi)，從而(er)産生(sheng)雙頻(pin)矩形(xing)波。

3.2信(xin)号調(diao)理電(dian)路
　　電(dian)極輸(shu)出的(de)感應(ying)電動(dong)勢信(xin)号爲(wei)微伏(fu)至毫(hao)伏級(ji)交😘變(bian)信❗号(hao)，經濾(lü)🌏波後(hou)慮除(chu)部分(fen)高頻(pin)信号(hao)，然後(hou)送高(gao)阻抗(kang)放大(da)器進(jin)行放(fang)大💃🏻，經(jing)兩級(ji)帶通(tong)濾波(bo)器分(fen)别取(qu)出高(gao)頻、低(di)頻信(xin)号，隔(ge)直後(hou)保留(liu)交流(liu)分量(liang)送MCU的(de)ADC引腳(jiao)。
4軟件(jian)系統(tong)
　　系統(tong)軟件(jian)采用(yong)模塊(kuai)化設(she)計方(fang)法，由(you)控制(zhi)模塊(kuai)、測量(liang)模塊(kuai)、空管(guan)檢測(ce)模塊(kuai)和解(jie)析軟(ruan)件組(zu)成。控(kong)制模(mo)塊爲(wei)本儀(yi)表的(de)主程(cheng)序，用(yong)于産(chan)生雙(shuang)頻矩(ju)形勵(li)磁波(bo)、控制(zhi)流量(liang)信号(hao)的采(cai)集和(he)處理(li)、以菜(cai)單模(mo)式通(tong)過鍵(jian)盤操(cao)作和(he)液晶(jing)顯示(shi)使儀(yi)表進(jin)入參(can)數設(she)定狀(zhuang)态或(huo)工況(kuang)顯示(shi)狀态(tai)。測量(liang)模塊(kuai)采集(ji)來自(zi)信号(hao)調理(li)模塊(kuai)的流(liu)量信(xin)号，計(ji)算瞬(shun)時流(liu)量、累(lei)計流(liu)量和(he)流速(su)，并進(jin)行相(xiang)應的(de)儀表(biao)系數(shu)補償(chang)，由液(ye)晶屏(ping)顯示(shi)和接(jie)口輸(shu)出。空(kong)管檢(jian)測模(mo)塊用(yong)于設(she)定使(shi)用實(shi)際環(huan)境的(de)地磁(ci)幅值(zhi)，檢測(ce)測量(liang)管是(shi)否處(chu)于空(kong)管狀(zhuang)态。解(jie)析軟(ruan)件用(yong)于将(jiang)計量(liang)數據(ju)自動(dong)生成(cheng)固井(jing)施工(gong)所需(xu)的各(ge)種報(bao)表和(he)圖标(biao)。
5試驗(yan)結果(guo)及分(fen)析
　　現(xian)場試(shi)驗所(suo)用測(ce)量管(guan)的内(nei)徑爲(wei)DN50，通過(guo)高壓(ya)由壬(ren)接入(ru)泥漿(jiang)管線(xian)🐉，并串(chuan)接渦(wo)輪流(liu)量計(ji)進行(hang)比較(jiao)，采用(yong)标準(zhun)計量(liang)罐測(ce)試。計(ji)量❓鑽(zuan)井泥(ni)漿密(mi)度範(fan)圍爲(wei)1.15g/cm3～2.50g/cm3，固井(jing)設計(ji)施工(gong)現場(chang)一☀️次(ci)性替(ti)漿量(liang)爲18cm3~160cm3，替(ti)漿瞬(shun)時流(liu)量爲(wei)0.2cm3/min-2.8cm3/min(流速(su)：1.6-23.8m/s)；通過(guo)近15口(kou)井的(de)施工(gong)應用(yong)，結☀️果(guo)如表(biao)1所👉示(shi)。試驗(yan)表明(ming)儀表(biao)計量(liang)誤差(cha)小于(yu)l％；在流(liu)速2.0m/s以(yi)下，随(sui)着流(liu)量的(de)減少(shao)測試(shi)誤差(cha)逐漸(jian)提高(gao)，在流(liu)速1.0m/s左(zuo)右計(ji)量精(jing)度降(jiang)到3％左(zuo)右。經(jing)分🌈析(xi)，主要(yao)是由(you)零點(dian)漂移(yi)引起(qi)的，這(zhe)點與(yu)實驗(yan)☂️室用(yong)清水(shui)标定(ding)結果(guo)基本(ben)吻合(he)。使用(yong)DN50的測(ce)量管(guan)，實驗(yan)室标(biao)定🔱結(jie)果如(ru)表2所(suo)🏃示。試(shi)驗證(zheng)明，采(cai)用雙(shuang)頻矩(ju)形波(bo)作爲(wei)勵磁(ci)信号(hao)，可有(you)效地(di)規避(bi)和抑(yi)止固(gu)井泥(ni)漿🏒的(de)流動(dong)噪聲(sheng)和現(xian)場震(zhen)動等(deng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼所帶(dai)來的(de)低頻(pin)噪聲(sheng)，從🛀而(er)顯著(zhe)提高(gao)儀表(biao)計量(liang)泥漿(jiang)的精(jing)度。


6結(jie)束語(yu)
　　采用(yong)雙頻(pin)矩形(xing)波作(zuo)爲勵(li)磁信(xin)号，根(gen)據固(gu)井施(shi)工的(de)特點(dian)和現(xian)場幹(gan)擾的(de)分析(xi)，選取(qu)适當(dang)的勵(li)磁電(dian)流頻(pin)率提(ti)高儀(yi)🐕表在(zai)工作(zuo)過程(cheng)中的(de)抗幹(gan)擾能(neng)力，顯(xian)著提(ti)高了(le)固井(jing)泥漿(jiang)的計(ji)量🤩精(jing)度。由(you)‼️于測(ce)量💯管(guan)爲無(wu)阻流(liu)檢測(ce)件的(de)🈲光滑(hua)管道(dao)，不可(ke)能被(bei)✂️泥漿(jiang)中的(de)雜物(wu)卡堵(du)(尤其(qi)用于(yu)高密(mi)度泥(ni)漿)而(er)影響(xiang)施工(gong)，且沖(chong)洗和(he)保養(yang)要求(qiu)很低(di)，具有(you)較好(hao)的推(tui)廣應(ying)用價(jia)值。今(jin)後，将(jiang)進一(yi)步研(yan)究勵(li)磁信(xin)号的(de)形式(shi)和勵(li)磁電(dian)流頻(pin)率的(de)選取(qu)，提高(gao)儀表(biao)在低(di)流速(su)♍階段(duan)的測(ce)量精(jing)度。

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