灌漿自動(dòng)記錄儀中智能鉆井泥漿流量計的正確選用和應用

介紹灌漿自動(dòng)記錄儀中智能鉆井泥漿流量計的測量原理、灌漿工程中正確選用的原則、現場(chǎng)合理安裝及使用的方法，同時(shí)也指出了小循環(huán)灌漿法的智能鉆井泥漿流量計無(wú)法準確、真實(shí)檢測小流量的缺陷及大循環(huán)灌漿法中智能鉆井泥漿流量計選用的合理性。
灌漿自動(dòng)記錄儀中流量參數的測量主要是針對水泥漿液的測量。水泥漿液由于水灰比的不同會(huì )形成不穩定的懸浮液或穩定的漿液 (指水離析)，同時(shí)水泥漿液的流變特性也隨水灰比的不同而分別符合牛頓定律或賓漢定律，流經(jīng)流量計測量管時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)則呈現層流或紊流狀態(tài)。決定水泥漿液流態(tài)轉變的參數是一個(gè)無(wú)量綱的雷諾數Re，管流的雷諾數為

式中: ρ是流體密度；V是管流的平均速度；d是管徑；μ是黏性系數；ν是運動(dòng)黏性系數。

當Re>2 320時(shí)流態(tài)就屬于紊流，當Re<2 320時(shí)流態(tài)就屬于層流，即臨界雷諾數Rec=2 320。

不同流動(dòng)狀態(tài)的水泥漿液流經(jīng)流量計測量管時(shí)，管內圓截面上會(huì )呈現不同的流速分布(見(jiàn)圖1)，即: 層流的流速變化是拋物線(xiàn)分布，在管中心軸上流速最大，且雷諾數變化、流速分布形態(tài)不變；紊流時(shí)，流速分布在測量管內壁的近旁比層流流速大，在中心部比層流時(shí)流速小，且流速分布形態(tài)隨雷諾數的變化而變化。

通常通過(guò)測量流速求流量的流量計，面對不同流態(tài)的流體時(shí)都要考慮其流速分布及雷諾數變化的影響，以確保測量的準確性。

事實(shí)上無(wú)論何種流態(tài)的流體，在流量計圓截面測量管內的流速分布總可以用一個(gè)對應的平均流速V來(lái)表征，即

式中：Q為體積流量；F為測量管路的截面積。
從上式可以看出，只要檢測出平均流速V，再乘以圓管的截面積F，即可得出流量Q，因此就沒(méi)有必要去顧及流速分布的形態(tài)及其分布隨雷諾數的變化問(wèn)題。但是測量平均流速的前提必須是流量計測量管有足夠長(cháng)的直管段，使管路中能形成中心部位具有最大流速的軸對稱(chēng)流速分布，這種流速分布就能夠以管子半徑的函數來(lái)表示。
智能鉆井泥漿流量計就是基于測量平均流速V的速度型體積流量計。無(wú)論水泥漿液在測量管道內的流動(dòng)為層流或還是因雷諾數的變化而變?yōu)槲闪?，其檢測電極所產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢與平均流速V成正比。
1、智能鉆井泥漿流量計原理
智能鉆井泥漿流量計(以下簡(jiǎn)稱(chēng)EMF)的基本原理是法拉第電磁感應定律，即運動(dòng)的導體在磁場(chǎng)中切割磁力線(xiàn)時(shí)在其兩端會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。見(jiàn)圖2，在內徑為D、內部磁場(chǎng)強度為B的非導磁性測量管內，
具有導電性的被測介質(zhì)液態(tài)以一定的速度流動(dòng)時(shí)，則在與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應電勢 E，其值為
E=kBVD    (2)
式中: E為感應電動(dòng)勢，V； k為系數；B為磁感應強度，T；V為流體平均流速，m/s；D為測量管內徑，m。

液體的流量為

由式（2）和式（3）可得

式中：K為儀表常數，由于傳感器生產(chǎn)的離散性，對同一標稱(chēng)口徑的傳感器要按K=4kB/πD予以修正。
傳感器的感應電勢E與流量qv是線(xiàn)性的比例關(guān)系，它只與磁感應強度B和測量管內徑D有關(guān)，而與其他物理參數的變化無(wú)關(guān)，這是智能鉆井泥漿流量計的最大優(yōu)點(diǎn)。只要測出感應電勢的大小，就可計算出實(shí)際的流量。
2、智能鉆井泥漿流量計的優(yōu)點(diǎn)
EMF的測量通道是一段無(wú)阻流檢測件的光滑直管，因不易阻塞故適用于測量含有固體顆?；蚶w維的液固二相流體，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和污水等。
EMF不會(huì )因檢測流量而產(chǎn)生壓力損失，儀表的阻力僅是同一長(cháng)度管道的沿程阻力，節能效果顯著(zhù)，對于要求低阻力損失的大管徑供水管道最為適合。
EMF所測得的體積流量，實(shí)際上不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率(只要在某閾值以上)變化明顯的影響，僅取決于流體的平均流速，因此無(wú)論被測液體種類(lèi)如何，都可以用水進(jìn)行實(shí)際流速的標定。
與其他大部分流量?jì)x表相比，EMF測量時(shí)對前置直管段的要求較低。
EMF測量范圍度大，通常為1：20～1∶50，可選流量范圍寬，滿(mǎn)度值液體流速可在0.5～10m/s內選定。某些型號的EMF還可在現場(chǎng)根據需要擴大和縮小流量(例如設有4位數電位器設定儀表常數)，而不必取下作離線(xiàn)實(shí)流標定。
EMF的口徑范圍從幾mm到3m，比其他品種流量?jì)x表要寬；同時(shí)可測正反雙向流量，也可測脈動(dòng)流量(只要脈動(dòng)頻率低于激磁頻率很多 )；儀表輸出在本質(zhì)上是線(xiàn)性的。
3、正確選用智能鉆井泥漿流量計的要點(diǎn)
3.1、量程
灌漿記錄儀投入使用時(shí)其性能參數必須和灌漿現場(chǎng)的灌漿機械設備相匹配，由于現場(chǎng)灌漿泵的泵量多為6m³/h(100L/min)，水泥漿液攪拌筒容積都為200L，所以進(jìn)漿EMF的量程也應選為100L/min。返漿EMF大部分時(shí)間都在大流量狀態(tài)下工作，但在鉆孔吃漿量大的情況下可能會(huì )出現EMF檢測小流量的情況，這可以采用小口徑EMF提高流速來(lái)解決。
3.2、口徑
灌漿工程中常用的漿液是水泥漿液。因此，智能鉆井泥漿流量計的測量管道不能太小以免堵塞，一般直徑應大于20mm。
帷幕灌漿時(shí)的吸漿量一般在0～100L/min，采用大循環(huán)灌漿方式時(shí)進(jìn)、返漿流量計上相應的流量范圍為30～100L/min，從流量、流速與口徑三者關(guān)系曲線(xiàn)圖可知流量計的口徑以選擇DN25比較合適。DN25的流量測量范圍是14172～323181L/min，當流量在30～100 L/min范圍時(shí)，其流速在112～31395m/s之間，比較合適；同時(shí)DN25和現場(chǎng)灌漿管道的口徑一致，配套安裝時(shí)不需要變徑，這極大地方便了用戶(hù)。
3.3、流速
EMF流速選取的通用原理是: 實(shí)際可測量范圍為011～10m/s，量程上限范圍為015～10m/s，推薦使用范圍為1～5m/s。而在灌漿現場(chǎng)EMF的選擇主要取決于水泥漿液在EMF測量管內的流速的作用機理: 由于水泥漿液中帶有水泥固體顆粒，考慮到對EMF襯里和電極的磨損，選用流速小于或等于3m/s；另一方面水泥漿液又具有易黏附、沉淀、結垢的特性，EMF測量管內的流速應不低于215 m/s，最好在3～4m/s，以起到對電極和內襯的自清掃作用。綜合考慮后EMF測量管內的流速可選用218m/s，此流速對應的流量應該是實(shí)際灌注濃漿時(shí)灌漿泵能輸出的有效泵量， 一般為80L/min，滿(mǎn)度流量100L/min對應的流速為315m/s，選用DN25的EMF的滿(mǎn)量程流速為31395m/s。
3.4、精度
EMF的測量精度通常都是用允許的最大引用誤差(最大允許誤差)間接表示的，其表達式為

式中:I為EMF的指標值；Q為實(shí)際流量；If為滿(mǎn)量程值；ε在理論上是用引用誤差中最大的一個(gè)表示，而實(shí)際上都是采用一個(gè)規范的約定值來(lái)表示，如015%，1%等。

引用誤差去掉百分號(%)后即為EMF的精度等級。由于最大允許誤差與EMF各測量點(diǎn)具體的指標值無(wú)關(guān)，可以準確的表征各種EMF測量的精確程序，因此是EMF最主要的質(zhì)量指標之一。由于EMF量程較寬，實(shí)際應用時(shí)其最大允許誤差通常是分區間表示的，如光華 ·愛(ài)而美特儀器有限公司的K300一體化EMF的表示方法為:在滿(mǎn)量程的20%～100%流量范圍內,測量值的最大允許誤差為測量值的±1%;在滿(mǎn)量程的0%～20%流量范圍內,測量值的最大允許誤差為量程上限值的±012%。

流量計廠(chǎng)家在出廠(chǎng)檢驗證書(shū)中都把實(shí)測的幾個(gè)流量點(diǎn)的原始數據以表1方式給出,從中可見(jiàn)實(shí)測的引用誤差都遠遠小于最大允許誤差。表1的EMF量程為6m³/h(100L/min)，輸出電流為4～20mA；且在滿(mǎn)量程值50%以上的測量點(diǎn)精度較，而在滿(mǎn)量程值1/3以下測量點(diǎn)精度低。

4、正確使用智能鉆井泥漿流量計的要點(diǎn)
4.1、使用時(shí)應注意的一般事項
EMF的使用環(huán)境一定要遠離強電磁用電設備，如電焊機、大功率電機和變壓器等，以免引起電磁場(chǎng)干擾。尤其是不能和這些設備就近共電，若在EMF附近使用電焊機或和電焊機共電，其危害是百分之百的。
幾乎所有的EMF說(shuō)明書(shū)都要求EMF和其相連接的管道一起要有良好的接地，但在灌漿現場(chǎng)尤其是灌漿廊道中，強用電設備堆積在一起，電磁場(chǎng)無(wú)和灌漿管道無(wú)任何電氣聯(lián)系，只要EMF浮空，不需要專(zhuān)門(mén)接地。但當灌漿管道采用金屬管時(shí)，易在管網(wǎng)上產(chǎn)生大的雜散電流，會(huì )干擾EMF的正常狀態(tài)，此時(shí)需要在EMF和連接管道之間進(jìn)行電氣絕緣，才能保證正常使用。不能把信號電纜和電源線(xiàn)捆綁在一起，信號電纜一定要使用屏蔽電纜，且屏蔽層的一端一定要接地(在記錄儀主機端)以避免信號干擾；另外，盡可能避免受陽(yáng)光直照，避免雨水浸淋和被水浸沒(méi)。
4.2、安裝位置和流動(dòng)方向
在灌漿現場(chǎng)會(huì )經(jīng)常碰到EMF的測量數據不合理或和應用參比值不符 ，甚至EMF本身不能正常工作的現象，而單獨檢查EMF卻沒(méi)有一點(diǎn)問(wèn)題，究其原因往往是現場(chǎng)EMF安裝不規范造成的。
EMF的安裝方向或水平、或垂直、或傾斜均可，不受限制。但測量水泥漿液這樣的固液兩相流體最好采用垂直安裝，以使漿液自下而上流動(dòng)，這樣能避免水平安裝時(shí)襯里下半部局部磨損嚴重及低流速時(shí)固相沉淀等缺點(diǎn)。
水平安裝時(shí)要使電極軸線(xiàn)平行于地平線(xiàn)，因為處于底部的電極易被沉積物覆蓋，而頂部電極易被液體中偶存的氣泡擦過(guò)遮住電極表面，使輸出信號波動(dòng)。例如圖3所示管系中，c和d為適宜位置；
a，b，e為不宜位置(b處可能液體不充滿(mǎn)，a和e處易積聚氣體，且 e處傳感器后管段短也有可能不充滿(mǎn))；對于固液兩相流來(lái)說(shuō)c處亦是不宜位置。

大循環(huán)時(shí)，進(jìn)、返漿EMF的安裝位置宜相隔1m以上，最好使用交流穩壓器單獨供電，正常使用時(shí)，決不允許帶電拔掉EMF的電源和信號插座。

4.3、直管段長(cháng)度要求

為獲得正常測量的精確度，電磁流量傳感器的上游側要有一定長(cháng)度的直管段，以保證流速分布與管軸對稱(chēng)。這里所說(shuō)的直管長(cháng)度是離開(kāi)電極的直管長(cháng)，小口徑EMF的測量管長(cháng)度往往是取其直徑的

5倍左右。需要指出的是EMF的出入口處絕對不允許安裝各種閥門(mén) ，以往把灌漿調節高壓閥直接裝在返漿EMF的出口處，造成了流速分布變化，故流量數據跳動(dòng)的現象屢見(jiàn)不鮮。

5、小循環(huán)灌漿法檢測流量的弊端

小循環(huán)灌漿法的實(shí)質(zhì)是: a泵的吸入量主要由返漿量提供，返漿量的大小由高壓調節閥控制，鉆孔灌漿注入量=流量計量(見(jiàn)圖4)；b流量計大部分時(shí)間工作在1/3量程之下，相當長(cháng)的時(shí)間內工作在1L/min左右；c返漿漿液不返回攪漿桶，水泥漿液只能在閉合的管道中循環(huán)，漿桶內調節水灰比對灌漿漿液的密度影響甚微。

由EMF的測量原理可知，其流量的下限由同噪聲或偏移的信噪比S/N 來(lái)決定，其上限則由測量管內襯里的磨損和配管的經(jīng)濟速度等來(lái)決定。一般當測量管內實(shí)際流速小于0.1m/s時(shí)，感應電動(dòng)勢已變得十分微弱(幾微伏至零點(diǎn)幾微伏)，此時(shí)噪聲的影響逐步變?yōu)橹鲗?，甚至淹沒(méi)信號電動(dòng)勢。其流速和測量誤差的關(guān)系詳見(jiàn)圖 5和表2。

從圖5、表2可以看出，當灌漿孔吸漿量很小、流速小于011m/s時(shí) ，流量測量值的誤差已變得非常大，且隨著(zhù)流速的變小呈直線(xiàn)上升。對于1L/min(流速為0.0085m/s，0.0133m/s)的測量點(diǎn)由于測量誤差達20%，已無(wú)精度可言。至于0.6L/min或0.4L/min的測量結果究竟是由噪聲還是由信號所致也搞不清楚，可信度就更無(wú)法考證了。
盡管EMF有較寬的測量范圍，其量程比可達1∶30甚至1∶50，但使用過(guò)寬的量程往往是以降低測量精度為代價(jià)的。正確選用EMF量程的首要依據是正常流量要大于滿(mǎn)量程的50%，即以工作在2/3量程區為好，盡可能不使用1/3量程區，以確保一定的測量精度；且正常流量對應的流速應選用2～315m/s的經(jīng)濟流速。
小循環(huán)灌漿時(shí)，要測的水泥漿液流量基本上都在1/3量程以下，且每段灌漿流量計都有近2h工作在2L/min以下，所以應優(yōu)先選用口徑較小(DN15) 、量程為215m³/h的EMF。但在實(shí)際小循環(huán)灌漿中，有時(shí)又不得不面對巖溶地層大吃漿量的需求而把量程定為灌漿泵的泵量(6m³/h)，從而使量程大于1100，由于EMF不可改變的安裝位置而又必須選用DN40或DN50，最終小循環(huán)灌漿只好將錯就錯而制造出一個(gè)矛盾體。
6、大循環(huán)灌漿方式檢測流量的合理性
采用大循環(huán)灌漿方式時(shí)，由于進(jìn)漿量為進(jìn)漿管流量與返漿管流量之差，所以在灌漿泵泵送壓力的作用下，當注入漿量較小時(shí)(如在屏漿階段)漿桶中的水泥漿液以較大的流量流過(guò)進(jìn)漿管進(jìn)入灌漿孔中，除少量水泥漿液被壓力灌進(jìn)地層中外，大部分水泥漿液通過(guò)返漿管流回漿桶。因此，進(jìn)漿管和返漿管上的流量均處于EMF的精度較高的測量范圍之內，可以檢測小注入流量(如012L/min)，使灌漿能按規范要求的注入率(014L/min)結束灌漿，且在安裝位置上也符合智能鉆井泥漿流量計的要求。大循環(huán)灌漿方式在全國的許多大、中型水電工程中已取得了很好的使用效果。