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量精度影響的基礎上，針對固井作業(yè)高密度、大排量泥漿管流場(chǎng)的特點(diǎn)和施工現場(chǎng)的干擾特征，提出了一種新的勵磁信號形式，提高泥漿的計量精度，并給出現場(chǎng)驗證結果。

固井的目的就是使用水泥建立層間封隔，首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)現有效驅替，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，對其進(jìn)行連續實(shí)時(shí)精確的計量，是確保固井質(zhì)量、提高施工技術(shù)水平和效率、實(shí)現科學(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)量流量計雖然計量精度很高，但由于對外界振動(dòng)相當敏感，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)計量；超聲流量計與物性及成份關(guān)系極大，在固井現場(chǎng)難于推廣使用；也有報道使用電磁流量計來(lái)計量固井泥漿，但耐壓（≤5MPa）和泥漿密度（≤1.8g/cm³）有一定的限制，不能用于準確計量現場(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來(lái)現場(chǎng)計量固井泥漿的流量，其流量精度（3％）雖能滿(mǎn)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，且沖洗和軸承保養要求較高，壽命不長(cháng)。隨著(zhù)我國大深度鉆井作業(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進(jìn)行現場(chǎng)實(shí)時(shí)準確計量。

本文從常規電磁流量計原理著(zhù)手，在分析勵磁信號對計量精度影響的基礎上，針對固井施工現場(chǎng)的高密度、大流量泥漿管流場(chǎng)的特點(diǎn)，提出了一種新的勵磁信號形式，以提高固井泥漿的計量精度，最后給出現場(chǎng)驗證結果。

1、測量原理

根據法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場(chǎng)中運動(dòng)而切割磁力線(xiàn)時(shí)，在導體兩端便會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。在均勻磁場(chǎng)中，設垂直于磁場(chǎng)方向有一個(gè)直徑為D的無(wú)磁管道，內表面澆注絕緣襯里，外表面繞有線(xiàn)圈，在與計量管軸線(xiàn)和磁場(chǎng)磁力線(xiàn)相互垂直的管壁上安裝一對檢測電極。用于固井的泥漿是一種導電介質(zhì)，當測量管道中的泥漿流動(dòng)時(shí)，泥漿切割線(xiàn)圈中勵磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，便會(huì )產(chǎn)生和泥漿的平均流速v成正比感應電動(dòng)勢E。

E=BDv   （1）

式中B為磁感應強度。

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，當保持磁感應強度B恒定時(shí)，測量感應電動(dòng)勢E便可得管道的體積流量Q，且具有線(xiàn)性關(guān)系。

2、勵磁方式

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

勵磁技術(shù)是電磁流量計中最關(guān)鍵的技術(shù)，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。直流勵磁用直流電或永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，結構雖簡(jiǎn)單，但電極易發(fā)生極化，難以保證B為常數，使其應用范圍受限。工頻正弦勵磁通過(guò)勵磁線(xiàn)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。低頻方波勵磁用低頻方波經(jīng)功率放大后激勵線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，在半個(gè)周期內，磁場(chǎng)是恒穩的直流磁場(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)，方波信號是一個(gè)交變的信號，克服了直流勵磁易產(chǎn)生的極化現象。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低頻方波勵磁方式的勵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25m/s，所用的泥漿又是固液兩相低導率流體，雖然高壓下能消除非牛頓流體所帶來(lái)的測量誤差，但測量管內會(huì )產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機干擾噪聲。經(jīng)測定，在DN50測量管內，所用的泥漿密度為2.0g/cm³，流速在10～15m/s范圍內，測量管內的流動(dòng)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(shí)，泥漿干擾的數量級較大，高頻時(shí)干擾數量級較小，具有1/f的頻譜特性。另外，施工現場(chǎng)敲擊和震動(dòng)所帶來(lái)的低頻噪聲，也會(huì )影響電磁流量計的計量精度。提高勵磁電流頻率可以規避和抑止這些干擾，以提高電磁流量傳感器輸出的信噪比，但會(huì )犧牲電磁流量計的零點(diǎn)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。如圖2所示，高頻部分是80Hz的矩形波，外包絡(luò )線(xiàn)是10Hz的低頻矩形波。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(shí)又能保證零點(diǎn)的穩定性，提高流量計的計量穩定性和響應速度。

3、硬件系統

用于固井泥漿的電磁流量計的硬件部分主要由傳感器、電源電路、勵磁電路、信號調理電路、信號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)鍵模塊勵磁電路和信號調理電路。

3.1勵磁電路

勵磁電路決定儀表的工作磁場(chǎng)，是儀表極其關(guān)鍵的部分。本文中的勵磁電路由兩部分組成，如圖4所示。由單片機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)效應管組成的開(kāi)關(guān)電路實(shí)現通斷功能。DH902為恒流管，提供恒定的勵磁電流，由MCU定時(shí)器脈沖寬度調制（PWM）輸出經(jīng)過(guò)濾波后控制勵磁電流的幅值，從而產(chǎn)生雙頻矩形波。

3.2信號調理電路

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

4、軟件系統

系統軟件采用模塊化設計方法，由控制模塊、測量模塊、空管檢測模塊和解析軟件組成?？刂颇K為本儀表的主程序，用于產(chǎn)生雙頻矩形勵磁波、控制流量信號的采集和處理、以菜單模式通過(guò)鍵盤(pán)操作和液晶顯示使儀表進(jìn)入參數設定狀態(tài)或工況顯示狀態(tài)。測量模塊采集來(lái)自信號調理模塊的流量信號，計算瞬時(shí)流量、累計流量和流速，并進(jìn)行相應的儀表系數補償，由液晶屏顯示和接口輸出?？展軝z測模塊用于設定使用實(shí)際環(huán)境的地磁幅值，檢測測量管是否處于空管狀態(tài)。解析軟件用于將計量數據自動(dòng)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(chǎng)試驗所用測量管的內徑為DN50，通過(guò)高壓由壬接入泥漿管線(xiàn)，并串接渦輪流量計進(jìn)行比較，采用標準計量罐測試。計量鉆井泥漿密度范圍為1.15g/cm³～2.50g/cm³，固井設計施工現場(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口井的施工應用，結果如表1所示。試驗表明儀表計量誤差小于1%；在流速2.0m/s以下，隨著(zhù)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(jīng)分析，主要是由零點(diǎn)漂移引起的，這點(diǎn)與實(shí)驗室用清水標定結果基本吻合。使用DN50的測量管，實(shí)驗室標定結果如表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流動(dòng)噪聲和現場(chǎng)震動(dòng)等所帶來(lái)的低頻噪聲，從而顯著(zhù)提高儀表計量泥漿的精度。

6、結束語(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(chǎng)干擾的分析，選取適當的勵磁電流頻率提高儀表在工作過(guò)程中的抗干擾能力，顯著(zhù)提高了固井泥漿的計量精度。由于測量管為無(wú)阻流檢測件的光滑管道，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，且沖洗和保養要求很低，具有較好的推廣應用價(jià)值。今后，將進(jìn)一步研究勵磁信號的形式和勵磁電流頻率的選取，提高儀表在低流速階段的測量精度。