适当的励磁电流频率提高固井泥浆的计量精度

摘要：在分析励磁信号对计量精度影响的基础上，针对固井作业高密度、大排量泥浆管流场的特点和施工现场的干扰特征，提出了一种新的励磁信号形式，提高泥浆的计量精度，并给出现场验证结果。

固井的目的就是使用水泥建立层间封隔，*先它必须能够有效地从井眼中清除钻井液。在确保井下安全的前提下，通过高压压入泥浆并控制施工流量，实现有效驱替，提高所注水泥的顶替效率是避免钻井液窜槽，保证水泥胶结质量和环密封效果的基本前提。泥浆的流量是固井施工过程中的重要参数，对其进行连续实时精确的计量，是确保固井质量、提高施工技术水平和效率、实现科学管理的必要手段。

由于固井泥浆物性及成份范围很大，目前所采用的几种检测仪器和方法都存在不少问题，例如：科里奥利质量流量计虽然计量精度很高，但由于对外界振动相当敏感，需要固定安装，且耐压性很差，不能用于高压作业实时计量；超声流量计与物性及成份关系*大，在固井现场难于推广使用；也有报道使用电磁流量计来计量固井泥浆，但耐压（≤5MPa）和泥浆密度（≤1.8g/cm³）有一定的限制，不能用于准确计量现场不同的物性及成份的泥浆流量。目前各油田大多采用涡轮流量计来现场计量固井泥浆的流量，其流量精度（3％）虽能满足要求，但涡轮常被泥浆中的杂物卡堵（尤其用于高密度泥浆），影响施工，且冲洗和轴承保养要求较高，寿命不长。随着我国大深度钻井作业日益增多，高密度、大排量泥浆在固井施工中使用日趋频繁，需要一种新型的泥浆流量计进行现场实时准确计量。

本文从常规电磁流量计原理着手，在分析励磁信号对计量精度影响的基础上，针对固井施工现场的高密度、大流量泥浆管流场的特点，提出了一种新的励磁信号形式，以提高固井泥浆的计量精度，*后给出现场验证结果。

1、测量原理

根据法拉*电磁感应定律，当一导体在磁场中运动而切割磁力线时，在导体两端便会产生感应电动势。在均匀磁场中，设垂直于磁场方向有一个直径为D的无磁管道，内表面浇注绝缘衬里，外表面绕有线圈，在与计量管轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装一对检测电*。用于固井的泥浆是一种导电介质，当测量管道中的泥浆流动时，泥浆切割线圈中励磁电流产生的磁场，便会产生和泥浆的平均流速v成正比感应电动势E。

E=BDv   （1）

式中B为磁感应强度。

由此可得管道的体积流量为：

由式（1）、式（2）可得：

式中：K为仪表常数，当保持磁感应强度B恒定时，测量感应电动势E便可得管道的体积流量Q，且具有线性关系。

2、励磁方式

从测量原理可知，只有测量管道维持均匀、恒定的磁场，即B为常数时，体积流量Q与感应电动势E的线性关系才成立，所以需要选择合适的励磁方式。

励磁技术是电磁流量计中*关键的技术，目前一般采用直流励磁、工频正弦励磁和低频方波励磁三种方式。直流励磁用直流电或永久磁铁产生磁场，结构虽简单，但电*易发生*化，难以保证B为常数，使其应用范围受限。工频正弦励磁通过励磁线圈产生交变磁场，但易产生正交干扰和同相干扰等，引起零点漂移。低频方波励磁用低频方波经功率放大后激励线圈产生磁场，在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，受电磁干扰影响很小，同时消除由分布电容引起的工频干扰；同时从整个时间过程来说，方波信号是一个交变的信号，克服了直流励磁易产生的*化现象。目前这种励磁方式在电磁流量计上广泛应用。

常规电磁流量计所应用的低频方波励磁方式的励磁电流频率通常为工频的1/4～1/10。目前深井（6000m以上）的固井施工中所使用泥浆的密度大多在1.8g/cm³以上，流速高达25m/s，所用的泥浆又是固液两相低导率流体，虽然高压下能消除非牛顿流体所带来的测量误差，但测量管内会产生随流量增加而频率增加的随机干扰噪声。经测定，在DN50测量管内，所用的泥浆密度为2.0g/cm³，流速在10～15m/s范围内，测量管内的流动噪声主要为尖峰状的泥浆流噪声，量级在mv级，频率集中在25Hz以下，如图1所示。在励磁频率较低时，泥浆干扰的数量级较大，高频时干扰数量级较小，具有1/f的频谱特性。另外，施工现场敲击和震动所带来的低频噪声，也会影响电磁流量计的计量精度。提高励磁电流频率可以规避和抑止这些干扰，以提高电磁流量传感器输出的信噪比，但会牺牲电磁流量计的零点稳定性。本文提出新的一种励磁方式，采用双频矩形波作为励磁信号。其励磁电流波形是在低频矩形波上叠加高频矩形波，用两种采样频率分别得到高频和低频两种流量信号。如图2所示，高频部分是80Hz的矩形波，外包络线是10Hz的低频矩形波。这样，能克服单一低频矩形波励磁存在的泥浆流动噪声，同时又能保证零点的稳定性，提高流量计的计量稳定性和响应速度。

3、硬件系统

用于固井泥浆的电磁流量计的硬件部分主要由传感器、电源电路、励磁电路、信号调理电路、信号采集处理电路及接口电路等模块组成，如图3所示。本文重点介绍关键模块励磁电路和信号调理电路。

3.1励磁电路

励磁电路决定仪表的工作磁场，是仪表*其关键的部分。本文中的励磁电路由两部分组成，如图4所示。由单片机MSP430F2418的定时器产生双频矩形波，经光耦隔离后通过两片场效应管组成的开关电路实现通断功能。DH902为恒流管，提供恒定的励磁电流，由MCU定时器脉冲宽度调制（PWM）输出经过滤波后控制励磁电流的幅值，从而产生双频矩形波。

3.2信号调理电路

电*输出的感应电动势信号为微伏至毫伏级交变信号，经滤波后虑除部分高频信号，然后送高阻抗放大器进行放大，经两级带通滤波器分别取出高频、低频信号，隔直后保留交流分量送MCU的ADC引脚。

4、软件系统

系统软件采用模块化设计方法，由控制模块、测量模块、空管检测模块和解析软件组成。控制模块为本仪表的主程序，用于产生双频矩形励磁波、控制流量信号的采集和处理、以菜单模式通过键盘操作和液晶显示使仪表进入参数设定状态或工况显示状态。测量模块采集来自信号调理模块的流量信号，计算瞬时流量、累计流量和流速，并进行相应的仪表系数补偿，由液晶屏显示和接口输出。空管检测模块用于设定使用实际环境的地磁幅值，检测测量管是否处于空管状态。解析软件用于将计量数据自动生成固井施工所需的各种报表和图标。

5、试验结果及分析

现场试验所用测量管的内径为DN50，通过高压由壬接入泥浆管线，并串接涡轮流量计进行比较，采用标准计量罐测试。计量钻井泥浆密度范围为1.15g/cm³～2.50g/cm³，固井设计施工现场一次性替浆量为18m³～160m³，替浆瞬时流量为0.2m³/min～2.8m³/min（流速：1.6～23.8m/s）；通过近15口井的施工应用，结果如表1所示。试验表明仪表计量误差小于1%；在流速2.0m/s以下，随着流量的减少测试误差逐渐提高，在流速1.0m/s左右计量精度降到3%左右。经分析，主要是由零点漂移引起的，这点与实验室用清水标定结果基本吻合。使用DN50的测量管，实验室标定结果如表2所示。试验证明，采用双频矩形波作为励磁信号，可有效地规避和抑止固井泥浆的流动噪声和现场震动等所带来的低频噪声，从而显著提高仪表计量泥浆的精度。

6、结束语

本文采用双频矩形波作为励磁信号，根据固井施工的特点和现场干扰的分析，选取适当的励磁电流频率提高仪表在工作过程中的抗干扰能力，显著提高了固井泥浆的计量精度。由于测量管为无阻流检测件的光滑管道，不可能被泥浆中的杂物卡堵（尤其用于高密度泥浆）而影响施工，且冲洗和保养要求很低，具有较好的推广应用价值。今后，将进一步研究励磁信号的形式和励磁电流频率的选取，提高仪表在低流速阶段的测量精度。