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固井泥漿流量計的開發(fā)與應(yīng)用
發(fā)布時間:2019-06-17

摘要:在分析勵磁信號對計量精度影響的基礎(chǔ)上,針對固井作業(yè)高密度、大排量泥漿管流場的特點和施工現(xiàn)場的干擾特征,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(xiàn)場結(jié)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,通過高壓壓入泥漿并控制施工流量,實現(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程中的重要參數(shù),對其進行連續(xù)實時正確的計量,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儀器和方法都存在不少問題,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)實時計量;超聲流量計與物性及成份關(guān)系極大,在固井現(xiàn)場難于推廣使用;也有報道使用電磁流量計來計量固井泥漿,但耐壓(≤5MPa)和泥漿密度(≤1.8g/cm3)有一定的限制,不能用于準(zhǔn)確計量現(xiàn)場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現(xiàn)場計量固井泥漿的流量,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。隨著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行現(xiàn)場實時準(zhǔn)確計量。
  從常規(guī)電磁流量計原理著手,在分析勵磁信號對計量精度影響的基礎(chǔ)上,針對固井施工現(xiàn)場的高密度、大流量泥漿管流場的特點,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。
1測量原理
  根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)一導(dǎo)體在磁場中運動而切割磁力線時,在導(dǎo)體兩端便會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在均勻磁場中,設(shè)垂直于磁場方向有一個直徑為D的無磁管道,內(nèi)表面澆注絕緣襯里,外表面繞有線圈,在與計量管軸線和磁場磁力線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(dǎo)電介質(zhì),當(dāng)測量管道中的泥漿流動時,泥漿切割線圈中勵磁電流產(chǎn)生的磁場,便會產(chǎn)生和泥漿的平均流速v成正比感應(yīng)電動勢E。

式中:K為儀表常數(shù),當(dāng)保持磁感應(yīng)強度B恒定時,測量感應(yīng)電動勢便可得管道的體積流量Q,且具有線性關(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,即B為常數(shù)時,體積流量Q與感應(yīng)電動勢E的線性關(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,結(jié)構(gòu)雖簡單,但電極易發(fā)生極化,難以保證B為常數(shù),使其應(yīng)用范圍受限。工頻正弦勵磁通過勵磁線圈產(chǎn)生交變磁場,但易產(chǎn)生正交干擾和同相干擾等,引起零點漂移。低頻方波勵磁用低頻方波經(jīng)功率放大后勵磁線圈產(chǎn)生磁場,在半個周期內(nèi),磁場是恒穩(wěn)的直流磁場,受電磁干擾影響很小,同時消除由分布電容引起的工頻干擾;同時從整個時間過程來說,方波信號是一個交變的信號,克服了直流勵磁易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。目前這種勵磁方式在電磁流量計上廣泛應(yīng)用。
  常規(guī)電磁流量計所應(yīng)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1.8cm3以上,流速高達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的測量誤差,但測量管內(nèi)會產(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(nèi),所用的泥漿密度為2.0g/cm3,流速在10~15m/s范圍內(nèi),測量管內(nèi)的流動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,泥漿干擾的數(shù)量級較大,高頻時干擾數(shù)量級較小,具有1/?的頻譜特性。另外,施工現(xiàn)場敲擊和震動所帶來的低頻噪聲,也會影響電磁流量計的計量精度。提高勵磁電流頻率可以規(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,但會犧牲電磁流量計的零點穩(wěn)定性。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噪聲,同時又能保證零點的穩(wěn)定性,提高流量計的計量穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。
泥漿流量計泥漿流噪聲電動勢波形和頻譜特性圖示
泥漿流量計雙頻矩形波勵磁波形示意圖
3硬件系統(tǒng)
  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(diào)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。重點介紹關(guān)鍵模塊勵磁電路和信號調(diào)理電路。

3.1勵磁電路
  勵磁電路決定儀表的工作磁場,是儀表極其關(guān)鍵的部分。中的勵磁電路由兩部分組成,如圖4所示。由單片機MSP430F2418的定時器產(chǎn)生雙頻矩形波,經(jīng)光耦隔離后通過兩片場效應(yīng)管組成的開關(guān)電路實現(xiàn)通斷功能。DH902為恒流管,提供恒定的勵磁電流,由MCU定時器脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出經(jīng)過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(diào)理電路
  電極輸出的感應(yīng)電動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(tǒng)
  系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)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。控制模塊為本儀表的主程序,用于產(chǎn)生雙頻矩形勵磁波、控制流量信號的采集和處理、以菜單模式通過鍵盤操作和液晶顯示使儀表進入?yún)?shù)設(shè)定狀態(tài)或工況顯示狀態(tài)。測量模塊采集來自信號調(diào)理模塊的流量信號,計算瞬時流量、累計流量和流速,并進行相應(yīng)的儀表系數(shù)補償,由液晶屏顯示和接口輸出?展軝z測模塊用于設(shè)定使用實際環(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(shù)據(jù)自動生成固井施工所需的各種報表和圖標(biāo)。
5試驗結(jié)果及分析
  現(xiàn)場試驗所用測量管的內(nèi)徑為DN50,通過高壓由壬接入泥漿管線,并串接渦輪流量計進行比較,采用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計施工現(xiàn)場一次性替漿量為18cm3~160cm3,替漿瞬時流量為0.2cm3/min-2.8cm3/min(流速:1.6-23.8m/s);通過近15口井的施工應(yīng)用,結(jié)果如表1所示。試驗表明儀表計量誤差小于l%;在流速2.0m/s以下,隨著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,主要是由零點漂移引起的,這點與實驗室用清水標(biāo)定結(jié)果基本吻合。使用DN50的測量管,實驗室標(biāo)定結(jié)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(guī)避和抑止固井泥漿的流動噪聲和現(xiàn)場震動等所帶來的低頻噪聲,從而顯著提高儀表計量泥漿的精度。


6結(jié)束語
  采用雙頻矩形波作為勵磁信號,根據(jù)固井施工的特點和現(xiàn)場干擾的分析,選取適當(dāng)?shù)膭畲烹娏黝l率提高儀表在工作過程中的抗干擾能力,顯著提高了固井泥漿的計量精度。由于測量管為無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(yǎng)要求很低,具有較好的推廣應(yīng)用價值。今后,將進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。

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