高精度電磁流量測井儀的研制

劉承民，蘇中起，劉付光

(1.中國煤炭地質(zhì)總局一二九勘探隊，河北 邯鄲 056004;2.中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局，河北 邯鄲 056004; 3.中煤地質(zhì)工程總公司，北京 100040)

0 引言

流量測井是煤炭地質(zhì)勘探水文鉆孔必不可少的測井參數(shù)之一，目前使用的大多為渦輪流量測井儀。渦輪流量計的傳感器由裝在樞軸上的葉片組成，樞軸上裝有磁鍵或不透光鍵，軸承一般采用耐磨的工業(yè)藍(lán)寶石。渦輪的葉片具有一定傾角，當(dāng)流體流過葉片時會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)動力矩，使渦輪轉(zhuǎn)動。由于特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得渦輪流量計必須有一定的啟動流速才能使葉片轉(zhuǎn)動，故無法測量較小流量。而且渦輪流量計容易受到井內(nèi)雜物及井液砂粒的影響，導(dǎo)致測量誤差增大。

研制的WFWC-2型電磁流量測井儀使用高精度電磁流量計，無機(jī)械活動部件，具有啟動流速小、不卡砂、不受井內(nèi)雜物影響，還具有操作簡便、可靠性好、測量精度高等優(yōu)點。克服了渦輪流量測井儀的諸多環(huán)境因素影響，有效的解決了水文鉆孔進(jìn)行流量測井對流量、滲透系數(shù)和影響半徑等水文地質(zhì)參數(shù)的計算問題。

1 電磁流量計工作原理

電磁流量測井儀選用的電磁流量計，應(yīng)用了電磁感應(yīng)原理，通過流體的流速來計算其流量(圖1)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過流體介質(zhì)切割磁力線的作用，在兩電極間感應(yīng)出與速度成正比的電壓，由此定律可推導(dǎo)出流體的體積流量。

因為Ue=B·D·V

則V=Ue/(B·D)

那么，流體的瞬時體積流量:

Q=S·V=Ue·(ΠD/4B)

圖1 電磁流量計原理圖Figure 1 Illustrative diagram of electromagnetic flowmeter

式中：Ue—感應(yīng)電壓；B—磁場強(qiáng)度；D—兩電極間的距離；V—導(dǎo)電介質(zhì)的軸向流速；S—導(dǎo)管截面面積；Q—流體的體積流量。

由上式可知，只要測得感應(yīng)電壓就可以得到相應(yīng)的流速，并計算出流量。

由于電磁流量計無機(jī)械活動部件，井內(nèi)雜物及井液砂粒不影響流量的測量，所以電磁流量計具有其它流量計無可比擬的優(yōu)點。

2 儀器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

儀器主要由以下幾部分組成(圖2)：電路部分、壓力傳感器、溫度傳感器、三臂井徑、電磁流量傳感器、扶正器等組成。

電路部分包括電源和各路信號采集處理及傳輸；壓力、溫度測量分別選用了高精度壓阻式壓力傳感器和PN結(jié)溫度傳感器；井徑測量采用了三臂井徑的測量模式，既能測得井徑數(shù)據(jù)，又能起到扶正器的作用；選用的電磁流量傳感器具有耐高溫、高壓的特性，并在其上下設(shè)計有導(dǎo)流罩，使液體流過傳感器時，速度穩(wěn)定，減少外界干擾，使測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定；扶正器選用了柔性和韌性較好的彈簧片，以保證儀器在測量過程中上下自如，居中測量。

圖2 電磁流量測井儀總體結(jié)構(gòu)圖 Figure 2 Overall configuration of electromagnetic logging flowmeter

3 儀器電路設(shè)計

儀器電路原理框圖(圖3)主要由信號放大電路、數(shù)據(jù)采集、控制和編碼傳輸三大部分組成。來自地層中的溫度、壓力、流量、井徑的變化都進(jìn)入各自的信號放大處理電路中，轉(zhuǎn)變成0～5V的電壓信號，然后進(jìn)入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道，單片機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的時序依次轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過一定的計算刻度，在精確的時序控制下進(jìn)行編碼，再由單片機(jī)的I/O口輸出，經(jīng)驅(qū)動電路傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備中。

圖3 電磁流量測井儀電路原理框圖Figure 3 Circuit principle block diagram of electromagnetic logging flowmeter

電路的核心設(shè)計采用了16位智能單片機(jī)(MSP430F157)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和編碼傳輸，片內(nèi)包含大量外圍模塊，具有強(qiáng)大的硬件資源和DMA(直接內(nèi)存訪問)功能，從而無需任何硬件電路，也無需CPU的干預(yù)，即可在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)了提供勵磁電流的正弦波的產(chǎn)生、多路信號的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、主從通訊、編碼傳輸?shù)裙δ堋?/p>

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

儀器利用了單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生勵磁電流所需的正弦波，對各路模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行一定的計算，再利用定時器產(chǎn)生精確時序把數(shù)據(jù)發(fā)送到驅(qū)動電路。定時器每128μs產(chǎn)生中斷，數(shù)據(jù)的編碼主要在中斷程序進(jìn)行，為了時序的精確，先輸出編碼，然后利用空閑時間來進(jìn)行編碼，程序流程圖見圖4。

圖4 電磁流量測井儀程序流程圖Figure 4 Program flow chart of electromagnetic logging flowmeter

圖5 流量刻度圖版Figure 5 Flow calibration plates

5 儀器室內(nèi)刻度

通過流量模擬實驗裝置，對電磁流量測井儀器進(jìn)行刻度標(biāo)定。首先將抽水泵、標(biāo)準(zhǔn)流量計、標(biāo)定流量管連接好，把電磁流量測井儀放入標(biāo)定流量管中，通過測試線接到KH-3數(shù)控測井儀，系統(tǒng)上電后，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)流量，觀察記錄電磁流量測井儀的數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)果表明，研制的高精度電磁流量測井儀，對流量響應(yīng)的線性較好(圖5)，線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999，儀器測量范圍寬1～500m3/d。

通過不同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)井徑與儀器讀數(shù)進(jìn)行刻度，其視流量值與儀器讀數(shù)呈線性相關(guān)(圖6)。

圖6 井徑-視流量刻度曲線Figure 6 Well diameter-apparent flow calibration curves

6 施工現(xiàn)場實例

施工鉆孔為自溢水，靜止水位高出地面41.20m，不具備做靜態(tài)流量的條件。三次降深為：人工抽水兩個降深和孔口自溢作為一次降深，分別進(jìn)行動態(tài)流量測井。

人工抽水S1=62.87mQ1=13.20m3/h

S2=52.43mQ2=11.96m3/h

孔口自溢S3=41.20mQ3=10.12m3/h

現(xiàn)場測井結(jié)束后，對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析研究。首先，將動態(tài)流速實測曲線轉(zhuǎn)換為Q=f(h)流量曲線。由于連續(xù)電磁流量計測量的是井筒中心處流體的流量，因此，求得流體視流量后，要利用井徑-流量刻度剖面校正系數(shù)將其校正為平均流量，然后采用遞減法計算各層的流量，即以該層上、下測量流量之差作為該含水層水的涌出量或吸入量。從測井成果資料看(圖7)，達(dá)到了項目預(yù)期目的。

圖7 電磁流量測井成果圖Figure 7 Results from electromagnetic flowmeter logging

計算出各含水層流量后，利用單孔承壓水完整孔穩(wěn)定流抽水試驗-裘布依公式，就可以分層計算含水層滲透系數(shù)K值和影響半徑R(應(yīng)用補(bǔ)給半徑)。

7 結(jié)論

(1)WFWC-2型電磁流量測井儀，使用了高精度、無機(jī)械部件的電磁流量計，從根本上解決了渦輪流量測井的啟動流速大、易受井眼環(huán)境影響的問題，測量精度大大提高。

(2)在儀器外徑小的情況下，實現(xiàn)儀器硬件、軟件的優(yōu)化設(shè)計，提高了煤炭地質(zhì)勘探水文鉆孔的精確流量測井。

(3)通過現(xiàn)場應(yīng)用，儀器性能穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目的。

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[3]孫少平，常東，梁芳，等.電子陀螺磁測井系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國煤炭地質(zhì)，2011，23(10).

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