钻井工程的环状流测量电磁流量计基于双频励磁

文摘

利用井下环形电磁流量测量实时获得环状流是一个微流控制钻井技术的基础。现有的基于低频矩形环状流电磁测量方法激励影响泥浆干扰和地层流体入侵,导致电极上生成输出信号噪声大。这些噪音会导致流量测量系统输出的不稳定性和准确性较低。双频矩形波励磁具有优秀的零点稳定归因于低频矩形波励磁和快响应速度以极大的抑制泥浆干扰的能力。首先,双频矩形波励磁环状流电磁测量研究,及其相应的电磁感应信号过程调查。为了验证井下环形电磁流量测量的可行性,流验证平台的比较标准和检测参数建立了仿真实验,和抑制泥浆干扰的能力和响应速度的技术在井下泥浆流量测量进行了分析。试验结果表明,井下环形电磁流量测量基于双频矩形波励磁不仅可以满足常规电磁流量测量的要求,还有效地压制环形泥浆干扰。

1。介绍

与石油和天然气勘探领域的扩张,钻探深海环境的安全问题,复杂的地层,浅层气层和成熟油田由于地层高压注水越来越严重。爆裂是由于无法控制的地层流体由于其较高的喷射压力比井下空间。爆裂的前兆,溢出是地层流体入侵时井下空间底部压力不平衡地层压力。如果没有及时发现,钻井液污染和工具将造成侵蚀,和防,尤其是,将导致严重的事故和伤害。井下微流控制钻井技术可以有效地处理溢出和防在窄安全密度窗口钻井,并利用井下环流量测量得到环状流实时信息的核心是实现井下微流控制钻井(1]。

针对特殊的井下环境在石油和天然气钻井、井下测量系统的空间大小的限制,以及井下压力的影响,温度、含油气多相流体泡沫和固体颗粒+井下流体域的变化测量,仪器测量精度和响应特性,需要综合考虑。在文献中,研究者提出了不同的方法和解决方案,如声学(2- - - - - -4),压差(5,6),和电磁学7,8井下环形流随钻测量)。这些方法取得了一些成功,但有一些问题。例如,许多理论和实际问题的非牛顿流体测量包含许多固体颗粒仍未解决的声学方法;节流组件阻碍流动的媒体被用于测量压差的方法,导致的损失的一部分在节流压力以及拥堵点,并带来严重隐患,降低环状流的准确;电磁方法很容易受到泥浆干扰和地层流体侵入的影响,噪声大电极上生成输出信号,从而导致环形电磁流量测量系统的不稳定。电磁法的问题在井下环形过程进行了研究。

现有的电磁流量计主要措施普通导电液体的流基于低频矩形波励磁。虽然低频矩形波励磁具有良好的零点稳定,这种技术的特点是很多局限性,如大跳跃而测量泥浆液体,结果在极不稳定的电磁流量传感器的输出,降低精度。同时,当流量变化迅速,低频矩形波励磁不是合适的因为它的响应速度比较慢。然而,改善电磁流量计的励磁频率,虽然可行的解决问题的反应速度和噪音抑制了泥浆,零点稳定影响极大,因此会导致较低的精度。随着应用领域的不断扩大,电磁流量计和激发技术的发展,先进的励磁技术由双频矩形波励磁出现(9]。基于这种技术的理论,井下环形流量测量技术与双频波励磁不仅具有良好的低频矩形波励磁的零点稳定但也有快速的响应速度和伟大的能力抑制水泥浆的高频干扰。

Kumemori Kenichi首次开发理论在1988年双频矩形波励磁。他提出双频矩形波激励的基本流程图,提出零点稳定的优势,快速响应,泥浆噪声抑制,小极化干扰,测量精度高,等等,但没有把具体细节(9- - - - - -12]。一郎和田了双频时分激发电磁流量测量系统在1992年。低频方波励磁和高频的轮流工作,流的高和低频率的信号进行解调,分别。然后,低频和高频的权重结果选择根据信号波动率,和之前的重量增加了输出(13]。许等人提出了一个基于交换的双频励磁控制方法的高和低电压在2012年掌权。该方法解决了低励磁频率的不稳定的问题,长泥浆测量延迟,大波动(14]。刘和龚调查2013年时间多路复用双频矩形激励。激励是通过多路复用的矩形波和低频高频双重价值,和硬件流程被用来实现流信号处理(15]。赵设计了测量系统的石油和天然气double-phased流量基于双频矩形波励磁控制(16]。

在钻井过程中,环状流的测量非常重要。大量的泥浆噪音测量信号中包含由于流体在环空泥浆,和零稳定性很差。这些缺点导致测量的困难。在这项工作中,我们提出了一个环形电磁流量测量技术对钻井工程的电磁流量计基于双频励磁。这种技术不仅可以满足常规电磁流量测量的要求也有效地抑制环状泥浆干扰,满足快速溢出检测的需要。值得强调的是,没有文献报道使用电磁流系统基于双频励磁来测量流量的环形钻井液对我们的知识。

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了双频矩形波励磁环状流电磁测量和其相应的电磁感应信号的过程。部分3描述了环形电磁流系统的实现基于双频励磁和包含实证分析的结果。部分4总结道。

2。环形电磁流量计理论基于双频励磁

2.1。井下环形流电磁测量原理模型

1970年,根据Shercliff [17],Bevir提出了一个三维的权向量的计算方法,使电磁流量计迅速发展。电磁流量计也从麦克斯韦方程。根据麦克斯韦方程,

宪法动态导电介质满足之间的关系

简化问题,提出流体磁导率均匀,等于在真空空间(非磁性液体);流体电导率是统一和满足欧姆定律方程: ,在哪里是流体电导率;电位移可以被忽视。忽略了时变磁场产生的感应电场( ),其他影响霍尔效应和热电效应被排除在外。

基本方程的微分形式可以进行从麦克斯韦方程:

假设和表示液体流动时产生的电势。和分别是,虚拟单元所产生的电势和电流密度矢量电流通过电极时,液体是静态的。然后,假设A和B是良好的导体制成的电极,是空间体积。和都是零管外壳除了电极。下面的方程(4)可获得根据绿色第二理论通过以上条件(17,18),环形电磁流量计是一种传统的特殊情况,仍满足以下公式: 在哪里 。在这里,是潜在的两个电极之间,权函数向量,环状流的速度,磁通矢量。假设流体是静态的电流密度矢量单位从正到负电流,是体积环形的集成。

在传统的电磁测量系统[19),线圈励磁系统安装在环形测量管、电极两边的管道。这样的安装可以满足传统的圆形管道内的流量测量的必要性,而激励和信号提取都是相对容易。然而,两个条件需要实现电磁探测,这类似于井下环形通道流。一个是磁场产生环形通道,另一种是电极安装环状地实现信号提取。

为了满足上述两个条件,一个环形通道流电磁检测模型,提出了如图1。在这个模型中,两个线圈励磁结构M和N是为了在某些方向产生磁场。A和B的一对电极安装在环形通道向外。蓝色是磁场的区域。削减流流经磁场,磁线而产生电动势电极之间的电磁感应信号可以提取。

一般来说,没有电力和磁源在环状流电磁测量系统,所以电势G和磁势F在流动区域内满足拉普拉斯方程: 和虚拟电流密度和磁通矢量可以进一步用吗

在真实的应用程序中,环形流速测量。因此,井下环形流电磁测量系统研究的主要目的是获取虚拟电流密度和磁通矢量 。

算出和 , 是由物理结构决定的大小和线圈的励磁电流信息的电磁测量井下环形流。讨论研究了(8]。只有井下环形流的电磁测量系统,基本上已经形成的结构和尺寸,进行了分析。

根据图1,假设井筒墙的导电率远远大于钻井液。因此,井筒墙可以被视为理想的接地导体,和边界条件 可以获得。自点电极可以表示为 ,方程(7)可以得到: 在哪里 和 A和B是电极的角位置。

应用分离变量解微分方程(7)。所以它可以获得

根据边界条件 ,我们有

因此,

假设角位置满足 在哪里是偏离轴 。顺时针方向偏差定义为负,逆时针方向为正。

根据边界条件 ,

同样,根据边界条件 ,

两个方程的线性叠加构成解决方案,满足边界条件;因此,

通过简化(14),方程(15)得到:

假设和满足

通过简化(15),我们有虚拟电流向量

当 和 ,一个虚拟的当前潜在的如图2(一个)根据方程(画17)。图2 (b)包括一个虚拟当前潜在的轮廓和虚拟电流矢量简化图,画基于方程(17)和(18)。

虚拟电流密度矢量 在哪里

取 , ,和 ,根据方程(19),目前虚拟组件画轮廓,如图3(一个)。与此同时,基于方程(20.),目前虚拟组件描绘在图3 (b)。如图3,虚拟信号检测电极周围的当前值相对较大,在边界有很大区别,这是对称分布。

2.2。双频矩形激励

井下环形流量测量的激励信号是至关重要的,这直接决定了系统输出信号的稳定性和可靠性。产生的励磁信号通常是在流电磁流量测量系统的信号。因此,励磁电路的性能直接关系到系统的零点稳定性和抗干扰能力。井下环形流电磁测量低频矩形波励磁零点稳定但不稳定的电磁流量传感器输出受到泥浆干扰的影响。特别是当流体侵入井下形成迅速,测量系统的反应相对较慢,不能满足快速流动变化的测量。因此,双频励磁原理应用于实现环状流电磁测量系统。

双频矩形的分析控制过程如下:如图4、单相方波信号产生的6.25赫兹和75赫兹EPWM2A和EPWM3A端口的增强的PWM输出模型。然后,这些信号被发送到信道控制multicircuited模拟交换机的端口A和B,为了控制通道选择。最后,运算放大器的输入值交换中积极、零,和消极的,实现双频波励磁线圈的控制。

2.3。下的电极输出信号解调双频矩形波励磁

2.3.1。振幅解调原理

为了研究电极输出信号的技术井下环形电极流体流动过程中,电极输出信号可以简化流信号的叠加,微分干涉信号,和工作频率干扰信号。如图5通过高频采样时间序列的第二部分电极输出信号高频激励下收集半周期流计算的依据。受到干扰信号的影响,后者的一部分电极中的数据输出信号半周期是相对稳定的,可以反映环形空间中的信息流动。假设获得的数据段的高频期积极的激励和 ,负激励和类似的。假设点是收集在每个高频半周期,如图所示

在双频矩形波励磁研究本文低频励磁频率是6.25赫兹,振幅和相位的工作强加干涉 , , ,和几乎是一致的,在哪里 。通过两两比较和 , ,和 ,与其他干扰不考虑,工作可以消除干扰,和低频直流漂移抑制。所示的具体原则方法 在哪里 , , ,和数据在后者稳定段每半周期的电极输出信号在高频励磁的积极的和消极的。的振幅解调结果电极输出流信号在双频矩形激励。

2.3.2。环状流解调算法

高频采样、半周期为6.66毫秒,用于75 Hz方波信号。由于微分干扰,稳定电极输出信号很小的一部分,只有数量有限的点抽样是可行的。通过实际测试,时间稳定电极输出信号的一部分,大约是1.2毫秒。采样频率设置为27 kHz,即每半周期32所采集的数据点作为有效数据,记录(1:32)。

减少环境中的其他噪音的影响,一个16级移动平均滤波算法执行32个数据点首先,写成 ,所示

同样,下半年期间处理结果 ,13个^th时间一个是 ,和14^th周期是 。根据振幅解调的原理,值所示

冒泡排序是进行解调结果 通过使用移动平均滤波。冒泡排序的结果记录 。8数据中间的结果被平均振幅在第一段电极输出信号在当前高频激励。具体结果所示

一个完整的低频6.25赫兹期包含12 75赫兹的高频期。振幅解调算法,6组振幅解调结果可以得到一个完整的双频励磁,写成 。

同样,数据在12完成双频矩形激励时期和72年获得振幅解调数据收集和处理。然后,36分移动平均滤波进行了72年的数据,这是后来由冒泡排序处理。最后,18个数据作为振幅解调而平均的结果,而这解调结果是担任环状流计算的依据。

3所示。系统设计和实验工作

3.1。实验室环状流电磁测量系统

基于先前的研究[20.- - - - - -27),框图的环状流电磁测量系统使用双频励磁设计,如图6。系统硬件包括电磁流量传感器和电磁传感器转换器。电磁流量传感器是由测量管、励磁线圈、信号电极。为了实现数字信号处理,双频矩形激励测量系统的硬件系统设计与数字处理器的核心。硬件系统模块主要包括励磁驱动模型、信号预处理模型、信号调制模型,人机界面模型、通信模型和电源管理模型。

3.2。实验设置

为了验证井下环形电磁流量测量原理的可行性原型基于双频矩形波励磁,流验证平台比较标准的电动势和电磁环形流量计测量系统与双频励磁原型参数,如图7,建立了模拟实验。在实验中,实验平台的工作流如下。地面环形流电磁测量系统的原理样机是连接到测量环形管道和一个日本横河ADMAG AXW电磁流量计的精度水平0.5作为标准计。然后,阀门打开,传感器开始,传感器的工作频率设置,机器开始以一定速度传感器的控制之下。驱动离心泵工作,拿出储罐的液体。相对稳定的液体由压力通过标准的电磁流量计和地面环形电磁测量系统的原理样机。最后,储罐返回的流体流动,形成一个循环。测试的几个仪器获得的参数(温度计、气压计、电导率仪、标准流量计,液位计)和地面环状流电磁测量系统输出环状流信号,随后被发送到电脑。

3.3。实验设计

为了分析和确定井下环形电磁流量测量原理样机的性能基于双频矩形激励,标准的EMF和原理样机被连接在系列。流体流过两个设备和仪器指数测量准确性、重复性和其他参数是通过阅读获得的数据。在这个实验中,钻井液的总流率从7.2米不等³90.1 m / h³/小时。数据在6不同流速被比较标准的电磁流量计读数的环状流电磁测量原型。

原理样机的反应速度测试的目的是为了分析流动变化的突然改变引起的流体入侵的形成。然后,环形流道的突然变化实现通过控制电子的开放水平。最后,响应速度的标准计和原理样机进行了分析通过记录时间关系的输出数据。

为了验证的优先级原则原型测量井下环空泥浆,泥浆的影响原理样机进行了分析设计和泥浆测试。将膨润土加入干净的水,获得了泥浆,在这个实验中进行测试。1分钟内流动的泥浆通过标准的仪表和原理样机记录20赫兹传感器的工作频率。最后,流媒体的效果标准计和原理样机进行了分析。

4所示。结果和分析

4.1。校准结果

干净的水流验证实验设计后进行振幅解调算法的原理样机,为了获得感应电动势和流量之间的关系。通过改变传感器的工作频率,实现环形空间的流动。记录两个系统的感应电动势后,输出电压之间的关系的原理样机和标准表,如图8。

通过仿真曲线,曲线方程的主曲线,如图所示 在哪里 和 ,仪表系数的原理样机。根据实验分析,它们之间建立一个很好的线性关系,满足电磁流量计的测量原理。

4.2。系统测试结果

为了获得瞬态流量测量精度的原理样机,验证是必要的。正确安装和衬砌后电磁流量计传感器原理样机验证根据验证的规则。在验证获得的数据如表所示1。

根据原型验证的规则原则,单一验证值相对误差的分布在每个流的原理样机如图9,每个验证点的相对价值的原理样机如图10。

根据曲线,当流量小于7米³/ h,在管流速度低于0.25 m / s,表明相对误差相对较大,几乎超过了1.796%。这个问题类似于无能的电磁流量计测量流体速度低。另一个单点指示误差的最大值是-0.898%,而最低是-0.029%。每个流点的误差波动在0%左右。每个流的可重复性点如图11。当管道内的流动速度低于0.22 m / s,重复性很差。其他点的可重复性变化约为0.8%。环状流的增加,重复性逐渐好转。根据表中的数据1,当原型的流量测量信号检测技术范围内9 - 90.1³/ h,原理样机的相对误差最大值为0.9%,这表明瞬态流量测量精度的原理样机在1.0水平。

4.3。反应速度测试和分析

蝶阀的半开放状态,调整标准计和原理样机的输出数据记录,直到输出是稳定的。同样,蝶阀调整是完全开放的,在记录的输出数据标准表和原理样机。标准的响应速度计和原理样机可以获得的两个设备之间的比较。

流的变化数据12和13和数据表2说明标准流量计的响应时间是7.9和7.2年代,当阀门分别调整从全开到半开放半完全开放。根据图13原理样机的响应时间为4.7和4.3年代,当阀门分别调整从半开放全面开放,相反。显然,原理样机的响应速度比标准计,它可以满足快速溢出检测的需求。

4.4。影响和分析下浆效果

标准的比较分析表明,米,如图14测量流干净的水时,传感器的工作频率是20 Hz。输出流数据收集的标准计主要集中在59 - 61 m³/小时,没有大的波动。当测量流浆,标准计输出波动的增加,在59 - 64米不等³/小时,主要集中在61 - 62米³/小时。

比较分析表明,干净的水在测试时,发现计的输出主要集中在59 - 61 m³没有大的波动/ h。测试流体泥浆时,检测仪表的输出波动加剧显然,在58 - 62米的范围³/小时,主要集中在60米³/小时。根据所收集的数据之间的比较标准的仪表和检测流量测量系统研究,当测量的介质是水,两个流波动并不大,59 - 61米内定义³/小时。当泥浆测试,数据14和15表明,波动强度的标准计大于与双频矩形激励电磁流量测量系统。可以得出结论,能够抑制水泥浆的干涉双频矩形激励大于低频矩形激励。

5。结论

本文描述了井下环状流电磁测量技术基于双频矩形波励磁。可以得出的结论如下:(1)针对井下环空钻井液流量测量的需要,井下环形流电磁测量原理进行了分析。双频励磁技术满足需要的环状流电磁测量研究和其相应的电磁感应信号处理研究(2)先前的研究的基础上,井下环形流电磁测量系统的设计和实现(3)流验证平台参数获得标准之间的比较,发现米建成的可行性试验和双频励磁电磁流量测量系统。试验结果表明,井下环形电磁流量测量基于双频矩形波励磁不仅可以满足常规电磁流量测量的要求也有效地抑制环状泥浆干扰,满足快速溢出检测的需要

数据可用性

在生成的数据集和/或分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版这篇文章。

确认

这项工作是支持的国际科技合作与交流研究项目四川省(18 gjhz0195)、井下智能测控科技创新团队的西南石油大学(2018 cxtd04)和国家自然科学基金(51974273)。

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