高精度电磁流量测井仪的研制

刘承民，苏中起，刘付光

(1.中国煤炭地质总局一二九勘探队，河北 邯郸 056004;2.中国煤炭地质总局第一勘探局，河北 邯郸 056004; 3.中煤地质工程总公司，北京 100040)

0 引言

流量测井是煤炭地质勘探水文钻孔必不可少的测井参数之一，目前使用的大多为涡轮流量测井仪。涡轮流量计的传感器由装在枢轴上的叶片组成，枢轴上装有磁键或不透光键，轴承一般采用耐磨的工业蓝宝石。涡轮的叶片具有一定倾角，当流体流过叶片时会产生一个转动力矩，使涡轮转动。由于特殊的机械结构，使得涡轮流量计必须有一定的启动流速才能使叶片转动，故无法测量较小流量。而且涡轮流量计容易受到井内杂物及井液砂粒的影响，导致测量误差增大。

研制的WFWC-2型电磁流量测井仪使用高精度电磁流量计，无机械活动部件，具有启动流速小、不卡砂、不受井内杂物影响，还具有操作简便、可靠性好、测量精度高等优点。克服了涡轮流量测井仪的诸多环境因素影响，有效的解决了水文钻孔进行流量测井对流量、渗透系数和影响半径等水文地质参数的计算问题。

1 电磁流量计工作原理

电磁流量测井仪选用的电磁流量计，应用了电磁感应原理，通过流体的流速来计算其流量(图1)。根据法拉第电磁感应定律，通过流体介质切割磁力线的作用，在两电极间感应出与速度成正比的电压，由此定律可推导出流体的体积流量。

因为Ue=B·D·V

则V=Ue/(B·D)

那么，流体的瞬时体积流量:

Q=S·V=Ue·(ΠD/4B)

图1 电磁流量计原理图Figure 1 Illustrative diagram of electromagnetic flowmeter

式中：Ue—感应电压；B—磁场强度；D—两电极间的距离；V—导电介质的轴向流速；S—导管截面面积；Q—流体的体积流量。

由上式可知，只要测得感应电压就可以得到相应的流速，并计算出流量。

由于电磁流量计无机械活动部件，井内杂物及井液砂粒不影响流量的测量，所以电磁流量计具有其它流量计无可比拟的优点。

2 仪器总体结构设计

仪器主要由以下几部分组成(图2)：电路部分、压力传感器、温度传感器、三臂井径、电磁流量传感器、扶正器等组成。

电路部分包括电源和各路信号采集处理及传输；压力、温度测量分别选用了高精度压阻式压力传感器和PN结温度传感器；井径测量采用了三臂井径的测量模式，既能测得井径数据，又能起到扶正器的作用；选用的电磁流量传感器具有耐高温、高压的特性，并在其上下设计有导流罩，使液体流过传感器时，速度稳定，减少外界干扰，使测量数据稳定；扶正器选用了柔性和韧性较好的弹簧片，以保证仪器在测量过程中上下自如，居中测量。

图2 电磁流量测井仪总体结构图 Figure 2 Overall configuration of electromagnetic logging flowmeter

3 仪器电路设计

仪器电路原理框图(图3)主要由信号放大电路、数据采集、控制和编码传输三大部分组成。来自地层中的温度、压力、流量、井径的变化都进入各自的信号放大处理电路中，转变成0～5V的电压信号，然后进入单片机的A/D转换通道，单片机按照预先设定的时序依次转换成数字量，再经过一定的计算刻度，在精确的时序控制下进行编码，再由单片机的I/O口输出，经驱动电路传输到地面设备中。

图3 电磁流量测井仪电路原理框图Figure 3 Circuit principle block diagram of electromagnetic logging flowmeter

电路的核心设计采用了16位智能单片机(MSP430F157)来进行数据的采集、处理和编码传输，片内包含大量外围模块，具有强大的硬件资源和DMA(直接内存访问)功能，从而无需任何硬件电路，也无需CPU的干预，即可在较小的空间内实现了提供励磁电流的正弦波的产生、多路信号的A/D转换、数据处理、主从通讯、编码传输等功能。

4 软件系统设计

仪器利用了单片机的A/D转换来产生励磁电流所需的正弦波，对各路模拟信号进行A/D转换，然后进行一定的计算，再利用定时器产生精确时序把数据发送到驱动电路。定时器每128μs产生中断，数据的编码主要在中断程序进行，为了时序的精确，先输出编码，然后利用空闲时间来进行编码，程序流程图见图4。

图4 电磁流量测井仪程序流程图Figure 4 Program flow chart of electromagnetic logging flowmeter

图5 流量刻度图版Figure 5 Flow calibration plates

5 仪器室内刻度

通过流量模拟实验装置，对电磁流量测井仪器进行刻度标定。首先将抽水泵、标准流量计、标定流量管连接好，把电磁流量测井仪放入标定流量管中，通过测试线接到KH-3数控测井仪，系统上电后，调节标准流量，观察记录电磁流量测井仪的数据。

实验结果表明，研制的高精度电磁流量测井仪，对流量响应的线性较好(图5)，线性相关系数均大于0.999，仪器测量范围宽1～500m3/d。

通过不同规格标准井径与仪器读数进行刻度，其视流量值与仪器读数呈线性相关(图6)。

图6 井径-视流量刻度曲线Figure 6 Well diameter-apparent flow calibration curves

6 施工现场实例

施工钻孔为自溢水，静止水位高出地面41.20m，不具备做静态流量的条件。三次降深为：人工抽水两个降深和孔口自溢作为一次降深，分别进行动态流量测井。

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

现场测井结束后，对测井数据进行了综合分析研究。首先，将动态流速实测曲线转换为Q=f(h)流量曲线。由于连续电磁流量计测量的是井筒中心处流体的流量，因此，求得流体视流量后，要利用井径-流量刻度剖面校正系数将其校正为平均流量，然后采用递减法计算各层的流量，即以该层上、下测量流量之差作为该含水层水的涌出量或吸入量。从测井成果资料看(图7)，达到了项目预期目的。

图7 电磁流量测井成果图Figure 7 Results from electromagnetic flowmeter logging

计算出各含水层流量后，利用单孔承压水完整孔稳定流抽水试验-裘布依公式，就可以分层计算含水层渗透系数K值和影响半径R(应用补给半径)。

7 结论

(1)WFWC-2型电磁流量测井仪，使用了高精度、无机械部件的电磁流量计，从根本上解决了涡轮流量测井的启动流速大、易受井眼环境影响的问题，测量精度大大提高。

(2)在仪器外径小的情况下，实现仪器硬件、软件的优化设计，提高了煤炭地质勘探水文钻孔的精确流量测井。

(3)通过现场应用，仪器性能稳定、可靠，达到了预期设计目的。

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