灌（guàn）漿自動記錄儀（yí）中智能鑽井泥漿流量計的（de）正確選用和應用

介紹（shào）灌漿自動記錄儀中智能鑽井泥漿流量（liàng）計的測量原理（lǐ）、灌漿工程（chéng）中正確（què）選用的原則、現場合理安裝及使用的（de）方法，同時（shí）也指出了小循環灌漿法的智能鑽（zuàn）井泥漿流量計無法準確、真（zhēn）實檢測小流量的（de）缺陷及大循環灌漿法（fǎ）中智能鑽井泥漿（jiāng）流量計（jì）選用的合理性。
灌漿自動記錄儀（yí）中流量參數的測量主要是針對水泥漿（jiāng）液的（de）測量。水泥漿液由於水灰比（bǐ）的不同會形成不（bú）穩（wěn）定的懸（xuán）浮（fú）液或穩定的漿液（yè） (指水（shuǐ）離析)，同時水（shuǐ）泥漿液的流變特性也隨水灰比的不同而分別符合牛頓定律或賓漢定（dìng）律，流經流量計測量（liàng）管時（shí）的（de）流動狀（zhuàng）態則呈現層流或紊流狀態。決定水泥漿（jiāng）液流態轉變的參數是一個無量（liàng）綱的雷諾數Re，管流的雷諾數為

式中: ρ是流體密度（dù）；V是管流的平均速度；d是管徑；μ是黏性係數（shù）；ν是（shì）運動黏性係數。

當Re>2 320時流態就屬於紊流，當Re<2 320時流態就屬於層流，即臨界雷諾數Rec=2 320。

不同流動狀態的水泥漿液流經流量計（jì）測量管時，管內圓截麵上會呈現不（bú）同的流速分布(見圖1)，即: 層流的流速變化是拋物線分布，在管中心軸上流速*大，且雷諾數變化、流速分布形態不變；紊流時，流速分布在測量管內（nèi）壁的近旁比層（céng）流流速大，在中心部比（bǐ）層流（liú）時流速小（xiǎo），且流速分布形態隨雷諾（nuò）數（shù）的變化而（ér）變化。

通常通過（guò）測量流速求流量的流量計，麵對不同流（liú）態的流體時都要考慮其流（liú）速分布及雷諾數變化的影響，以確保測量的（de）準確性。

事實上無（wú）論何種流態的流體，在流量計圓截麵（miàn）測量管內的流速分布總可以用一個對（duì）應的平均流速（sù）V來表征，即

式中：Q為體積流量；F為測量管（guǎn）路的截麵積。
從上（shàng）式可（kě）以（yǐ）看出，隻要檢（jiǎn）測出平均流（liú）速V，再乘以（yǐ）圓管的截麵積（jī）F，即可得出流量Q，因（yīn）此就沒有必要去（qù）顧及流速分布的形態及其分（fèn）布隨雷諾數的變化問題（tí）。但是測量平均流速的前提（tí）必須（xū）是（shì）流量計測量管有足夠長的直管段，使管路中能形成中心（xīn）部位具有*大流速的軸對稱流速分布，這種流速分布（bù）就能夠以（yǐ）管子半徑的函數來表示。
智能鑽井泥漿流量（liàng）計就是基於測量（liàng）平均流速V的速度型體積流量計。無論水泥漿液在（zài）測量管道內的（de）流動（dòng）為層流或還是因（yīn）雷諾數（shù）的（de）變化而變為紊流，其檢測電*所（suǒ）產生的感應電動（dòng）勢與平（píng）均流速V成正比。
1、智（zhì）能鑽井泥漿流量計原（yuán）理（lǐ）
智能鑽井泥漿流（liú）量計(以下簡稱EMF)的基本原理是法拉*電磁感應定律，即運動的導體在磁場中切割磁力線時在其兩端會（huì）產生感應電動勢。見圖2，在內徑為D、內部磁（cí）場強度（dù）為B的非導磁性測量管內，
具有導（dǎo）電性的被（bèi）測介質液態以一（yī）定的速度流（liú）動時，則在與流動方（fāng）向垂直的方向上產生與流（liú）量成比例的（de）感應電勢 E，其值為
E=kBVD    (2)
式中: E為感應電動（dòng）勢，V； k為係數；B為磁感應強度，T；V為流體平均流速，m/s；D為測量管（guǎn）內徑（jìng），m。

液體的流量為

由式（2）和式（3）可得

式中：K為儀表常數，由於傳感器生（shēng）產的離散性（xìng），對同一標稱口（kǒu）徑的傳感器要按K=4kB/πD予以（yǐ）修正。
傳感器的感應電勢E與流量qv是線性的比例關係，它隻與磁感應強度B和測量管內徑（jìng）D有關，而與其他物理參（cān）數的變化無關（guān），這是智能鑽井泥漿流量計的*大優點。隻要測出感應電勢的大（dà）小，就可計算出實際的（de）流量。
2、智能鑽井泥（ní）漿流量計（jì）的（de）優點
EMF的測量通道是一段無阻流檢（jiǎn）測件的光滑直管，因不易阻塞故（gù）適用於（yú）測量含有（yǒu）固體顆粒或纖維（wéi）的液固二相流體，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和汙水等。
EMF不會因檢（jiǎn）測流（liú）量而（ér）產生壓力損失，儀表的阻力僅是同一長度管道的沿（yán）程阻力，節能效果顯著，對（duì）於要求低阻力（lì）損（sǔn）失的大管（guǎn）徑供水（shuǐ）管道*為適合。
EMF所測得的體積流量，實際上不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率(隻要在某閾值以上)變化明顯的影響，僅取決於流體的平均流速，因此無論被測液體（tǐ）種類如何，都可以用水進行實際流速的標定。
與其他大部分流量儀表相比，EMF測量時對前置直管段的要求較低。
EMF測量範圍度大，通常為1：20～1∶50，可選流（liú）量範（fàn）圍寬，滿度值液（yè）體流速可在0.5～10m/s內選定。某些型號的EMF還可在現場根據需要擴大和縮小流量(例如設有4位數電位器設定（dìng）儀（yí）表常數)，而不必取下作離線實流標定。
EMF的（de）口（kǒu）徑範圍從幾mm到3m，比其他品種（zhǒng）流量儀表要寬；同時可測正反雙向流量，也可測脈動流（liú）量（liàng）(隻要脈動頻率低於激磁頻率很（hěn）多（duō） )；儀表輸出在本質上是（shì）線性的。
3、正確選用（yòng）智能鑽井泥漿流量計的要點
3.1、量程
灌漿記錄儀投入使用時其性能參數必須和灌漿（jiāng）現場的灌（guàn）漿機械設（shè）備相匹配，由於現場灌漿泵的泵量多為6m³/h(100L/min)，水泥漿液攪拌筒容積都（dōu）為200L，所以進漿EMF的量程也應選為100L/min。返漿EMF大部分時間都在大流量狀態（tài）下（xià）工作，但在鑽（zuàn）孔（kǒng）吃漿量大的情況下可能會出現EMF檢測（cè）小流量的情況，這可以采用小口徑EMF提高（gāo）流速來解決。
3.2、口徑
灌漿工程中（zhōng）常用的（de）漿液是水（shuǐ）泥漿液（yè）。因此，智能鑽井泥漿流量計的測量管（guǎn）道不能（néng）太小以免堵（dǔ）塞，一般（bān）直徑應大於20mm。
帷幕灌漿時的吸漿量一般在0～100L/min，采用大循環灌漿方式時進、返漿流量計上相應的流量範圍為30～100L/min，從流量、流速與（yǔ）口徑三者關（guān）係曲線圖可（kě）知流量計的口徑以選擇DN25比較合適。DN25的（de）流量測（cè）量（liàng）範圍是14172～323181L/min，當流量在30～100 L/min範圍時，其流速在112～31395m/s之間，比較合適；同時DN25和現場灌漿管道的口徑一致，配套安裝時不需要（yào）變徑，這*大地方便（biàn）了用戶。
3.3、流速
EMF流速選取的通用原理是: 實（shí）際可測量範圍為011～10m/s，量程上限範圍為015～10m/s，推薦使用範圍為1～5m/s。而在灌漿現（xiàn）場EMF的選擇主要取決於水泥漿液在EMF測量管內的流（liú）速的作用機理（lǐ）: 由於水泥（ní）漿液中帶有水泥（ní）固體顆粒，考慮到對EMF襯裏和電*的磨損，選用流速小於或（huò）等於3m/s；另一方麵水泥（ní）漿液又具有易黏附、沉澱、結垢的特性，EMF測量管內的流速應不低於215 m/s，*好（hǎo）在3～4m/s，以起到對電*和內襯的（de）自清掃作用。綜合考慮後（hòu）EMF測量管內的流（liú）速（sù）可選用218m/s，此流速對應的流量應該是實際灌（guàn）注（zhù）濃漿時灌漿泵能輸出的（de）有效泵（bèng）量， 一般為80L/min，滿度流量100L/min對應的流速為315m/s，選用DN25的EMF的滿量（liàng）程流速為31395m/s。
3.4、精度
EMF的測量精度通常都是用允許的*大引用誤差（chà）(*大允許誤差)間接表示的，其表達式為

式中:I為EMF的指標值；Q為實際流量；If為滿量（liàng）程值；ε在理論上是用（yòng）引用誤差中*大（dà）的一個表示，而實際上都是采用一個規範的約定值來表（biǎo）示，如015%，1%等。

引用誤差去掉百分號(%)後即為EMF的精度（dù）等級。由於*大允許誤差與EMF各測量點具體的指（zhǐ）標值無關，可以準確的表征各種EMF測（cè）量的精確程序，因此（cǐ）是EMF*主要的質量指標之一。由於EMF量（liàng）程較寬，實際應用時（shí）其*大允許誤差通常是（shì）分（fèn）區間表示的，如光（guāng）華 ·愛而美特儀器有限公司的K300一體化EMF的表示方（fāng）法為:在（zài）滿量程的20%～100%流（liú）量範圍內,測量值（zhí）的*大允許誤差為測量值的±1%;在滿量程的0%～20%流量範圍內,測（cè）量值的（de）*大允（yǔn）許誤差為量程上限值的±012%。

流量計廠家在出廠檢驗**中都把實測的幾個流量點的原始數據以表1方式給出,從中可見實測的引用誤差都遠遠小於*大允許誤差。表1的EMF量程為6m³/h(100L/min)，輸出（chū）電流為4～20mA；且（qiě）在滿量程（chéng）值50%以上的測量點精度較，而在滿量程值1/3以下測量點精度低。

4、正確使用智能鑽井泥漿流量計的要點
4.1、使用時應注意的一般事項（xiàng）
EMF的使（shǐ）用環（huán）境一（yī）定要遠離強（qiáng）電磁用電設備，如電焊機、大功率電機和變（biàn）壓（yā）器等，以免引（yǐn）起電磁場幹擾。尤其是不能和這些設備就近共電，若在EMF附近使用電焊機或和電焊機（jī）共電，其危害是百分之百的。
幾乎所有的EMF說明書都要求EMF和其相（xiàng）連接的管道一起要有良好的接地，但在灌漿現場尤（yóu）其是灌漿廊（láng）道（dào）中，強用電設（shè）備堆積在一起，電磁場無和灌漿管道無任何電氣聯係，隻要EMF浮空，不需要（yào）專門接地。但當灌漿管道采用金屬管時，易在管網上產生大的雜散電流，會幹擾EMF的正常狀態，此時需要在EMF和連接管道之間進行電氣絕緣（yuán），才能保證（zhèng）正常（cháng）使用（yòng）。不能把（bǎ）信號電纜和電源線捆（kǔn）綁在一起，信號電纜一定要使用屏蔽電纜，且屏蔽層的一端一定要接地(在（zài）記錄儀主機端（duān）)以避（bì）免（miǎn）信號幹擾；另外，盡可能避免受陽光直照，避免雨水浸淋和（hé）被水浸沒。
4.2、安裝位置和流動方向
在灌漿現場會經常碰到EMF的測（cè）量數據不合理或和應（yīng）用參比值不符 ，甚至EMF本身不能正常工作的現（xiàn）象，而單獨檢查（chá）EMF卻沒有一點問題，究其原因往往是現場EMF安裝不規範造成（chéng）的。
EMF的安裝方向或水平、或垂直、或（huò）傾（qīng）斜均可，不受限製。但測量水泥漿液這樣的（de）固（gù）液兩相（xiàng）流體*好采用垂（chuí）直安裝，以使漿液（yè）自（zì）下（xià）而上流動，這樣能避免水平安裝時襯裏下半（bàn）部局（jú）部磨損嚴重及低（dī）流速時（shí）固相沉澱等缺點。
水平安（ān）裝時要使電*軸線平（píng）行於地平線，因為處於底部的電*易被沉積（jī）物覆蓋，而頂部電*易被（bèi）液體中偶存的氣（qì）泡擦過遮（zhē）住電*表麵（miàn），使輸出信號波動（dòng）。例如圖3所示管係中，c和d為（wéi）適宜位置；
a，b，e為不宜位置(b處可能液（yè）體不充滿，a和e處易積聚氣體，且 e處傳感器後管段短也有可能不充滿（mǎn）)；對於固液兩相流來說（shuō）c處亦是不宜位置。

大（dà）循環時，進、返漿EMF的安裝位置宜相隔1m以上，*好使用交流穩壓器單獨供電，正（zhèng）常使用（yòng）時，決不允許帶電拔掉EMF的電源和信號插（chā）座。

4.3、直管段長度要求

為獲得正常測量的精確度，電磁流（liú）量傳（chuán）感器的上遊側要（yào）有一定長度（dù）的直（zhí）管段，以保證流速（sù）分（fèn）布與（yǔ）管軸對稱。這裏所說的直管長度是離開電*的直管長，小口徑EMF的測量管長度往（wǎng）往是取其直徑（jìng）的（de）

5倍左右。需要（yào）指出的是EMF的出入口處絕對不允許安裝各種閥門 ，以往把灌漿調節高壓閥直接（jiē）裝在返漿EMF的出口處，造成了流速分布變化，故流量數據跳動的現象屢見不鮮。

5、小循環灌漿法檢測流量的弊端

小循環灌漿法的實質是: a泵的（de）吸入量主要由返漿量提供，返漿量的大（dà）小由高壓調節閥控製，鑽孔灌漿注入量=流量計量(見圖（tú）4)；b流量（liàng）計大部分時間工作（zuò）在1/3量程之下，相當長的（de）時間（jiān）內工作在1L/min左右；c返漿漿液不返回攪漿桶，水泥漿（jiāng）液隻能在閉合的管道中循環，漿桶內調節水灰比對灌漿漿液的密度影響甚微。

由EMF的測量原理可知，其流量的下限由同噪聲或偏移的信噪比S/N 來決（jué）定，其上（shàng）限則由測量管（guǎn）內（nèi）襯裏的磨損和配管的經（jīng）濟速度等來決定。一般當測（cè）量管內實際流（liú）速小於0.1m/s時，感應電動勢已變得十分（fèn）微弱(幾微伏至零點（diǎn）幾微伏（fú）)，此時噪聲的影（yǐng）響逐步變為主（zhǔ）導，甚至淹沒信（xìn）號電動勢。其流速和測量誤差的關係詳見圖 5和表2。

從圖5、表2可以看出，當灌漿孔吸（xī）漿量很小、流（liú）速小於011m/s時 ，流量測量值的誤差已變得非常大，且隨著流速的變小呈直線上升。對於1L/min(流速為0.0085m/s，0.0133m/s)的測（cè）量點由於測量誤差（chà）達20%，已（yǐ）無（wú）精度可言。至（zhì）於（yú）0.6L/min或0.4L/min的測量（liàng）結果究竟是由噪聲還（hái）是由信（xìn）號所致也搞不清楚，可信度就更無法考（kǎo）證了（le）。
盡管EMF有較寬的測（cè）量範圍（wéi），其量程比可（kě）達1∶30甚至1∶50，但使用過寬的量程往往是以降低測量（liàng）精度（dù）為代價的。正確（què）選（xuǎn）用EMF量程的*要依據是正常流量要大於滿量程的50%，即以工作在2/3量程區為好，盡可能不（bú）使用1/3量程區，以確保一（yī）定的測量精度；且正（zhèng）常流（liú）量對應的流速應選用2～315m/s的經濟流速。
小循環灌漿時，要測的水泥漿液流量基本上都在1/3量程以下，且每段灌漿流量計都有近2h工作在2L/min以下（xià），所以應優先選用口徑較小(DN15) 、量程為215m³/h的EMF。但在實際小循環灌漿中，有時又不得（dé）不麵對岩溶地層大吃漿量的需求而把量程定為灌漿泵的泵量(6m³/h)，從而使量程大於1100，由於（yú）EMF不（bú）可改變的安裝位置而又必須（xū）選用DN40或（huò）DN50，*終小循環灌漿隻好將錯就錯而製造出一個矛盾體。
6、大循環灌漿（jiāng）方式（shì）檢測流量的合理性
采（cǎi）用大循環（huán）灌漿方式時，由於進（jìn）漿量為進漿管（guǎn）流量與返漿管流量（liàng）之差，所以在灌（guàn）漿泵泵送壓力的作用（yòng）下，當（dāng）注入漿量較小時(如在屏漿階段)漿（jiāng）桶（tǒng）中（zhōng）的水泥漿（jiāng）液以（yǐ）較（jiào）大的流量流過進漿管進入灌漿孔中，除少量水泥漿液被壓力灌進（jìn）地層中外，大部分水（shuǐ）泥漿液通過返漿管流回漿桶。因此，進漿管和返漿管上的流量均處於EMF的精（jīng）度較高的測量範（fàn）圍之內，可以檢測小注入流量（liàng）(如012L/min)，使灌漿能按規範要求的（de）注入率(014L/min)結束（shù）灌漿，且在安裝位置上也符合智能鑽井泥漿流量計的要求。大（dà）循環（huán）灌漿方式在**的許多（duō）大、中型水電工程中（zhōng）已取得了很好的使用效果。