泥漿罐液位傳感器在鉆井作業(yè)中應(yīng)用探討

陳鎮(zhèn)天

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 510900）

0 引言

泥漿是鉆井液的俗稱，是石油和地質(zhì)勘探鉆井作業(yè)的“血液”，主要由水、黏土和化學(xué)添加劑組成，作為鉆井作業(yè)的潤滑劑與冷卻劑，可以平衡地層壓力。鉆井泥漿罐是泥漿循環(huán)系統(tǒng)配制泥漿的容器，作用是負(fù)荷從鉆井井口到泥漿泵中的泥漿，泥漿罐的振動篩、除泥器等裝置，能分離出泥漿中較大的巖屑，通過混配裝置保持鉆井液密度基本穩(wěn)定，以適應(yīng)鉆井工藝要求。泥漿液位的變化直接反映鉆井作業(yè)工況，泥漿液位實時監(jiān)測能預(yù)防井涌或漏失，可以避免重大事故，對鉆井安全作業(yè)有著重大意義。

常見的泥漿罐液位傳感器有磁翻柱液位計、雷達液位計和超聲波液位計。

1 磁翻柱液位計

磁翻柱液位計（圖1）采用磁性藕合隔離器密閉結(jié)構(gòu)，常用于石油化工生產(chǎn)過程中的液位測量與控制。常見的磁翻板液位計有頂裝式、側(cè)裝型、保溫型、防腐型等。

1.1 工作原理

磁翻柱液位計采用具有磁性的浮子元件進行測量，當(dāng)泥漿罐中的液面升高時，傳感器磁性浮子隨著液面增加而上浮，通過磁耦合轉(zhuǎn)達至磁翻柱指示器，使紅、白色翻柱轉(zhuǎn)動，液面升高時翻柱翻轉(zhuǎn)成紅色，液面降低時翻柱翻轉(zhuǎn)成白色。紅色與白色更迭的標(biāo)尺表示液位實際距離，實現(xiàn)泥漿液位測量。

圖1 磁翻柱液位計

1.2 安裝方式

磁翻柱液位計通常采用頂裝式安裝。選擇安裝位置時應(yīng)避開或遠(yuǎn)離泥漿罐入料口，液位計零位與泥漿罐底部處于同一水平線；當(dāng)泥漿罐較高時，需增加中間加固材料作為強度支撐。導(dǎo)管和測量管務(wù)必保持垂直，上下浮球連桿不得彎曲，需垂直插入。同時加強防腐層的保護，兩邊可加固定索，保證儀器在惡劣環(huán)境下工作穩(wěn)定。

1.3 適用范圍

磁翻柱液位計磁鋼驅(qū)動翻柱顯示，無需能源、結(jié)構(gòu)簡單、顯示直觀、價格便宜。適用于易燃、易爆和腐蝕液位檢測。磁翻柱液位計加裝磁性開關(guān)可配置為電氣接點上、下限開關(guān)輸出；也可通過轉(zhuǎn)換模塊配置成變送器二線制4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，可遠(yuǎn)距離傳輸信號。泥漿罐通常選用不銹鋼和ABS 工程塑料材質(zhì)外殼。磁翻柱液位計采用接觸式安裝，長時間使用本體內(nèi)有介質(zhì)沉淀物，影響浮子動作甚至卡住，必須不定期清洗主導(dǎo)管并清除結(jié)垢物。磁翻柱液位計安裝體積較大，不能測量含有較大氣泡的液體。

1.4 技術(shù)性能

泥漿罐磁翻柱液位計技術(shù)性能如表1 所示。

表1 泥漿罐磁翻柱液位計技術(shù)性能

2 雷達液位計

雷達液位計（圖2）采用發(fā)射高頻微波脈沖、高頻微波脈沖時域反射原理結(jié)構(gòu)，常用于儲蓄罐體中的液位測量與監(jiān)測。雷達液位計分為非接觸式的棒式天線雷達、喇叭口天線雷達液位計和接觸式的桿、纜、同軸導(dǎo)波雷達液位計。

2.1 工作原理

雷達液位計以時域反射原理為基礎(chǔ)，雷達液位計的電磁波脈沖以光速運行，當(dāng)電磁脈沖遇到介質(zhì)表面時，電磁脈沖的部分脈沖被反射形成回波，回波沿著發(fā)射傳播路徑回到電磁發(fā)射裝置，電磁脈沖的傳播時間與發(fā)射裝置距被測介質(zhì)表面的距離與成正比，雷達液位計可以通過電子元件將運行時間轉(zhuǎn)換成物位信號，經(jīng)過儀表內(nèi)部計算得出液位高度。

2.2 安裝方式

圖2 雷達液位計

雷達液位計通常采用法蘭連接，盲區(qū)一般在30～50 cm。雷達液位計安裝時必須將傳感器軸線垂直介質(zhì)表面，正下方不能設(shè)置障礙物。雷達液位計信號發(fā)射區(qū)域需避開劇烈攪動區(qū)域，以避免虛假波的信號輸出。同時需避開進出料口，罐體頂部為拱形時，安裝時需避開拱形正上方，下方為錐形時需安裝在罐頂中央。不可貼罐壁安裝，以避開渦流區(qū)域。

2.3 適用范圍

雷達液位計應(yīng)用于漿料、小型儲蓄罐、腐蝕性液體測量。雷達液位計采用一體化設(shè)計，不會由于摩擦和使用而造成損耗，可有效使用壽命較長，數(shù)字元件顯示清晰直觀，法蘭或螺紋接口便于后期維護。導(dǎo)波式雷達液位計對蒸汽和泡沫有很強的抑制能力，導(dǎo)波管可以較好克服波幅較大的液面，但泥漿罐中容易有介質(zhì)附著。非接觸式雷達液位計不接觸介質(zhì)，后期維護工作簡易。高頻脈沖雷達液位計能在惡劣環(huán)境下工作，并可保持工作時的穩(wěn)定性。雷達液位計和其他型號的液位計相比較，價格貴一些。泥漿罐液位隨著攪拌、入料會產(chǎn)生波動，雷達液位計會有少數(shù)虛假波信號輸出。

2.4 技術(shù)性能

泥漿罐雷達液位計技術(shù)性能如表2 所示。

表2 泥漿罐雷達液位計技術(shù)性能

3 超聲波液位計

超聲波是一種機械波，其特點是頻率高、波長短、不易繞射、方向性好。超聲波在液、固介質(zhì)中傳播衰退較小，穿透能力強，泥漿是對光不透明的介質(zhì)，超聲波碰到泥漿液面會有顯著的反射，超聲波液位計（圖3）就是利用了它的這一特征。從結(jié)構(gòu)形式上可將超聲波液位計分為一體式和分體式兩種類型。

3.1 工作原理

超聲波液位計在微處理器的控制下發(fā)射超聲波，聲波在泥漿罐內(nèi)部傳播，當(dāng)聲波遇被測介質(zhì)表面時，聲波會沿著發(fā)射路徑進行反射，反射的聲波有部分被超聲波液位計接收，并通過電子器件轉(zhuǎn)換成電信號，依據(jù)聲波在空氣中傳播時間（T）來計算超聲波液位計與被測介質(zhì)之間的距離（S）。計算公式：S=C×T/2。式中，C 是聲波傳播速度。

3.2 安裝方式

超聲波有盲區(qū)，安裝時必須預(yù)留超聲波液位計安裝位置與泥漿罐頂部的距離。超聲波液位計探頭需與被測介質(zhì)面保持平行，發(fā)射裝置與被測介質(zhì)之間不得有阻礙物，以保證測量的準(zhǔn)確性。發(fā)射裝置不可安裝在入料口上方與強渦流區(qū)域，避免聲波遇到料物反射。不可貼罐體設(shè)備內(nèi)壁安裝，確聲波被設(shè)備內(nèi)壁反射會造成聲波無法接收。當(dāng)泥漿罐較高時，可采用分體式超聲波液位計。

圖3 超聲波液位計

3.3 適用范圍

超聲波液位計采用LCD/LED 數(shù)字式顯示，可以直觀、清晰地查看液位數(shù)據(jù)，智能信號處理可以更準(zhǔn)確地實施測量，價格適中。傳感器探頭與內(nèi)部無機械運動部件，采用非接觸式測量不易有介質(zhì)的附著、留垢，裝置小巧便于后期維護。超聲波液位計通常采用ABS 工程塑料外殼，適用于易爆、腐蝕性等儲蓄罐的測量。當(dāng)泥漿罐較高時可采用分體式超聲波液位計，主機可放置泥漿罐體下方。泥漿罐電機攪拌時，泥漿會產(chǎn)生泡沫和波幅，當(dāng)泥漿表面泡沫和波幅較大時，會吸收超聲波脈沖能量，測量會存在一定誤差，可加大發(fā)射功率或在泥漿罐中加裝導(dǎo)波管隔離泡沫以提高測量的準(zhǔn)確性。

3.4 技術(shù)性能

泥漿罐磁翻柱液位計技術(shù)性能如表3 所示。

表3 泥漿罐超聲波液位計技術(shù)性能

4 結(jié)語

近年來，石油和地質(zhì)勘探裝備逐漸走向高端市場，隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，石油鉆井工程對鉆機配套設(shè)備的性能、技術(shù)水平提出了更高的要求，本文介紹了常用的泥漿罐液位傳感器的工作原理、安裝方式、適用范圍、技術(shù)指標(biāo)等，希望對鉆井配套儀表中泥漿罐液位傳感器的選型有一定借鑒意義。

項目來源：2020 年廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項資金（“攀登計劃”專項資金，編號：pdjh2020a1392）。