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(rùn)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(dòng)篩、除泥器等裝置，能分離出泥漿中較大的巖屑，通過(guò)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能預(yù)防井涌或漏失，可以避免重大事故，對(duì)鉆井安全作業(yè)有著重大意義。

常見(jiàn)的泥漿罐液位傳感器有磁翻柱液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)。

1 磁翻柱液位計(jì)

磁翻柱液位計(jì)（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(guò)程中的液位測(cè)量與控制。常見(jiàn)的磁翻板液位計(jì)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(jì)采用具有磁性的浮子元件進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)泥漿罐中的液面升高時(shí)，傳感器磁性浮子隨著液面增加而上浮，通過(guò)磁耦合轉(zhuǎn)達(dá)至磁翻柱指示器，使紅、白色翻柱轉(zhuǎn)動(dòng)，液面升高時(shí)翻柱翻轉(zhuǎn)成紅色，液面降低時(shí)翻柱翻轉(zhuǎn)成白色。紅色與白色更迭的標(biāo)尺表示液位實(shí)際距離，實(shí)現(xiàn)泥漿液位測(cè)量。

圖1 磁翻柱液位計(jì)

1.2 安裝方式

磁翻柱液位計(jì)通常采用頂裝式安裝。選擇安裝位置時(shí)應(yīng)避開(kāi)或遠(yuǎn)離泥漿罐入料口，液位計(jì)零位與泥漿罐底部處于同一水平線；當(dāng)泥漿罐較高時(shí)，需增加中間加固材料作為強(qiáng)度支撐。導(dǎo)管和測(cè)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(shí)加強(qiáng)防腐層的保護(hù)，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(jì)磁鋼驅(qū)動(dòng)翻柱顯示，無(wú)需能源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、顯示直觀、價(jià)格便宜。適用于易燃、易爆和腐蝕液位檢測(cè)。磁翻柱液位計(jì)加裝磁性開(kāi)關(guān)可配置為電氣接點(diǎn)上、下限開(kāi)關(guān)輸出；也可通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊配置成變送器二線制4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，可遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)。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(jì)采用接觸式安裝，長(zhǎng)時(shí)間使用本體內(nèi)有介質(zhì)沉淀物，影響浮子動(dòng)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(jì)安裝體積較大，不能測(cè)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(jì)技術(shù)性能如表1 所示。

表1 泥漿罐磁翻柱液位計(jì)技術(shù)性能

2 雷達(dá)液位計(jì)

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

2.1 工作原理

雷達(dá)液位計(jì)以時(shí)域反射原理為基礎(chǔ)，雷達(dá)液位計(jì)的電磁波脈沖以光速運(yùn)行，當(dāng)電磁脈沖遇到介質(zhì)表面時(shí)，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(shí)間與發(fā)射裝置距被測(cè)介質(zhì)表面的距離與成正比，雷達(dá)液位計(jì)可以通過(guò)電子元件將運(yùn)行時(shí)間轉(zhuǎn)換成物位信號(hào)，經(jīng)過(guò)儀表內(nèi)部計(jì)算得出液位高度。

2.2 安裝方式

圖2 雷達(dá)液位計(jì)

雷達(dá)液位計(jì)通常采用法蘭連接，盲區(qū)一般在30～50 cm。雷達(dá)液位計(jì)安裝時(shí)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(dá)液位計(jì)信號(hào)發(fā)射區(qū)域需避開(kāi)劇烈攪動(dòng)區(qū)域，以避免虛假波的信號(hào)輸出。同時(shí)需避開(kāi)進(jìn)出料口，罐體頂部為拱形時(shí)，安裝時(shí)需避開(kāi)拱形正上方，下方為錐形時(shí)需安裝在罐頂中央。不可貼罐壁安裝，以避開(kāi)渦流區(qū)域。

2.3 適用范圍

雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用于漿料、小型儲(chǔ)蓄罐、腐蝕性液體測(cè)量。雷達(dá)液位計(jì)采用一體化設(shè)計(jì)，不會(huì)由于摩擦和使用而造成損耗，可有效使用壽命較長(zhǎng)，數(shù)字元件顯示清晰直觀，法蘭或螺紋接口便于后期維護(hù)。導(dǎo)波式雷達(dá)液位計(jì)對(duì)蒸汽和泡沫有很強(qiáng)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(dá)液位計(jì)不接觸介質(zhì)，后期維護(hù)工作簡(jiǎn)易。高頻脈沖雷達(dá)液位計(jì)能在惡劣環(huán)境下工作，并可保持工作時(shí)的穩(wěn)定性。雷達(dá)液位計(jì)和其他型號(hào)的液位計(jì)相比較，價(jià)格貴一些。泥漿罐液位隨著攪拌、入料會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，雷達(dá)液位計(jì)會(huì)有少數(shù)虛假波信號(hào)輸出。

2.4 技術(shù)性能

泥漿罐雷達(dá)液位計(jì)技術(shù)性能如表2 所示。

表2 泥漿罐雷達(dá)液位計(jì)技術(shù)性能

3 超聲波液位計(jì)

超聲波是一種機(jī)械波，其特點(diǎn)是頻率高、波長(zhǎng)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(qiáng)，泥漿是對(duì)光不透明的介質(zhì)，超聲波碰到泥漿液面會(huì)有顯著的反射，超聲波液位計(jì)（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(jì)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(jì)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(cè)介質(zhì)表面時(shí)，聲波會(huì)沿著發(fā)射路徑進(jìn)行反射，反射的聲波有部分被超聲波液位計(jì)接收，并通過(guò)電子器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，依據(jù)聲波在空氣中傳播時(shí)間（T）來(lái)計(jì)算超聲波液位計(jì)與被測(cè)介質(zhì)之間的距離（S）。計(jì)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(shí)必須預(yù)留超聲波液位計(jì)安裝位置與泥漿罐頂部的距離。超聲波液位計(jì)探頭需與被測(cè)介質(zhì)面保持平行，發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)之間不得有阻礙物，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。發(fā)射裝置不可安裝在入料口上方與強(qiáng)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(huì)造成聲波無(wú)法接收。當(dāng)泥漿罐較高時(shí)，可采用分體式超聲波液位計(jì)。

圖3 超聲波液位計(jì)

3.3 適用范圍

超聲波液位計(jì)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(hào)處理可以更準(zhǔn)確地實(shí)施測(cè)量，價(jià)格適中。傳感器探頭與內(nèi)部無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，采用非接觸式測(cè)量不易有介質(zhì)的附著、留垢，裝置小巧便于后期維護(hù)。超聲波液位計(jì)通常采用ABS 工程塑料外殼，適用于易爆、腐蝕性等儲(chǔ)蓄罐的測(cè)量。當(dāng)泥漿罐較高時(shí)可采用分體式超聲波液位計(jì)，主機(jī)可放置泥漿罐體下方。泥漿罐電機(jī)攪拌時(shí)，泥漿會(huì)產(chǎn)生泡沫和波幅，當(dāng)泥漿表面泡沫和波幅較大時(shí)，會(huì)吸收超聲波脈沖能量，測(cè)量會(huì)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(cè)量的準(zhǔn)確性。

3.4 技術(shù)性能

泥漿罐磁翻柱液位計(jì)技術(shù)性能如表3 所示。

表3 泥漿罐超聲波液位計(jì)技術(shù)性能

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，石油和地質(zhì)勘探裝備逐漸走向高端市場(chǎng)，隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，石油鉆井工程對(duì)鉆機(jī)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(duì)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(xiàng)目來(lái)源：2020 年廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)資金（“攀登計(jì)劃”專項(xiàng)資金，編號(hào)：pdjh2020a1392）。