泥漿罐液位傳感器在鉆井作業中應用探討

陳鎮天

（廣州南洋理工職業學院，廣東廣州 510900）

0 引言

泥漿是鉆井液的俗稱，是石油和地質勘探鉆井作業的“血液”，主要由水、黏土和化學添加劑組成，作為鉆井作業的潤滑劑與冷卻劑，可以平衡地層壓力。鉆井泥漿罐是泥漿循環系統配制泥漿的容器，作用是負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定，以適應鉆井工藝要求。泥漿液位的變化直接反映鉆井作業工況，泥漿液位實時監測能預防井涌或漏失，可以避免重大事故，對鉆井安全作業有著重大意義。

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構，常用于石油化工生產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，通過磁耦合轉達至磁翻柱指示器，使紅、白色翻柱轉動，液面升高時翻柱翻轉成紅色，液面降低時翻柱翻轉成白色。紅色與白色更迭的標尺表示液位實際距離，實現泥漿液位測量。

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。選擇安裝位置時應避開或遠離泥漿罐入料口，液位計零位與泥漿罐底部處于同一水平線；當泥漿罐較高時，需增加中間加固材料作為強度支撐。導管和測量管務必保持垂直，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，保證儀器在惡劣環境下工作穩定。

1.3 適用范圍

磁翻柱液位計磁鋼驅動翻柱顯示，無需能源、結構簡單、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可配置為電氣接點上、下限開關輸出；也可通過轉換模塊配置成變送器二線制4～20 mA 標準信號輸出，可遠距離傳輸信號。泥漿罐通常選用不銹鋼和ABS 工程塑料材質外殼。磁翻柱液位計采用接觸式安裝，長時間使用本體內有介質沉淀物，影響浮子動作甚至卡住，必須不定期清洗主導管并清除結垢物。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 技術性能

泥漿罐磁翻柱液位計技術性能如表1 所示。

表1 泥漿罐磁翻柱液位計技術性能

2 雷達液位計

雷達液位計（圖2）采用發射高頻微波脈沖、高頻微波脈沖時域反射原理結構，常用于儲蓄罐體中的液位測量與監測。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，雷達液位計的電磁波脈沖以光速運行，當電磁脈沖遇到介質表面時，電磁脈沖的部分脈沖被反射形成回波，回波沿著發射傳播路徑回到電磁發射裝置，電磁脈沖的傳播時間與發射裝置距被測介質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換成物位信號，經過儀表內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表面，正下方不能設置障礙物。雷達液位計信號發射區域需避開劇烈攪動區域，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，以避開渦流區域。

2.3 適用范圍

雷達液位計應用于漿料、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，數字元件顯示清晰直觀，法蘭或螺紋接口便于后期維護。導波式雷達液位計對蒸汽和泡沫有很強的抑制能力，導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附著。非接觸式雷達液位計不接觸介質，后期維護工作簡易。高頻脈沖雷達液位計能在惡劣環境下工作，并可保持工作時的穩定性。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、入料會產生波動，雷達液位計會有少數虛假波信號輸出。

2.4 技術性能

泥漿罐雷達液位計技術性能如表2 所示。

表2 泥漿罐雷達液位計技術性能

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、固介質中傳播衰退較小，穿透能力強，泥漿是對光不透明的介質，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。從結構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射超聲波，聲波在泥漿罐內部傳播，當聲波遇被測介質表面時，聲波會沿著發射路徑進行反射，反射的聲波有部分被超聲波液位計接收，并通過電子器件轉換成電信號，依據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，安裝時必須預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面保持平行，發射裝置與被測介質之間不得有阻礙物，以保證測量的準確性。發射裝置不可安裝在入料口上方與強渦流區域，避免聲波遇到料物反射。不可貼罐體設備內壁安裝，確聲波被設備內壁反射會造成聲波無法接收。當泥漿罐較高時，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 數字式顯示，可以直觀、清晰地查看液位數據，智能信號處理可以更準確地實施測量，價格適中。傳感器探頭與內部無機械運動部件，采用非接觸式測量不易有介質的附著、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，泥漿會產生泡沫和波幅，當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，可加大發射功率或在泥漿罐中加裝導波管隔離泡沫以提高測量的準確性。

3.4 技術性能

泥漿罐磁翻柱液位計技術性能如表3 所示。

表3 泥漿罐超聲波液位計技術性能

4 結語

近年來，石油和地質勘探裝備逐漸走向高端市場，隨著鉆井技術的發展，石油鉆井工程對鉆機配套設備的性能、技術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、技術指標等，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 年廣東省科技創新戰略專項資金（“攀登計劃”專項資金，編號：pdjh2020a1392）。