科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在鉆井液密度在線測量中的應(yīng)用

摘 要：通過優(yōu)選科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，設(shè)計(jì)和選擇相關(guān)輔助設(shè)備并組裝成鉆井液密度在線測量裝置，對該裝置進(jìn)行了一系列室內(nèi)測試和現(xiàn)場評價。結(jié)果表明：所研制的測量裝置具有良好的精密性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，可實(shí)現(xiàn)鉆井液密度的實(shí)時在線測量，適合于鉆井現(xiàn)場使用。

關(guān)鍵字：科里奧利質(zhì)量流量計(jì) 鉆井液 密度 在線測量

鉆井液密度在線測量儀器的選型應(yīng)充分考慮到鉆井液腐蝕、磨蝕、懸浮固體顆粒的沉積、結(jié)垢等各種因素，必須保證實(shí)時測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，要求具有可靠性高、壽命長、精度高、適用于現(xiàn)場惡劣環(huán)境等特點(diǎn)。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高、測量密度范圍寬，尤其在相對惡劣的環(huán)境中受到影響較小，適合測量現(xiàn)場鉆井液密度。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①真正實(shí)現(xiàn)了高精度的直接質(zhì)量流量測量；②可以測量的流體介質(zhì)范圍廣，包括高粘度液體、含有固體物的漿液、高壓高密度氣體；③測量管振幅小，可視作非活動件，測量管路內(nèi)無阻礙件，便于清洗；④多參數(shù)測量（質(zhì)量流量、密度、溫度）。諸多優(yōu)點(diǎn)使其成為最有前途的直接式質(zhì)量流量計(jì)。

1 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)工作原理

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的工作原理都是基于振動體（元件）的振動頻率與其密度間的關(guān)系。當(dāng)振動管的幾何尺寸、形狀和材質(zhì)一定時，振動頻率僅由振動系統(tǒng)的質(zhì)量決定（見式（1）），而流經(jīng)振動管內(nèi)的一定容積的流體質(zhì)量則是由其密度大小決定（見式（2）），即密度變化將改變振動管的固有振動頻率；具體來說，振動系統(tǒng)的振動頻率和管內(nèi)流體密度的平方根成正比，通過測量振動頻率可得流體密度。

 （1）

 （2）

式中：f為振動管內(nèi)有、無流體流過時的振動頻率；k為由振動模式?jīng)Q定的常數(shù)；E為振動體彈性模量；I為振動體倔強(qiáng)系數(shù)；m為振動系統(tǒng)（包括振動體與流體介質(zhì)）的質(zhì)量；ρ為流體密度；A為振動管橫截面積；L為振動管長度。

2 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)選型

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)形式多樣，按測量管形狀可分為彎曲形與直形，按測量管段數(shù)可分為單管型與雙管型，按雙管型測量管的連接方式可分為并聯(lián)型及串聯(lián)型，按測量管流動方向和工藝管道流動方向布置方式可分為平行方式及垂直方式。兼顧流體介質(zhì)（鉆井液特性）和鉆井現(xiàn)場環(huán)境2個方面，在線測量系統(tǒng)選擇雙管串聯(lián)型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。

3 鉆井液密度在線測量裝置的研制

以優(yōu)選后的科科里奧利質(zhì)量流量計(jì)作為鉆井液密度在線測量的儀表，設(shè)計(jì)和選擇其余部件，研制出鉆井液密度在線測量裝置，其中緩沖器用于減小流體壓力波動；背壓閥和脈動阻壓器配合使用，減小流速波動的峰值，保護(hù)流體對科里奧利流量計(jì)不產(chǎn)生壓力波動的沖擊；科里奧利質(zhì)量流量計(jì)用于測量鉆井液密度，如圖1所示。

圖1 鉆井液密度在線測量裝置示意圖

4 鉆井液密度在線測量裝置性能測試

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中受到自身材質(zhì)、測試條件及現(xiàn)場環(huán)境（如溫度、工藝介質(zhì)壓力、管線振動、機(jī)械應(yīng)力等）影響。對圖1所示的鉆井液密度在線測量裝置進(jìn)行一系列室內(nèi)測試和現(xiàn)場評價，考察該裝置的精密度、準(zhǔn)確度、實(shí)時檢測能力及現(xiàn)場測試能力。

1）精密度評價　用鈉基膨潤土配制1.03g/cm3的鉆井液進(jìn)行循環(huán)測試，每秒鐘自動記錄一個密度值，結(jié)果如圖2和表1所示。共測定7695個點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到平均值為1.030g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.0031g/cm3。

圖2 用密度1.03g/cm3的鉆井液檢驗(yàn)儀器的精密度試驗(yàn)結(jié)果

表1 用密1.03g/cm3的鉆井液檢驗(yàn)的置信區(qū)間與置信度

2）準(zhǔn)確度檢驗(yàn)　為了檢驗(yàn)測量裝置的準(zhǔn)確度，將在線測量結(jié)果與常規(guī)鉆井液密度計(jì)測量結(jié)果進(jìn)行對比。首先配制具有一定凝膠強(qiáng)度的鉆井液，分次加入一定量重晶石，待穩(wěn)定后用API規(guī)定的鉆井液密度測量方法進(jìn)行測量，并記錄鉆井液密度在線測量裝置一段時間的平均值，結(jié)果見表2。不難看出，二者誤差在0.01g/cm3以內(nèi)；另外從圖3中可以看出，2種測量方法的線性相關(guān)系數(shù)非常接近于1。可見該測量裝置具有較高的準(zhǔn)確度。

表2 不同密度鉆井液在線測量與常規(guī)方法所得結(jié)果

3）實(shí)時檢測能力考察　圖4是鉆井液加重過程的實(shí)時檢測結(jié)果。該儀器除了實(shí)時測量鉆井液的密度，還能實(shí)時測量溫度，記錄間隔為1s。

圖3 2種測量方法密度測量值的線性關(guān)系

圖4 鉆井液密度在線測量裝置的實(shí)時檢測結(jié)果

5 現(xiàn)場測試

使用研制出的鉆井液密度在線測量裝置樣機(jī)在勝利油田孤東7－33－斜更126井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。首先建立鉆井液密度在線測量裝置現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，然后從鉆井液振動篩以后的鉆井液槽內(nèi)取樣，連續(xù)在線測試鉆井液的密度值，每隔30min用API規(guī)定的方法進(jìn)行測定對比，結(jié)果見圖5。可以看出，鉆井液在線測量密度與手動測量密度結(jié)果基本一致，誤差不大于0.01g/cm3；另外，鉆井液的密度變化均能實(shí)時顯示，連續(xù)記錄。

圖5 孤東7－33－斜更126井鉆井液現(xiàn)場密度測量結(jié)果

6 結(jié)論

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用于鉆井液密度在線測量具有以下特點(diǎn)：

1）測量范圍大，0.20～3.50g/cm3。

2）精密度高，標(biāo)準(zhǔn)偏差≤0.0031g/cm3。

3）準(zhǔn)確度好，與API規(guī)定的鉆井液密度計(jì)相比誤差不大于0.01g/cm3。

4）鉆井液的密度變化均能實(shí)時顯示，連續(xù)記錄，滿足鉆井液密度在線測量的需要。