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

摘 要：通過(guò)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(cè)量裝置，對(duì)該裝置進(jìn)行了一系列室內(nèi)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：所研制的測(cè)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(shí)在線測(cè)量，適合于鉆井現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量

鉆井液密度在線測(cè)量?jī)x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(shí)測(cè)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(zhǎng)、精度高、適用于現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高、測(cè)量密度范圍寬，尤其在相對(duì)惡劣的環(huán)境中受到影響較小，適合測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量；②可以測(cè)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(cè)量管振幅小，可視作非活動(dòng)件，測(cè)量管路內(nèi)無(wú)阻礙件，便于清洗；④多參數(shù)測(cè)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(dòng)體（元件）的振動(dòng)頻率與其密度間的關(guān)系。當(dāng)振動(dòng)管的幾何尺寸、形狀和材質(zhì)一定時(shí)，振動(dòng)頻率僅由振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量決定（見(jiàn)式（1）），而流經(jīng)振動(dòng)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(jiàn)式（2）），即密度變化將改變振動(dòng)管的固有振動(dòng)頻率；具體來(lái)說(shuō)，振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率和管內(nèi)流體密度的平方根成正比，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)頻率可得流體密度。

 （1）

 （2）

式中：f為振動(dòng)管內(nèi)有、無(wú)流體流過(guò)時(shí)的振動(dòng)頻率；k為由振動(dòng)模式?jīng)Q定的常數(shù)；E為振動(dòng)體彈性模量；I為振動(dòng)體倔強(qiáng)系數(shù)；m為振動(dòng)系統(tǒng)（包括振動(dòng)體與流體介質(zhì)）的質(zhì)量；ρ為流體密度；A為振動(dòng)管橫截面積；L為振動(dòng)管長(zhǎng)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(cè)量管形狀可分為彎曲形與直形，按測(cè)量管段數(shù)可分為單管型與雙管型，按雙管型測(cè)量管的連接方式可分為并聯(lián)型及串聯(lián)型，按測(cè)量管流動(dòng)方向和工藝管道流動(dòng)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(chǎng)環(huán)境2個(gè)方面，在線測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量裝置，其中緩沖器用于減小流體壓力波動(dòng)；背壓閥和脈動(dòng)阻壓器配合使用，減小流速波動(dòng)的峰值，保護(hù)流體對(duì)科里奧利流量計(jì)不產(chǎn)生壓力波動(dòng)的沖擊；科里奧利質(zhì)量流量計(jì)用于測(cè)量鉆井液密度，如圖1所示。

圖1 鉆井液密度在線測(cè)量裝置示意圖

4 鉆井液密度在線測(cè)量裝置性能測(cè)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(cè)試條件及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境（如溫度、工藝介質(zhì)壓力、管線振動(dòng)、機(jī)械應(yīng)力等）影響。對(duì)圖1所示的鉆井液密度在線測(cè)量裝置進(jìn)行一系列室內(nèi)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)，考察該裝置的精密度、準(zhǔn)確度、實(shí)時(shí)檢測(cè)能力及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試能力。

1）精密度評(píng)價(jià)　用鈉基膨潤(rùn)土配制1.03g/cm3的鉆井液進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，每秒鐘自動(dòng)記錄一個(gè)密度值，結(jié)果如圖2和表1所示。共測(cè)定7695個(gè)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(cè)量裝置的準(zhǔn)確度，將在線測(cè)量結(jié)果與常規(guī)鉆井液密度計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，并記錄鉆井液密度在線測(cè)量裝置一段時(shí)間的平均值，結(jié)果見(jiàn)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(cè)量方法的線性相關(guān)系數(shù)非常接近于1?？梢?jiàn)該測(cè)量裝置具有較高的準(zhǔn)確度。

表2 不同密度鉆井液在線測(cè)量與常規(guī)方法所得結(jié)果

3）實(shí)時(shí)檢測(cè)能力考察　圖4是鉆井液加重過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果。該儀器除了實(shí)時(shí)測(cè)量鉆井液的密度，還能實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，記錄間隔為1s。

圖3 2種測(cè)量方法密度測(cè)量值的線性關(guān)系

圖4 鉆井液密度在線測(cè)量裝置的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

使用研制出的鉆井液密度在線測(cè)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(chǎng)試驗(yàn)。首先建立鉆井液密度在線測(cè)量裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，然后從鉆井液振動(dòng)篩以后的鉆井液槽內(nèi)取樣，連續(xù)在線測(cè)試鉆井液的密度值，每隔30min用API規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯@井液在線測(cè)量密度與手動(dòng)測(cè)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(shí)顯示，連續(xù)記錄。

圖5 孤東7－33－斜更126井鉆井液現(xiàn)場(chǎng)密度測(cè)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(cè)量具有以下特點(diǎn)：

1）測(cè)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(shí)顯示，連續(xù)記錄，滿足鉆井液密度在線測(cè)量的需要。