高壓泥漿中使用彎管流量計(jì)測(cè)量的研究

何旸+雷鳴+劉曉麗+劉毅娟

摘 要：提出了一種使用彎管流量計(jì)的高壓泥漿測(cè)量方法，分析了技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)比了各種流量計(jì)的優(yōu)、缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)、制作出流量計(jì)后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)證明，在高壓泥漿中使用彎管流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量是可行、有效的。

關(guān)鍵詞：高壓泥漿；彎管流量計(jì)；石油鉆井；泥漿流量

中圖分類號(hào)：TH814 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.104

文章編號(hào)：2095-6835（2015）15-0104-01

在石油鉆井中，高壓泥漿（鉆井液）是石油鉆井工程中必不可少的組成部分，它一方面關(guān)系著能否快速、安全、優(yōu)質(zhì)地進(jìn)行鉆井；一方面，關(guān)系著油氣層的保護(hù)工作。在實(shí)際工作中，需要掌握進(jìn)出井筒的泥漿流量。而目前對(duì)進(jìn)入井筒的流量均采用間接測(cè)量法，即測(cè)量泥漿泵的沖次，再通過(guò)缸套直徑計(jì)算理論排量，進(jìn)而作為進(jìn)入井筒的排量。因此，在鉆井工程中，需要對(duì)進(jìn)出井筒的高壓泥漿流量進(jìn)行測(cè)量。

1 技術(shù)難點(diǎn)

高壓泥漿所處工業(yè)環(huán)境的壓力非常大，高達(dá)30 MPa，傳統(tǒng)流量計(jì)無(wú)法承受此壓力；泥漿含有大量固體顆粒，在高壓、高流速時(shí)會(huì)對(duì)管壁造成極大的磨損，選用的流量計(jì)必須耐磨損、耐沖刷；管道高壓下運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的震動(dòng)，因此，流量計(jì)要抗震，且能在震動(dòng)環(huán)境中長(zhǎng)期、正常運(yùn)行。

2 各類流量計(jì)的對(duì)比

2.1 孔板流量計(jì)

孔板流量計(jì)在全部流量計(jì)中的使用率占到了70%，主要是因?yàn)槠溟_發(fā)的時(shí)間較早且費(fèi)用低。但也存在不少缺點(diǎn)，比如壓力損失大、有很多不必要的動(dòng)力消耗、固體顆粒難以通過(guò)而造成管道內(nèi)截面變形和耐損性差等。

2.2 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是根據(jù)多普勒效應(yīng)設(shè)計(jì)的，在其一端可發(fā)射超聲波信號(hào)，由另一端接收，發(fā)射的同頻率信號(hào)在不同流速時(shí)的接收頻率不同。根據(jù)上述原理，可通過(guò)接收的信號(hào)反推出流速和流量。但超聲波流量計(jì)對(duì)安裝和現(xiàn)場(chǎng)工況都有限制，不能存在過(guò)大的工頻和變頻干擾。

2.3 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)的精度很高，可以測(cè)量非牛頓流體，但無(wú)法承受高壓泥漿的壓力。

2.4 彎管流量計(jì)

彎管流量計(jì)利用流體流過(guò)90°彎管時(shí)產(chǎn)生的離心力進(jìn)行測(cè)量，內(nèi)弧受到的壓力比外側(cè)小，從而可依據(jù)內(nèi)、外的壓力差計(jì)算流速和流量，且具有無(wú)節(jié)流件、耐磨損、耐高壓和抗震動(dòng)等特性，非常適合在高壓泥漿流量計(jì)算中應(yīng)用。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造

在高壓泥漿的實(shí)際應(yīng)用中，進(jìn)行流量計(jì)測(cè)量的最大難點(diǎn)是導(dǎo)壓管堵塞，因此，采用了隔離液導(dǎo)壓系統(tǒng)。隔離罐的上方連接了高靜壓差壓變送器，利用漏斗向系統(tǒng)內(nèi)部正、負(fù)壓側(cè)分別灌入硅油隔離液。

在對(duì)正壓側(cè)灌入隔離液時(shí)，根據(jù)U形管液面平衡原理，只需要打開差壓正壓側(cè)上方的排氣閥、關(guān)閉同一側(cè)的根部閥，再通過(guò)漏斗就可以一次性將導(dǎo)壓系統(tǒng)正壓側(cè)灌滿隔離液，操作方便。在運(yùn)行時(shí)，只要打開根部閥即可投入運(yùn)行。

由于泥漿的密度比硅油大，硅油的密度約為900 kg/m3，泥漿的密度約為1 000～1 300 kg/m3，所以，即使泥漿進(jìn)入隔離罐，也會(huì)積在其下方，不會(huì)對(duì)差壓變送器造成任何污染；同時(shí)，硅油與泥漿互不相溶，根部閥以上部分會(huì)始終保持純凈，密度不會(huì)變化，不會(huì)影響差壓精度。硅油凝固點(diǎn)在0 ℃以下，基本可保證流量計(jì)在冬季的正常運(yùn)行。

該彎管流量計(jì)的傳感器采用加厚不銹鋼，所有焊點(diǎn)經(jīng)全部探傷。差壓變送器選用日本原裝進(jìn)口品牌EJA-130A，精度為0.075%，耐壓為42 MPa。

流量計(jì)的主機(jī)表為液晶顯示，外加有防爆盒，精度在0.05%，可以根據(jù)測(cè)量場(chǎng)地的實(shí)際需求隨時(shí)更換所使用的軟件。

整體組裝在華北理工大學(xué)智能儀器廠進(jìn)行，先用水進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定，滿足該V形彎管流量計(jì)測(cè)量水介質(zhì)的精度為0.5%，之后拿到石油鉆井工地進(jìn)行泥漿實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)

通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的誤差變化是有規(guī)律的。在每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的誤差修正后，均對(duì)應(yīng)著一個(gè)流量系數(shù)，其會(huì)隨流速的提高而減小，逐漸趨于恒定值；隨著黏度的增加而增大。由此可見，流量系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)，隨著雷諾數(shù)的增大而逐漸減小，雷諾數(shù)增大到一定程度時(shí)，流量系數(shù)為恒定值。

實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的泥漿為常用泥漿，流量高于16 L/s時(shí)，流量系數(shù)接近恒定，為+1.4%和+1%，系數(shù)修正1%，流量計(jì)完全能保證1.0級(jí)精度。而正常使用的流量為18～30 L/s，因此，實(shí)驗(yàn)效果非常理想。

5 結(jié)束語(yǔ)

由以上研究可看出，在高壓泥漿中使用彎管流量計(jì)測(cè)量可達(dá)到較高的計(jì)量精度，能為鉆井生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、鉆井生產(chǎn)效率的提高提供有效的技術(shù)支持，拓寬了彎管流量計(jì)在工業(yè)應(yīng)用中的技術(shù)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]李玉柱，苑明順.流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998.

〔編輯：張思楠〕