新型非核非接觸密度計(jì)在固井和壓裂作業(yè)中的應(yīng)用

趙竹庭，木合塔爾·克力木，趙 輝，張 虎，喬增軍

新型非核非接觸密度計(jì)在固井和壓裂作業(yè)中的應(yīng)用

趙竹庭1，木合塔爾·克力木2，趙 輝3，張 虎4，喬增軍4

（1．蘭州非接觸測量研究所，蘭州730030；2．西部鉆探固井壓裂工程公司，新疆克拉瑪依834000；3．蘭州礦場機(jī)械有限公司，蘭州730070；4．新疆油田公司工程技術(shù)三分公司，新疆克拉瑪依834000）

準(zhǔn)確的密度測量對(duì)于油田固井和壓裂作業(yè)非常重要。固井水泥漿和壓裂液都含有大量的顆粒物質(zhì)，在高壓液體的攜帶下，細(xì)小的顆粒具有很強(qiáng)的沖刷和切削力量，對(duì)接觸式測量儀表的核心部件都具有很強(qiáng)的破壞性，甚至?xí)p壞儀表。研制了一種新型的不用核材料的非接觸測量裝置，作為井口數(shù)據(jù)的終端測量裝置應(yīng)用于油田密度、砂比、流量的測量。介紹了該裝置的結(jié)構(gòu)原理及在油田現(xiàn)場的應(yīng)用情況。

非核非接觸；密度計(jì)；流量計(jì)；固井；壓裂；直接測量

中石油在2009年頒布的《固井技術(shù)規(guī)范》中第九十七條要求：注水泥應(yīng)按設(shè)計(jì)連續(xù)施工，水泥漿密度應(yīng)保持均勻，平均密度與設(shè)計(jì)密度誤差不超過0．025 g／cm3；第九十八條要求：應(yīng)采用儀表計(jì)量和人工計(jì)量方式同時(shí)計(jì)量注替參數(shù)和數(shù)量并相互核對(duì)；第九十九條要求：應(yīng)采用固井壓力、排量、密度實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，連續(xù)監(jiān)控施工過程，為固井過程質(zhì)量評(píng)價(jià)創(chuàng)造條件［1］。但就目前的測量手段來說，暫時(shí)還沒有能在井口直接測量泥漿密度的產(chǎn)品，只能把水泥車上的車載密度計(jì)測量值作為施工最終參數(shù)記錄下來。假如有2臺(tái)或2臺(tái)以上水泥車同時(shí)往管匯里注水泥漿，那么井口最終水泥漿的密度就無法準(zhǔn)確得知了。只有在井口進(jìn)行最終的直接測量，才能獲得直接的、準(zhǔn)確的測量值。

密度計(jì)按照原理來分，可分為浮子式密度計(jì)、差壓式密度計(jì)、科氏力密度計(jì)、放射性核密度計(jì)等。在石油行業(yè)中，差壓式密度計(jì)、科氏力密度計(jì)、放射性核密度計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)中都有應(yīng)用，其中只有放射性核密度計(jì)能真正實(shí)現(xiàn)非接觸測量。固井水泥漿和壓裂液都含有大量的顆粒物質(zhì)，在高壓液體的攜帶下，細(xì)小的顆粒同樣具有很強(qiáng)的沖刷和切削力量，這對(duì)接觸式測量儀表的核心部件都具有很強(qiáng)的破壞性，甚至?xí)p壞儀表。而且這些接觸式測量儀表大都無法承受高壓，所以基本不能作為終端測量儀表來使用。

放射性核密度計(jì)具有非接觸、不受介質(zhì)特性影響、可以承受高壓、測量快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，但是測量時(shí)必須依靠放射性同位素作為測量源，雖然輻射當(dāng)量能滿足環(huán)保要求，但目前已經(jīng)基本不在油田現(xiàn)場使用了。

新疆油田公司和蘭州非接觸測量研究所聯(lián)合，在蘭州礦場機(jī)械有限公司的緊密配合下，經(jīng)過近10 a的攻關(guān)，研制生產(chǎn)出“丹斯帝”系列非核輻射、非接觸工業(yè)用（油田系列）高壓密度計(jì)、流量計(jì)，具有不接觸介質(zhì)、承受壓力高、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，完全能滿足固井和小型壓裂的終端測量要求。

1　技術(shù)分析

1．1測量原理［2-4］

不同密度的介質(zhì)在流經(jīng)一個(gè)固定電場時(shí)，會(huì)改變形成電場的電極之間的介電常數(shù)，介電常數(shù)的變化會(huì)直接反映在電極之間電容值的變化。依據(jù)Clausius-M ossotti方程，物質(zhì)的密度ρ和相對(duì)介電常數(shù)ε之間的關(guān)系為

式中：M為該物質(zhì)的極化率。

推導(dǎo)后為

研究表明，兩相流或三相流混合液中固相和水的極化率均為常數(shù)。所以密度的變化會(huì)反映在介電常數(shù)的變化上。

電容電極間介電常數(shù)與電容值之間的關(guān)系為

式中：ATC為電容器的結(jié)構(gòu)常數(shù)。兩式聯(lián)立得

由上可知，密度和傳感器的電容值建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以通過測量傳感器的電場中電極電容值的變化得到流體的密度。

1．2 傳感器結(jié)構(gòu)［5］

傳感器由不銹鋼制成的多層同心圓構(gòu)成，每層之間加有絕緣層，同心圓的單數(shù)層為1個(gè)電極，雙數(shù)層為1個(gè)電極，中間為測量通道，電極引出線為多層屏蔽線。如圖1所示。雙層屏蔽線采用整體屏蔽聯(lián)結(jié)，內(nèi)屏蔽層相互聯(lián)通與放大器電路板接地聯(lián)通，構(gòu)成等電位體，外層屏蔽層與傳感器外部金屬結(jié)構(gòu)聯(lián)通，并與傳輸電纜和二次表接地聯(lián)通，以此盡量降低耦合容抗對(duì)監(jiān)測的影響。

圖1　傳感器結(jié)構(gòu)

由于制造工藝的特殊性，每個(gè)傳感器最后形成的特性參數(shù)都略有不同，這就需要在出廠前進(jìn)行標(biāo)定。每個(gè)傳感器的標(biāo)定參數(shù)都不一樣，所以每個(gè)傳感器都有不同的部件號(hào)，以便在更換傳感器后按照對(duì)應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)調(diào)整二次表的系數(shù)。這樣就保證了傳感器具有互換性。

1．3 信號(hào)檢出電路

為了盡量縮短電極輸出線和前置放大器之間的距離，前置放大器電路集成在傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)，這樣既保證監(jiān)測的靈敏度［6］，也可以最大限度地降低干擾。根據(jù)M c H aled的研究，對(duì)于在線電容值的測量，具

體電路原理如圖2所示。

圖2　信號(hào)檢出電路原理

信號(hào)檢出電路原理框圖如3所示。

圖3　信號(hào)檢出電路原理

1．4 高抗噪濾波電路［7］

由于所能監(jiān)測到的信號(hào)非常微弱，還有分布電容和外界的干擾，為了能保證測量的效果，所以采用目前先進(jìn)的信號(hào)處理方法，即旋轉(zhuǎn)電容濾波方式。

旋轉(zhuǎn)電容濾波電路具有高速開關(guān)特性，它有很強(qiáng)的噪聲抑制能力。濾波電路主要由高性能Bi-F E T運(yùn)算放大器A D542和高速電子開關(guān)A D7510DIS Q構(gòu)成。具體電路如圖4所示。

圖4　高抗噪濾波電路

1．5 采樣整形電路［8］

經(jīng)過上述旋轉(zhuǎn)電容濾波后，信號(hào)就被整形成交流方波信號(hào)。為了便于測量和傳輸，需要把信號(hào)變成直流電壓信號(hào)，同時(shí)進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行抑制干擾處理。具體電路如圖5所示。

圖5　采樣整形電路

2　現(xiàn)場應(yīng)用

2．1 在固井水泥車上應(yīng)用

蘭州礦場機(jī)械有限公司制造的固井水泥車有二次回流混漿功能。利用“丹斯帝”密度計(jì)開發(fā)的自動(dòng)混漿控制系統(tǒng)，把測得的密度信號(hào)反饋到控制系統(tǒng)中，參與二次混漿的密度自動(dòng)控制，通過試驗(yàn)證明，密度計(jì)抗振動(dòng)性能比進(jìn)口的科氏力密度計(jì)還好，并且參數(shù)穩(wěn)定，滯后小。

具體過程如下：將“丹斯帝”D S T-M-2F型法蘭式密度計(jì)連接在回流管匯上，通徑為D N50（2英寸），使用前先用平衡式密度計(jì)測量出水泥漿密度，根據(jù)“丹斯帝”密度計(jì)液晶屏顯示數(shù)據(jù)，調(diào)整標(biāo)定系數(shù)，使顯示值和實(shí)際測量值一致，經(jīng)過2次標(biāo)定，“丹斯帝”密度計(jì)就可以正常投入使用了。經(jīng)過一段時(shí)間的多臺(tái)車的隨車使用，“丹斯帝”密度計(jì)具有測量準(zhǔn)確、無滯后現(xiàn)象、測量通道無障礙、不會(huì)堵塞、清洗容易的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)其原理可知，這款密度計(jì)產(chǎn)品抗震性能好，免維護(hù)，得到了用戶的肯定。

2．2 在壓裂混砂車上應(yīng)用

目前，大多數(shù)混砂車在測量砂比時(shí)都是采用計(jì)算法得到砂比，即用渦輪流量計(jì)測得清水流量，用脈沖計(jì)數(shù)法算出砂量，通過后臺(tái)計(jì)算出砂比。利用“丹斯帝”密度計(jì)開發(fā)的混砂車砂比＋液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，在混砂車上使用，解決了目前混砂車砂比無法直接測量的難題，把砂比信號(hào)引入砂比自動(dòng)控制回路，可以實(shí)現(xiàn)砂比自動(dòng)跟蹤及自動(dòng)控制，加上液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，大幅度提高了混砂車的品質(zhì)。

具體過程如下：在混砂車上，從混合罐用離心泵分離出混合液，通過“丹斯帝”密度計(jì)就可直接得到砂比讀數(shù)。

3　擴(kuò)展應(yīng)用

“丹斯帝”非接觸工業(yè)流量計(jì)是和密度計(jì)采用同一原理開發(fā)研制成功的，流量計(jì)和密度計(jì)可以輕松整合成一個(gè)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)密度、瞬時(shí)排量、累計(jì)排量的同時(shí)測量。

4　結(jié)論

1） 新型非核非接觸工業(yè)密度計(jì)突破目前的測量手段，實(shí)現(xiàn)了真正非接觸高壓介質(zhì)流量的測量。

2） 系統(tǒng)解決了密度、砂比、粒度、流量的直接測量難題，具有測量通道無障礙、不會(huì)堵塞、清洗容易的優(yōu)點(diǎn)。

3） 抗震性能好，免維護(hù)，可以承受高壓，并可作為井口數(shù)據(jù)的終端測量裝備。

［1］ 中國石油天然氣集團(tuán)公司．固井技術(shù)規(guī)范［S］．2009．

［2］ 李興華．密度測量與應(yīng)用［J］．中國計(jì)量，1999（3）：54-55．

［3］ 江芋葉，張鵬．漿態(tài)電容式密度計(jì)及液位計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究［J］．低溫與超導(dǎo)，2010，38（5）：19-23＋30．

［4］ M c H ale．Capacitively coupled magnetic flow meter：U S，451624［P］．1996-10-26．

［5］ 李斌，姚駿．一種集成式漿體濃度流量傳感器：中國，02217816［P］．2002-05-30．

［6］ 曾慶勇．微弱信號(hào)檢測［M］．杭州：浙江大學(xué)出版社，1994．

［7］ 萬力．基于正弦波勵(lì)磁的電容式電磁流量計(jì)的研制［D］．成都：電子科技大學(xué)，2008．

［8］ 張小章．基于流動(dòng)電磁測量理論的流場重建［J］．計(jì)量學(xué)報(bào)，1998（1）：40-44．

New Non-nuclear and Non-contact Density M eter in Cementing and Fracturing Application

ZHAO Zhuting1，MUHETAER·Kelimu2，ZHAO Hui3，ZHANG Hu4，QIAO Zengjun4
（1.Lanzhou Institute of N on-contact M easurement，Lanzhou730030，China；2.Cementing and Fracturing Engineering Com pany，CCDC，K ara m ay834000，China；3.Lanzhou Oil Field M achinery Co.，Ltd.，Lanzhou730070，China；4.Engineering and Technology Third Branch，Xinjiang Oilfield Com pany，K ara m ay834000，China）

The accurate density measurements are very im portant for oilfield cementing and fracturing operations．Cementing slurries and fracturing fluids contain large a m ounts of particulate matter，in carrying liquid under high pressure，small particles with strong erosion and cutting power to the core co m ponents of the instru ment-contact measurement are highly destructive，even da mage the meter．A new type of nuclear materials without non-contact measurement device was developed，as the terminal data wellhead measuring device was used to measure the density of oil，sand ratio，and flow．T he principle structure of the device and application in the field Oilfield is introduced in this paper．

non-nuclearandnon-contact；densito meter；flow meter；cementing；fracturing；direct measurement

T E937

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．021

1001-3482（2015）01-0089-04

2014-10-12

趙竹庭（1940-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事非接觸測量研究。