鉆井液出口流量的精確測量研究

王會永

鉆井液出口流量的精確測量研究

王會永

（中原油田鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001）

鉆井液出口流量的精確測量是鉆井工程中一個(gè)難題，為解決這一問題，本研究避開了對流體物理特性和流動特性進(jìn)行研究的傳統(tǒng)方法，提出用謝才公式法對出口流量進(jìn)行理論分析和計(jì)算。通過對管內(nèi)流體液面的高度和管道內(nèi)壁的粗糙度以及管道的坡度等參數(shù)進(jìn)行測量，推導(dǎo)得出鉆井液出口流量計(jì)算公式。在此公式中，管道坡度和粗糙度可以通過測量和計(jì)算得出，因此，流量計(jì)算公式中只有液面高度一個(gè)變量。理論驗(yàn)證表明，流量與液面高度成近似線性關(guān)系，這一近似的線性關(guān)系，為出口流量計(jì)算提供了理論依據(jù)，只要能夠精確測量到管內(nèi)的液面高度就可以實(shí)現(xiàn)出口流量的精確計(jì)算。

短管道；謝才公式；出口流量；精確測量；液面高度

鉆井工程中，鉆井液的組成特性不適合用常規(guī)流量計(jì)進(jìn)行測量，同時(shí)鉆井液從井口管道流入泥漿池，流動狀態(tài)復(fù)雜，既有層流也有紊流，難以用常規(guī)流體測量手段進(jìn)行測量。本文介紹的謝才公式法，避開了對流體組成成分和流動特性的研究和分析，實(shí)現(xiàn)了對鉆井液流量的精確測量。

1　系統(tǒng)總體方案

鉆井液中混雜著泥沙、石塊等固態(tài)物質(zhì)，成分復(fù)雜，流動特性不穩(wěn)定，不能使用接觸式流量計(jì)對流量進(jìn)行精確測量。為此，采用謝才公式法對流體進(jìn)行分析研究，通過測量管道坡度H、管道長度L、管道半徑r、管內(nèi)壁粗糙度n、液體在管道內(nèi)的液面高度h等參數(shù)，計(jì)算得出管道內(nèi)的流體流量。在現(xiàn)場應(yīng)用中，管道長度、管道半徑、管道坡度、管道內(nèi)壁粗糙度等這幾個(gè)參數(shù)屬于常量，因此，只要能測得液體在管內(nèi)高度這一變量，就能測得液體在管內(nèi)的流量?；谏鲜龇治?，筆者提出了如圖1所示測量方案。本方案用超聲波傳感器測量管內(nèi)液位高度，通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的讀取和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對鉆井液出口流量的精確測量，圖中H是管端高度差，L是管的長度。

圖1　測量方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of the measurement scheme

2　系統(tǒng)原理

鉆井液從井口經(jīng)過管道流入泥漿池，流入管道時(shí)屬于溢流狀態(tài)，流入速度可以假設(shè)為零，流體在管內(nèi)能夠流動的能量，來自于重力勢能，因此可以適用明流渠（短管道）流體的方法來分析。在管道內(nèi)流體的流動存在沿程損失hf和局部損失hw，工程界習(xí)慣采用謝才經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算沿程水頭損失。謝才公式是法國工程師謝才（A.de Chézy）在1769年對明渠均勻流進(jìn)行研究得出的斷面平均流速v與水力坡度的經(jīng)驗(yàn)公式。其公式為：

式中v為斷面平均流速 （m/s）；R=A/PW為水力半徑（m），A為過水?dāng)嗝婷娣e，Pw為濕周（水流與固體邊界接觸部分的周長）；J=hf/L為水力坡度，hf為流段L內(nèi)的沿程水頭損失；C為謝才系數(shù)（m/s）。以上公式可推導(dǎo)出謝才公式的另一形式為：

曼寧公式（R.Manning）為：

C=（1/n）R（1/6）

R為水力半徑；n為衡量壁面粗糙情況的綜合性系數(shù)，稱為糙率或粗糙系數(shù)。

巴普洛夫斯基公式為：

C=（1/n）Ry

對于一般管道和人工渠道，糙率n主要決定于壁面粗糙突起物的大小、形狀和分布，應(yīng)經(jīng)實(shí)測并計(jì)算確定.計(jì)算公式為：

對于均勻流，測出某一流段的R、J、v值，即可確定該流段的n值。對于緩變非均勻流，n值可用流段的R、J、v的平均值來確定。

式中：K為校正系數(shù)；C為管道的謝才系數(shù)；A為過流面積；T為計(jì)時(shí)時(shí)間，R為水力半徑；J為水力坡度。

如果高架槽的內(nèi)壁管徑為r，流體在管內(nèi)的高度為h，管內(nèi)壁粗糙度為n，管子入口高度為H1，出口高度為H2，管長為L，則流量公式為：

3　數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場應(yīng)用中，測得管道半徑R=12cm，管道高度差H1-H2=4m，管道長度L=15m，管道內(nèi)壁粗糙度n= 0.044，時(shí)間T=60s，根據(jù)流量公式計(jì)算出流量及其對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)值如表1所示。

表1　流量及相關(guān)參數(shù)值Tab.1 Flow and related parameter values

圖2　參數(shù)曲線圖Fig.2 Parameter curve

從上面的分析可以得出結(jié)論：流體的流量Q和液面高度h成近似的線性關(guān)系。

由于流體性質(zhì)的變化，比如黏稠度的增大，會使得流體的速度減緩，而此時(shí)造成的現(xiàn)象就是流體擁堵，液面高度的增大。數(shù)據(jù)分析顯示，液面高度增大到半管附

近值后，流體速度減小。流速的減小，造成單位時(shí)間內(nèi)的流量減小，但由于流體的截面積也隨之增大，從而又使得流體單位時(shí)間內(nèi)流量變大。最終的變化結(jié)果，使流量的變化還是隨著流體高度的變化近似線性變化［6］。

4　結(jié)語

通過上面的理論數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)流量Q和液面高度h成近似的線性關(guān)系。該方案避開了密度的參數(shù)測量、溫度的影響及高架槽內(nèi)流體的不穩(wěn)定性等因素，通過準(zhǔn)確測量流體高度h和管壁的粗糙度n，用公式準(zhǔn)確計(jì)算出流體流量Q。

在鉆井工程中，我們能夠根據(jù)泥漿泵參數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算出流體的入口流量，因此可以用入口流量的值對出口流量進(jìn)行線性校正，得到校正系數(shù)K，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的鉆井液出口流量的測量。這種測量方式避開了對鉆井液本身的物理特性變化和流體流動復(fù)雜性的研究，為鉆井液出口流量精確測量找到一種新的方法，為鉆井工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)井涌、井漏提供了技術(shù)支持。

［1］ 清華大學(xué)水力學(xué)教研組.水力學(xué)［M］.北京：人民教育出版社，1980.

［2］ 天津大學(xué)水力學(xué)及水文學(xué)教研室.水力學(xué)［M］.北京：人民教育出版社，1975.

［3］何文學(xué).水力學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，2013.

［4］ 日本機(jī)械學(xué)會.機(jī)械技術(shù)手冊［K］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

［5］李家星趙振興.水力學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2001.

［6］ 楊章偉.office 2013應(yīng)用大全［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

Precise measurement of drilling fluid outlet flow

WANGHui-yong
（DrillingEngineeringTechnologyInstitute ofZPEB，Puyang457001，China）

The precise measurement of drilling fluid outlet flow is a difficult problem in drilling engineering.In order to solve this problem，this paper avoided the traditional method to study the fluid physical properties and flow characteristics，proposed using Chézy formula method for theory analysis and calculation on the outlet flow. According to measure the height of the liquid and pipe roughness and the pipe slope and other parameters，we can deduce the calculation formula of drilling fluid outlet.In this formula，the pipeline slope and roughness can be obtained by measurement and calculation，therefore，the liquid height is the only variable in this formula.The theory shows that，flow and liquid level height have approximate linear relationship，which provided a theoretical basis for the calculation of the outlet flow.As long as to accurately measure the height of the liquid level in the flow tube，we can performance a precise calculation ofliquid export flow.

Short pipeline；Chézyformula；The outlet flow；Accurate measurement；The height ofliquid level

TE242

A

1674-8646（2015）04-0006-03

2015-03-19

王會永（1974-），男，山東萊蕪人，碩士，工程師，從事鉆井儀表研究。