一種可測揮發(fā)性液體的耐腐蝕黏度計的設計與研究

高通,王琪,趙建剛，魏瑞，賀云超，劉斌

一種可測揮發(fā)性液體的耐腐蝕黏度計的設計與研究

高通1,王琪1,趙建剛1，魏瑞1，賀云超1，劉斌2

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.青海油田誠信服務公司，甘肅 敦煌 736202)

黏度計廣泛應用于測量鉆井液、完井液和壓裂液等樣品的黏度。由于鉆井液、壓裂液等樣品成份復雜，有些樣品含有可揮發(fā)的腐蝕性成份，如用于對壓裂液進行破膠測試時，樣品中常會含有鹽酸、土酸等腐蝕性比較強的成份。在測試這類樣品的黏度時，現(xiàn)有的常規(guī)黏度計，包括進口儀器在內(nèi)，都沒有設計防腐功能，導致包括彈簧、軸承在內(nèi)的測試系統(tǒng)部件在測試過程中受腐蝕而損壞，造成儀器使用壽命極短，無法正常使用。為了克服這一技術性難題，有必要研制可以測試含揮發(fā)性腐蝕氣體樣品黏度的耐腐蝕性黏度計。 本文介紹了我們研制的一款可以測試含揮發(fā)性腐蝕氣體樣品黏度的耐腐蝕性黏度計的工作原理和性能指標，經(jīng)過實驗和對比驗證，證明該耐腐蝕性黏度計具有耐腐蝕性良好和測量精度高等優(yōu)點。

腐蝕；密封；黏度計；單片機；揮發(fā)性

1 概述

隨著常規(guī)油氣田開采的不斷深入，非常規(guī)油氣領域的開采越來越受到人們的廣泛關注，為了提高致密油氣井等低產(chǎn)油氣井的產(chǎn)量，需要對生產(chǎn)井段進行壓裂，有的需要進行分段壓裂。對生產(chǎn)段進行壓裂后，需要向壓裂段注入破膠液進行破膠，以便清除滯留于裂縫中的黏稠的壓裂液，破膠液中多含有鹽酸等具有揮發(fā)性的腐蝕成份。要測定破膠液對壓裂液的破膠效果，需要使用黏度計測定壓裂液在加入破膠液后黏度的變化過程，常規(guī)黏度計無法完成這類樣品的黏度測定。首先，會腐蝕測試部分，如外筒和內(nèi)筒；其次，測試液體(尤其是易揮發(fā)的樣品)有可能腐蝕儀器測試黏度系統(tǒng)的精密彈簧和軸承，導致測試結果誤差大，并且導致黏度計很快損壞而無法使用。

所以，設計一種耐腐蝕黏度計，可以解決測定腐蝕性樣品黏度時易損壞測試儀器的問題，拓寬了黏度計的使用領域，具有很高的科研價值和很好的市場前景。本文介紹的耐腐蝕黏度計，是一款耐腐蝕、智能化、高精度、重復性好的黏度計，主要用于測量具有比較強腐蝕性樣品的黏度測定，也可用于常規(guī)鉆井液、黃原膠等添加劑的黏度測量，測量準確度與美國進口的Fann 35A型和OFI 900型黏度計一致。

2 設計思路和研究內(nèi)容

2.1 測試工藝和整機結構的設計

本黏度計按照相關的行業(yè)標準[1-2]，設計成同軸旋轉體傳感系統(tǒng)的黏度計。當外筒以一定轉速旋轉時，帶動位于外筒和內(nèi)筒之間的樣品一起旋轉，樣品具有一定的黏度，就會帶動內(nèi)筒旋轉。由于內(nèi)筒與特殊設計的扭力彈簧相連，所以內(nèi)筒在轉過一定角度后，旋轉樣品傳給內(nèi)筒的扭矩與扭力彈簧提供的反扭矩相平衡，內(nèi)筒就停在某一角度不動了。通過與內(nèi)筒相連接的刻度盤及指針即可讀出樣品的黏度，也可通過角位移傳感器，將旋轉角度轉換成數(shù)字信號傳給以單片機為核心的控制系統(tǒng)，進行數(shù)字顯示或記錄，單片機控制系統(tǒng)可以控制外筒以不同的速度旋轉，從而測量樣品在不同轉速下的黏度特性。該設計具有外觀小巧，便于攜帶，且有獨特的防樣品爬桿結構設計優(yōu)點。

1.放大視窗；2.扭矩彈簧；3.指示盤；4.耐腐蝕軸承；5.迷宮式密封；6.內(nèi)筒；7.外筒；8.底盤；9.電機；10.皮帶輪。

2.2 高精度轉速驅動控制

與普遍使用的傳統(tǒng)黏度計相比較，該黏度計選用集成式微步進驅動一體化電機(見圖2)，極大地提高了速度的可選范圍、速度的精度和可調(diào)速度的分辨率。該電機具有20種微步分辨率，既可以進行低速控制，最低轉速0.01 r/min，也可以進行最高1000 r/min的平滑運轉；電源范圍寬可在+12～+75 VDC之間任意選擇；脈沖時鐘頻率可以從0～5 MHz設定，并且最低可以0.59 Hz的增量變化。該電機的電機運行/保持電流、微步分辨率、加速/減速、初始速率和最大速率、保持電流延遲時間/電機穩(wěn)定延遲時間、輸入時鐘信號濾波器等參數(shù)都可以通過一條專用電纜與計算機通訊，由專用軟件進行設置。

圖2 微步進驅動一體化電機

控制電機轉動的電機時鐘信號源采用高精度DDS技術進行設計，其主要基于ADI公司AD9850高速直接數(shù)字頻率合成芯片，設計高精度信號源，實現(xiàn)轉速控制?？刂齐娐钒逡妶D3，技術參數(shù)見表1。

2.3 防腐蝕迷宮式外筒設計

為了防止在測試時揮發(fā)性液體揮發(fā)，對外筒進行了封閉式設計，樣品經(jīng)由注射孔注入，外筒上部設計有非接觸式油封，可以杜絕揮發(fā)性氣體和液體的上升，避免其對傳動部分造成的腐蝕破壞。迷宮式的整體結構設計具有易于安裝、防水防塵、密封效果好、使用壽命長的特點，見圖4。

圖3 DDS硬件電路板

最高工作頻率/MHz125輸出頻率范圍/MHz0～60頻率控制字/bit32頻率分辨率/Hz0 029(125MHz時鐘)功耗/mW155輸出模擬正弦波溫度范圍/℃-40～+85

1.迷宮式密封；2.注液孔。

2.4 硬件電路的設計

黏度計的硬件控制電路需要在以單片機為控制核心的小型微電腦系統(tǒng)上實現(xiàn)對電機的速度控制、速度值LED顯示等功能，其中速度控制包括掃頻電路的設計、鍵盤掃描電路設計和數(shù)字開關的識別電路設計，見圖5。

圖5 速度顯示和數(shù)字開關電路

3 樣機實驗測試與結果

為了驗證儀器的重復性和準確度，按照相關測試標準，對樣機進行了實驗測試，測試環(huán)境為標準實驗室配置，環(huán)境溫度26℃；測試材料為標準硅油、多種泥漿樣品和壓裂液；其他實驗器具：量杯、天平、標準溫度計、秒表、高速攪拌機、光電轉速表等。由實驗測試數(shù)據(jù)和結果表明，該黏度計不僅可以滿足測試揮發(fā)性液體的要求，在測量的準確度和精度上也完全達標，表2、表3為部分測試數(shù)據(jù)。

表2 300 mPas標準硅油測試

表2 300 mPas標準硅油測試

轉速/r?min-1直讀值計算黏度值/mPa·s32 9290 03029 5295 06059 5297 510099 0297 0200197 5295 0300296 5296 5600超出量程—

注：測溫度24.5 ℃，對應標準黏度296.2 mPa·s。

4 結論

本文介紹的耐腐蝕黏度計是能自動測量流體黏度的數(shù)顯黏度計。該儀器不僅能夠測量含可揮發(fā)腐蝕性成份樣品的黏度，同時轉速控制精度高，黏度測量誤差小，相對誤差在0.5%以內(nèi)，可自校準，有12個固定轉速，也可手動無級調(diào)速；表盤黏度直讀，使用方便、快捷，數(shù)據(jù)可以同進口儀器相比對；設計簡單易用，便于維護，測量結果穩(wěn)定，測試量程寬，應用范圍廣泛，值得進行大范圍推廣和使用。

表3 海水 + 3HAB + 2Flo + 0.2%XC + 3%KCl

[1] GB/T 16783.1—2006, 石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場測試[S].

[2] API RP 13B-1—2009, 水基鉆井液現(xiàn)場測試的標準程序[S].

[3] 楊振杰, 劉志坤, 張振活. 鉆井液工藝學 [M]. 北京:石油工業(yè)出版社, 2010.

[4] Gebhard Schramm. 實用流變測量學[M]. 李曉暉, 譯. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1998.

2017-01-05

高通(1989-)，男，安徽阜陽人，地球探測與信息技術專業(yè)，北京探礦工程研究所儀器研發(fā)中心助理工程師，從事鉆井液測試儀器研究，Tel：010-82321596，E-mail：gtzhengnengliang@163.com。

TE357，P634.6

A

1009-282X(2017)01-0021-03