雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置

羅云鳳， 劉保雙， 王忠杰， 藍(lán)強(qiáng)

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017）

鉆井液性能在鉆井過(guò)程中起著舉足輕重的作用，目前在現(xiàn)場(chǎng)主要采用人工測(cè)定的方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，消耗大量人工，而且還可能由于熟練程度，導(dǎo)致不同測(cè)量人員所測(cè)結(jié)果差異較大，因此，有必要對(duì)鉆井液進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量，以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，勝利石油工程公司鉆井工藝研究院在2010年前后開(kāi)始著手進(jìn)行鉆井液性能在線(xiàn)測(cè)量研究，并在黏度、濾失量、固含量方面取得一些進(jìn)展[1-4]。近年來(lái)，開(kāi)始研究密度在線(xiàn)測(cè)量模塊，在鉆井過(guò)程中，鉆井液的密度需要根據(jù)地層平衡壓力和地層構(gòu)造應(yīng)力的需要而進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整。合理的鉆井液密度可以防止井噴或鉆井液漏失，抑制或降低井壁坍塌的可能性，因此對(duì)鉆井液密度進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)非常重要。本課題組前期研制了鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置[2]，但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中遇到了井場(chǎng)的振動(dòng)干擾、密度計(jì)的振動(dòng)對(duì)其它傳感器的影響、流量變化對(duì)密度計(jì)的精度有一定的影響、氣體的泵入對(duì)鉆井液密度測(cè)量的影響等問(wèn)題，結(jié)合這些問(wèn)題對(duì)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，形成了雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該裝置的測(cè)試數(shù)據(jù)精密度高、準(zhǔn)確度好，在使用范圍內(nèi)不受溫度、流速的影響[1-3]。

1 雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

針對(duì)井場(chǎng)應(yīng)用的問(wèn)題，對(duì)減震底座進(jìn)行了調(diào)整，加厚了石棉層，同時(shí)采用軟管來(lái)連接振動(dòng)管密度計(jì)，這就能大大減少儀表之間的相互振動(dòng)影響；另外，使用恒流泵以解決流量不穩(wěn)定對(duì)密度測(cè)量的影響，最后采用雙壓力振動(dòng)管的結(jié)構(gòu)來(lái)消除氣體對(duì)密度測(cè)量的影響[5-11]。雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)原理圖

雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置包括密度傳感器、壓力傳感器、壓力調(diào)節(jié)閥和連接管線(xiàn)，整個(gè)裝置可以分為2個(gè)獨(dú)立的測(cè)量單元，每個(gè)測(cè)量單元均包含密度傳感器、壓力傳感器和壓力調(diào)節(jié)閥，同時(shí)又通過(guò)管線(xiàn)將2個(gè)測(cè)量單元依次連接。

2 在線(xiàn)測(cè)量裝置的測(cè)量原理

從雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)圖可以看出，測(cè)量時(shí)，鉆井液經(jīng)恒流泵泵入到測(cè)量裝置中，分別獲得2個(gè)測(cè)量單元中的壓力和密度值，這樣就可以利用氣體方程修正除去氣體的影響，從而計(jì)算得出真實(shí)的流體密度，修正計(jì)算過(guò)程如下。

當(dāng)測(cè)量壓力為P1時(shí)，流體密度可計(jì)算為：

當(dāng)測(cè)量壓力為P2時(shí)，流體密度可計(jì)算為

式中：P1為1號(hào)壓力傳感器顯示的壓力，P2為2號(hào)壓力傳感器顯示的壓力，kPa；ρ1為1號(hào)密度傳感器測(cè)試的密度，ρ2為2號(hào)密度傳感器測(cè)試的密度，g/cm3；Vm為鉆井液的固液相體積，cm3；ρm為鉆井液的真實(shí)密度，g/cm3；Vg1為壓力為P1時(shí)侵入鉆井液中的氣體體積，Vg2為壓力為P2時(shí)侵入鉆井液中的氣體體積，cm3；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kPa；Vg0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的氣體體積，cm3。由于在相同溫度下，氣體方程為：

由氣體方程可以得出：

將式（4）、（5）分別代入式（1）、（2）中，得出：

由式（6）、（7）可得出：

再將（8）代入式 （6）后，得出鉆井液的密度值為：

式中：ρm為鉆井液的密度值，g/cm3；P1為1號(hào)壓力傳感器顯示的壓力，P2為2號(hào)壓力傳感器顯示的壓力，kPa；ρ1為1號(hào)密度傳感器測(cè)試的密度，ρ2為2號(hào)密度傳感器測(cè)試的密度，g/cm3。通過(guò)式（9）看出，可以通過(guò)儀器測(cè)量得到的含氣流體的壓力和密度值，從而推算出實(shí)際的鉆井液密度值。

3 在線(xiàn)測(cè)量裝置的室內(nèi)研究

3.1 穩(wěn)定性

為測(cè)量?jī)x器的精密度， 用清水打入雙壓力振動(dòng)管，鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置中進(jìn)行測(cè)試，持續(xù)時(shí)間8 h，共進(jìn)行密度測(cè)試475次，如圖2所示。計(jì)算出密度平均值為0.994 g/cm3， 標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.000 2 g/cm3。由圖2可知，該儀器測(cè)量值的穩(wěn)定性能良好。

圖2 鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置的測(cè)量穩(wěn)定性

3.2 準(zhǔn)確度

在進(jìn)行準(zhǔn)確度的驗(yàn)證時(shí)，使用清水加甲酸鈉配制成不同密度的流體，每次調(diào)整密度后都同時(shí)使用雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置和傳統(tǒng)鉆井液密度計(jì)來(lái)測(cè)量流體的密度值[12-16]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，對(duì)密度范圍在0.9～1.25 g/cm3之間的流體進(jìn)行了10次測(cè)量，對(duì)比可看出，在密度較低的情況下（小于1.15 g/cm3時(shí)），誤差范圍在0～0.002 g/cm3之間，儀器的準(zhǔn)確度高；在密度稍大點(diǎn)后，誤差范圍稍有增加。但總體來(lái)說(shuō)，在所測(cè)密度范圍內(nèi)，2種方法的測(cè)量誤差不超過(guò)0.003 g/cm3，說(shuō)明該儀器的準(zhǔn)確度很好。

表1 振動(dòng)管密度計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度

3.3 在線(xiàn)測(cè)量裝置受溫度的影響分析

在鉆井過(guò)程中，鉆井液的溫度是不斷變化的，這就需要儀器具有較好的抗溫度干擾能力，對(duì)此，用螺桿泵通過(guò)雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置循環(huán)清水，用加熱管不斷提高鉆井液的溫度，用建立的鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置測(cè)量鉆井液的密度，同時(shí)用溫度計(jì)連續(xù)測(cè)量流體的溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，在近1.5 h的測(cè)量過(guò)程中，先對(duì)流體加熱使溫度升高，隨著溫度升高，所測(cè)流體的密度值降低；恒溫時(shí)，密度測(cè)量變化不大；隨后冷卻流體使溫度降低，流體的密度測(cè)量值又隨之增高；研制的雙壓力振動(dòng)管密度測(cè)量裝置的測(cè)量值隨溫度的變化與理論計(jì)算值接近，說(shuō)明該裝置的測(cè)量結(jié)果受溫度影響較小。

圖3 鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置的溫度影響曲線(xiàn)

3.4 在線(xiàn)測(cè)量裝置流速的影響

用螺桿泵通過(guò)鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置循環(huán)清水，調(diào)整螺桿泵的排量，用建立的鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置連續(xù)測(cè)量并記錄鉆井液的密度，同時(shí)用流量計(jì)連續(xù)測(cè)量清水的流動(dòng)速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程持續(xù)約40 min，隨著泵排量的增加，清水流速?gòu)?.1 m3/h增加到0.8 m3/h，而整個(gè)過(guò)程中該裝置所測(cè)量的密度都在0.993 g/cm3附近穩(wěn)定分布，這就證明雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置的測(cè)量結(jié)果受流速影響很小。

圖4 鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置的流速影響曲線(xiàn)

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

研制出的雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置樣機(jī)于2016年5月18日～5月31日在坨90-斜13井成功地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。坨90-斜13井是一口定向井，該井設(shè)計(jì)井深為2 539.20 m。自上而下依次鉆遇平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組和沙河街組地層。該井采用聚合物潤(rùn)滑防塌鉆井液體系，水源使用工業(yè)水。一開(kāi)配漿開(kāi)鉆，保持鉆井液具有較強(qiáng)的攜帶和懸浮能力，滿(mǎn)足鉆進(jìn)需要。二開(kāi)井段鉆進(jìn)中及時(shí)補(bǔ)充高分子聚合物膠液，抑制頁(yè)巖、巖屑分散，確保井眼穩(wěn)定，定向前改小循環(huán)，加入各種鉆井液處理劑，調(diào)整鉆井液性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。表2為儀器的測(cè)量值與手動(dòng)測(cè)量值的對(duì)比。從表2可以看出，現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)情況下，雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置的測(cè)量值與手動(dòng)測(cè)量值誤差較小，說(shuō)明該裝置能夠準(zhǔn)確測(cè)量鉆井液的實(shí)際密度值，具有很好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

1.通過(guò)鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)并設(shè)計(jì)了串聯(lián)雙壓力振動(dòng)管密度計(jì)作為鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量主要部件，實(shí)現(xiàn)鉆井液密度的在線(xiàn)測(cè)量。

2.通過(guò)建立雙壓力振動(dòng)管鉆井液密度在線(xiàn)測(cè)量裝置，驗(yàn)證了雙壓力振動(dòng)管式鉆井液密度計(jì)方法的可行性；室內(nèi)測(cè)試表明，雙壓力振動(dòng)管式鉆井液密度計(jì)精密度高、準(zhǔn)確度好，在使用范圍內(nèi)，不受溫度、流速的影響。

參 考 文 獻(xiàn)

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