彎管流量計測量高壓泥漿的應用研究

引言

高壓泥漿（鉆井液）是石油鉆井作業(yè)工程中的重要組成部分，一方面關(guān)系著(zhù)安全、快速、優(yōu)質(zhì)鉆井，另一方面關(guān)系著(zhù)油氣層保護。在實(shí)際工作中，人們需要掌握進(jìn)出井筒的泥漿流量，目前對進(jìn)入井筒的流量均采用間接測量法，即測量泥漿泵的沖次，再通過(guò)缸套直徑計算出理論排量，作為進(jìn)入井筒的排量。而理論排量與實(shí)際排量存在差異，如泥漿進(jìn)入缸筒時(shí)由于吸入壓頭等原因不能完全充滿(mǎn)，泵由于異物等原因不能完全關(guān)閉等等，都可能存在誤差。

由于泥漿是典型的非牛頓流體（即流體的運動(dòng)規律不符合常規牛頓物理學(xué)定律），平時(shí)工業(yè)應用的流量計測量的都是常規牛頓流體，再加上工況壓力高達30Mpa，目前國內外還沒(méi)有流量計能解決此計量難題；另外，泥漿含有固體顆粒，壓力高、流速高，易對流量計造成磨損，一般流量計根本無(wú)法適用，以至于國內外目前沒(méi)有任何流量計能直接測量。

1 主要技術(shù)難點(diǎn)

1）泥漿是非常規流體——典型的非牛頓流體，運動(dòng)規律不符合常規流體。想建立數學(xué)模型不能采用簡(jiǎn)單的流體力學(xué)方程——伯努利方程，其深層次的歐拉方程因假設流體為理想流通——粘度為零，也將不能采用。

2）工況壓力高達30Mpa，傳統流量計無(wú)法承受。

3）泥漿含固體顆粒，高壓、高流速下對管壁磨損嚴重。所用流量計還要耐磨損，耐沖刷。

4）現場(chǎng)管道高壓下運行時(shí)震動(dòng)很大，流量計必須抗震動(dòng)，能在震動(dòng)環(huán)境下長(cháng)期運行。

2 大量流量計的調查研究

根據測量泥漿的技術(shù)難點(diǎn)，我們對各種流量計進(jìn)行了廣泛的研究。

1）孔板流量計：占流量計用量的70%，該產(chǎn)品特點(diǎn)是價(jià)格低廉，研究時(shí)間比較長(cháng)，在常規流體中應用廣泛。缺點(diǎn)是，首先，壓力損失太大，增加不必要的動(dòng)力消耗；其次，本身是一種節流裝置，泥漿中固體顆粒過(guò)不去，容易淤積，改變管道內截面積的形狀，影響計量；再次，不耐磨損，精度靠?jì)瓤滓粭l銳角線(xiàn)保證，稍有0.2mm的磨損精度就會(huì )受到很大影響。

2）渦街流量計：它測量流體流過(guò)傳感器產(chǎn)生的漩渦頻率反算出流速，進(jìn)而確定流量。測頻率信號最大缺點(diǎn)是怕震動(dòng)，現場(chǎng)大型設備震動(dòng)劇烈，該流量計根本無(wú)法運行，再加上需要法蘭連接，耐壓能力不足10Mpa，因此也無(wú)法測量泥漿。

3）電磁流量計：該流量計精度高，能測量非牛頓流體。然而泥漿的高壓是電磁無(wú)法承受的，因此也無(wú)法應用。

4）彎管流量計：利用流體流過(guò)90度彎管時(shí)產(chǎn)生的離心力測流量，外弧受到的壓力比內側更高，根據內外側壓力差計算流速和流量[2]，特點(diǎn)如下：

無(wú)節流件，有自清潔功能，固體顆粒不會(huì )淤積在傳感器處，傳感器會(huì )被流體沖刷的干干凈凈；

耐磨損：傳感器內表面為弧形結構，不易磨損，即使有輕微磨損，由于彎管傳感器是靠整體90度面來(lái)保證測量精度，磨損比例很小，精度不易下降；

耐高壓：傳感器自身就是一個(gè)有一定尺寸要求的金屬彎頭，材質(zhì)與壁厚都可以與石油管道相同，經(jīng)金屬彎頭承壓計算，完全能達到35MPa耐壓要求；

抗震動(dòng)：它屬于差壓式流量計，所有差壓式流量計都不怕震動(dòng)。因為正負壓側同時(shí)受震動(dòng)，干擾值正好互相抵消。

綜合比較后，我們選擇彎管流量計作為突破口解決高壓泥漿計量難題。

3 系統的設計和制造

在現場(chǎng)應用時(shí)，測量最關(guān)鍵的難點(diǎn)是要解決導壓管防堵問(wèn)題。采用隔離液導壓系統，如圖1所示。

圖1 隔離液導壓系統

隔離罐上方接高靜壓差壓變送器，利用漏斗分別向系統內正負壓側灌硅油隔離液。例如對正壓側灌隔離液，根據U型管液面平衡原理，只要分別打開(kāi)差壓正壓側上方的排氣閥，關(guān)閉同一側根部閥，通過(guò)漏斗可一次性將導壓系統正壓側灌滿(mǎn)隔離液，操作簡(jiǎn)便。運行時(shí)打開(kāi)根部閥投運即可。

由于泥漿比硅油密度大，硅油密度約900kg/m³，泥漿為1000~1300kg/m³，即使泥漿進(jìn)入隔離罐，也是在下方，不會(huì )污染差壓變送器；同時(shí)硅油與泥漿不互溶，根部閥以上部分始終保持純凈，不會(huì )造成密度變化影響差壓精度。硅油凝固點(diǎn)為零下，能保證大陸冬季正常運行。

傳感器采用加厚不銹鋼材質(zhì)，所有焊點(diǎn)經(jīng)全部探傷保證安全。差壓變送器選用日本原裝進(jìn)口品牌EJA-130A，精度0.075%，耐壓42MPa。

主機表液晶顯示，外配防爆盒，精度0.05%，功能可根據現場(chǎng)要求隨時(shí)更換軟件。

整體組裝在華北理工大學(xué)智能儀器廠(chǎng)進(jìn)行，先用水進(jìn)行實(shí)流標定，滿(mǎn)足該V型彎管流量計測量水介質(zhì)精度為0.5%，再拿到石油鉆井工地進(jìn)行泥漿實(shí)驗。

4 實(shí)驗和修正

經(jīng)系統實(shí)驗，發(fā)現誤差是成規律性變化的。每個(gè)測點(diǎn)的誤差修正后都對應一個(gè)流量系數，流量系數變化規律是隨著(zhù)流速的提高系數逐漸減小，并趨于恒定值；隨著(zhù)粘度的增加系數逐漸增大。說(shuō)明流量系數與雷諾數有關(guān)，隨著(zhù)雷諾數的增大流量系數逐漸減小，大到一定程度系數為恒定值。

實(shí)驗泥漿為常用泥漿，按該泥漿參數做的實(shí)驗表明，流量高于16L/s系數已非常恒定，+1.4%、+1%，系數修正1%，流量計完全能夠保證1.0級精度。而正常使用的流量恰為18~30L/s，非常理想。

整理兩天全部實(shí)驗，描繪出流量系數隨雷諾數的變化曲線(xiàn)，擬合流量系數修正公式[3]，使中、高流量下（大于15L/s）精度1.0級，低流量下精度1.5級。

5 取得的成果

這是國內首次實(shí)現高壓泥漿流量的高精度測量，精度達1%，耐壓35MPa。它的研發(fā)成功打破石油鉆井泥漿計量長(cháng)期無(wú)流量計的歷史，與以前的間接測量相比，大大減少計算誤差。用于石油鉆井生產(chǎn)可幫助判斷泥漿泵故障，有利設備的安全穩定運行；在用于固井泥漿量計量的同時(shí)，與返漿量進(jìn)行對比，可精確判斷泥漿在井筒內心的漏失量，為提高固井質(zhì)量提供了可靠保證。

由于彎管流量計直接用于測量泥漿并達到較高的計量精度，為鉆井生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、鉆井水平和鉆井生產(chǎn)效率的提高提供有效的技術(shù)支持，拓寬了彎管流量計應用技術(shù)領(lǐng)域。