科里奧利質量流量計在鉆井液密度在線測量中的應用

摘 要：通過優選科里奧利質量流量計，設計和選擇相關輔助設備并組裝成鉆井液密度在線測量裝置，對該裝置進行了一系列室內測試和現場評價。結果表明：所研制的測量裝置具有良好的精密性、準確性、穩定性和可靠性，可實現鉆井液密度的實時在線測量，適合于鉆井現場使用。

關鍵字：科里奧利質量流量計 鉆井液 密度 在線測量

鉆井液密度在線測量儀器的選型應充分考慮到鉆井液腐蝕、磨蝕、懸浮固體顆粒的沉積、結垢等各種因素，必須保證實時測量數據的準確性和連續性，要求具有可靠性高、壽命長、精度高、適用于現場惡劣環境等特點。

科里奧利質量流量計具有結構簡單、性能穩定、準確度高、測量密度范圍寬，尤其在相對惡劣的環境中受到影響較小，適合測量現場鉆井液密度。

科里奧利質量流量計具有以下優點：①真正實現了高精度的直接質量流量測量；②可以測量的流體介質范圍廣，包括高粘度液體、含有固體物的漿液、高壓高密度氣體；③測量管振幅小，可視作非活動件，測量管路內無阻礙件，便于清洗；④多參數測量（質量流量、密度、溫度）。諸多優點使其成為最有前途的直接式質量流量計。

1 科里奧利質量流量計工作原理

科里奧利質量流量計的工作原理都是基于振動體（元件）的振動頻率與其密度間的關系。當振動管的幾何尺寸、形狀和材質一定時，振動頻率僅由振動系統的質量決定（見式（1）），而流經振動管內的一定容積的流體質量則是由其密度大小決定（見式（2）），即密度變化將改變振動管的固有振動頻率；具體來說，振動系統的振動頻率和管內流體密度的平方根成正比，通過測量振動頻率可得流體密度。

 （1）

 （2）

式中：f為振動管內有、無流體流過時的振動頻率；k為由振動模式決定的常數；E為振動體彈性模量；I為振動體倔強系數；m為振動系統（包括振動體與流體介質）的質量；ρ為流體密度；A為振動管橫截面積；L為振動管長度。

2 科里奧利質量流量計選型

科里奧利質量流量計形式多樣，按測量管形狀可分為彎曲形與直形，按測量管段數可分為單管型與雙管型，按雙管型測量管的連接方式可分為并聯型及串聯型，按測量管流動方向和工藝管道流動方向布置方式可分為平行方式及垂直方式。兼顧流體介質（鉆井液特性）和鉆井現場環境2個方面，在線測量系統選擇雙管串聯型科里奧利質量流量計。

3 鉆井液密度在線測量裝置的研制

以優選后的科科里奧利質量流量計作為鉆井液密度在線測量的儀表，設計和選擇其余部件，研制出鉆井液密度在線測量裝置，其中緩沖器用于減小流體壓力波動；背壓閥和脈動阻壓器配合使用，減小流速波動的峰值，保護流體對科里奧利流量計不產生壓力波動的沖擊；科里奧利質量流量計用于測量鉆井液密度，如圖1所示。

圖1 鉆井液密度在線測量裝置示意圖

4 鉆井液密度在線測量裝置性能測試

科里奧利質量流量計在實際應用中受到自身材質、測試條件及現場環境（如溫度、工藝介質壓力、管線振動、機械應力等）影響。對圖1所示的鉆井液密度在線測量裝置進行一系列室內測試和現場評價，考察該裝置的精密度、準確度、實時檢測能力及現場測試能力。

1）精密度評價　用鈉基膨潤土配制1.03g/cm3的鉆井液進行循環測試，每秒鐘自動記錄一個密度值，結果如圖2和表1所示。共測定7695個點，統計計算得到平均值為1.030g/cm3，標準偏差0.0031g/cm3。

圖2 用密度1.03g/cm3的鉆井液檢驗儀器的精密度試驗結果

表1 用密1.03g/cm3的鉆井液檢驗的置信區間與置信度

2）準確度檢驗　為了檢驗測量裝置的準確度，將在線測量結果與常規鉆井液密度計測量結果進行對比。首先配制具有一定凝膠強度的鉆井液，分次加入一定量重晶石，待穩定后用API規定的鉆井液密度測量方法進行測量，并記錄鉆井液密度在線測量裝置一段時間的平均值，結果見表2。不難看出，二者誤差在0.01g/cm3以內；另外從圖3中可以看出，2種測量方法的線性相關系數非常接近于1。可見該測量裝置具有較高的準確度。

表2 不同密度鉆井液在線測量與常規方法所得結果

3）實時檢測能力考察　圖4是鉆井液加重過程的實時檢測結果。該儀器除了實時測量鉆井液的密度，還能實時測量溫度，記錄間隔為1s。

圖3 2種測量方法密度測量值的線性關系

圖4 鉆井液密度在線測量裝置的實時檢測結果

5 現場測試

使用研制出的鉆井液密度在線測量裝置樣機在勝利油田孤東7－33－斜更126井進行現場試驗。首先建立鉆井液密度在線測量裝置現場實驗系統，然后從鉆井液振動篩以后的鉆井液槽內取樣，連續在線測試鉆井液的密度值，每隔30min用API規定的方法進行測定對比，結果見圖5。可以看出，鉆井液在線測量密度與手動測量密度結果基本一致，誤差不大于0.01g/cm3；另外，鉆井液的密度變化均能實時顯示，連續記錄。

圖5 孤東7－33－斜更126井鉆井液現場密度測量結果

6 結論

科里奧利質量流量計應用于鉆井液密度在線測量具有以下特點：

1）測量范圍大，0.20～3.50g/cm3。

2）精密度高，標準偏差≤0.0031g/cm3。

3）準確度好，與API規定的鉆井液密度計相比誤差不大于0.01g/cm3。

4）鉆井液的密度變化均能實時顯示，連續記錄，滿足鉆井液密度在線測量的需要。