科里奥利质量流量计在钻井液密度在线测量中的应用

科里奥利质量流量计在钻井液密度在线测量中的应用

摘 要：通过优选科里奥利质量流量计，设计和选择相关辅助设备并组装成钻井液密度在线测量装置，对该装置进行了一系列室内测试和现场评价。结果表明：所研制的测量装置具有良好的精密性、准确性、稳定性和可靠性，可实现钻井液密度的实时在线测量，适合于钻井现场使用。

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钻井液密度在线测量仪器的选型应充分考虑到钻井液腐蚀、磨蚀、悬浮固体颗粒的沉积、结垢等各种因素，必须保证实时测量数据的准确性和连续性，要求具有可靠性高、寿命长、精度高、适用于现场恶劣环境等特点。

科里奥利质量流量计具有结构简单、性能稳定、准确度高、测量密度范围宽，尤其在相对恶劣的环境中受到影响较小，适合测量现场钻井液密度。

科里奥利质量流量计具有以下优点：①真正实现了高精度的直接质量流量测量；②可以测量的流体介质范围广，包括高粘度液体、含有固体物的浆液、高压高密度气体；③测量管振幅小，可视作非活动件，测量管路内无阻碍件，便于清洗；④多参数测量（质量流量、密度、温度）。诸多优点使其成为最有前途的直接式质量流量计。

1 科里奥利质量流量计工作原理

科里奥利质量流量计的工作原理都是基于振动体（元件）的振动频率与其密度间的关系。当振动管的几何尺寸、形状和材质一定时，振动频率仅由振动系统的质量决定（见式（1）），而流经振动管内的一定容积的流体质量则是由其密度大小决定（见式（2）），即密度变化将改变振动管的固有振动频率；具体来说，振动系统的振动频率和管内流体密度的平方根成正比，通过测量振动频率可得流体密度。

 （1）

 （2）

式中：f为振动管内有、无流体流过时的振动频率；k为由振动模式决定的常数；E为振动体弹性模量；I为振动体倔强系数；m为振动系统（包括振动体与流体介质）的质量；ρ为流体密度；A为振动管横截面积；L为振动管长度。

2 科里奥利质量流量计选型

科里奥利质量流量计形式多样，按测量管形状可分为弯曲形与直形，按测量管段数可分为单管型与双管型，按双管型测量管的连接方式可分为并联型及串联型，按测量管流动方向和工艺管道流动方向布置方式可分为平行方式及垂直方式。兼顾流体介质（钻井液特性）和钻井现场环境2个方面，在线测量系统选择双管串联型科里奥利质量流量计。

3 钻井液密度在线测量装置的研制

以优选后的科科里奥利质量流量计作为钻井液密度在线测量的仪表，设计和选择其余部件，研制出钻井液密度在线测量装置，其中缓冲器用于减小流体压力波动；背压阀和脉动阻压器配合使用，减小流速波动的峰值，保护流体对科里奥利流量计不产生压力波动的冲击；科里奥利质量流量计用于测量钻井液密度，如图1所示。

图1 钻井液密度在线测量装置示意图

4 钻井液密度在线测量装置性能测试

科里奥利质量流量计在实际应用中受到自身材质、测试条件及现场环境（如温度、工艺介质压力、管线振动、机械应力等）影响。对图1所示的钻井液密度在线测量装置进行一系列室内测试和现场评价，考察该装置的精密度、准确度、实时检测能力及现场测试能力。

1）精密度评价　用钠基膨润土配制1.03g/cm3的钻井液进行循环测试，每秒钟自动记录一个密度值，结果如图2和表1所示。共测定7695个点，统计计算得到平均值为1.030g/cm3，标准偏差0.0031g/cm3。

图2 用密度1.03g/cm3的钻井液检验仪器的精密度试验结果

表1 用密1.03g/cm3的钻井液检验的置信区间与置信度

2）准确度检验　为了检验测量装置的准确度，将在线测量结果与常规钻井液密度计测量结果进行对比。首先配制具有一定凝胶强度的钻井液，分次加入一定量重晶石，待稳定后用API规定的钻井液密度测量方法进行测量，并记录钻井液密度在线测量装置一段时间的平均值，结果见表2。不难看出，二者误差在0.01g/cm3以内；另外从图3中可以看出，2种测量方法的线性相关系数非常接近于1。可见该测量装置具有较高的准确度。

表2 不同密度钻井液在线测量与常规方法所得结果

3）实时检测能力考察　图4是钻井液加重过程的实时检测结果。该仪器除了实时测量钻井液的密度，还能实时测量温度，记录间隔为1s。

图3 2种测量方法密度测量值的线性关系

图4 钻井液密度在线测量装置的实时检测结果

5 现场测试

使用研制出的钻井液密度在线测量装置样机在胜利油田孤东7－33－斜更126井进行现场试验。首先建立钻井液密度在线测量装置现场实验系统，然后从钻井液振动筛以后的钻井液槽内取样，连续在线测试钻井液的密度值，每隔30min用API规定的方法进行测定对比，结果见图5。可以看出，钻井液在线测量密度与手动测量密度结果基本一致，误差不大于0.01g/cm3；另外，钻井液的密度变化均能实时显示，连续记录。

图5 孤东7－33－斜更126井钻井液现场密度测量结果

6 结论

科里奥利质量流量计应用于钻井液密度在线测量具有以下特点：

1）测量范围大，0.20～3.50g/cm3。

2）精密度高，标准偏差≤0.0031g/cm3。

3）准确度好，与API规定的钻井液密度计相比误差不大于0.01g/cm3。

4）钻井液的密度变化均能实时显示，连续记录，满足钻井液密度在线测量的需要。