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弯管流量计测量高压泥浆的应用研究

弯管流量计测量高压泥浆的应用研究

引言

高压泥浆(钻井液)是石油钻井作业工程中的重要组成部分,一方面关系着安全、快速、优质钻井,另一方面关系着油气层保护。在实际工作中,人们需要掌握进出井筒的泥浆流量,目前对进入井筒的流量均采用间接测量法,即测量泥浆泵的冲次,再通过缸套直径计算出理论排量,作为进入井筒的排量。而理论排量与实际排量存在差异,如泥浆进入缸筒时由于吸入压头等原因不能完全充满,泵由于异物等原因不能完全关闭等等,都可能存在误差。

由于泥浆是典型的非牛顿流体(即流体的运动规律不符合常规牛顿物理学定律),平时工业应用的流量计测量的都是常规牛顿流体,再加上工况压力高达30Mpa,目前国内外还没有流量计能解决此计量难题;另外,泥浆含有固体颗粒,压力高、流速高,易对流量计造成磨损,一般流量计根本无法适用,以至于国内外目前没有任何流量计能直接测量。

1 主要技术难点

1)泥浆是非常规流体——典型的非牛顿流体,运动规律不符合常规流体。想建立数学模型不能采用简单的流体力学方程——伯努利方程,其深层次的欧拉方程因假设流体为理想流通——粘度为零,也将不能采用。

2)工况压力高达30Mpa,传统流量计无法承受。

3)泥浆含固体颗粒,高压、高流速下对管壁磨损严重。所用流量计还要耐磨损,耐冲刷。

4)现场管道高压下运行时震动很大,流量计必须抗震动,能在震动环境下长期运行。

2 大量流量计的调查研究

根据测量泥浆的技术难点,我们对各种流量计进行了广泛的研究。

1)孔板流量计:占流量计用量的70%,该产品特点是价格低廉,研究时间比较长,在常规流体中应用广泛。缺点是,首先,压力损失太大,增加不必要的动力消耗;其次,本身是一种节流装置,泥浆中固体颗粒过不去,容易淤积,改变管道内截面积的形状,影响计量;再次,不耐磨损,精度靠内孔一条锐角线保证,稍有0.2mm的磨损精度就会受到很大影响。

2)涡街流量计:它测量流体流过传感器产生的漩涡频率反算出流速,进而确定流量。测频率信号最大缺点是怕震动,现场大型设备震动剧烈,该流量计根本无法运行,再加上需要法兰连接,耐压能力不足10Mpa,因此也无法测量泥浆。

无节流件,有自清洁功能,固体颗粒不会淤积在传感器处,传感器会被流体冲刷的干干净净;

综合比较后,我们选择弯管流量计作为突破口解决高压泥浆计量难题。

3 系统的设计和制造

在现场应用时,测量最关键的难点是要解决导压管防堵问题。采用隔离液导压系统,如图1所示。

图1 隔离液导压系统

隔离罐上方接高静压差压变送器,利用漏斗分别向系统内正负压侧灌硅油隔离液。例如对正压侧灌隔离液,根据U型管液面平衡原理,只要分别打开差压正压侧上方的排气阀,关闭同一侧根部阀,通过漏斗可一次性将导压系统正压侧灌满隔离液,操作简便。运行时打开根部阀投运即可。

由于泥浆比硅油密度大,硅油密度约900kg/m3,泥浆为1000~1300kg/m3,即使泥浆进入隔离罐,也是在下方,不会污染差压变送器;同时硅油与泥浆不互溶,根部阀以上部分始终保持纯净,不会造成密度变化影响差压精度。硅油凝固点为零下,能保证大陆冬季正常运行。

传感器采用加厚不锈钢材质,所有焊点经全部探伤保证安全。差压变送器选用日本原装进口品牌EJA-130A,精度0.075%,耐压42MPa。

主机表液晶显示,外配防爆盒,精度0.05%,功能可根据现场要求随时更换软件。

整体组装在华北理工大学智能仪器厂进行,先用水进行实流标定,满足该V型弯管流量计测量水介质精度为0.5%,再拿到石油钻井工地进行泥浆实验。

4 实验和修正

经系统实验,发现误差是成规律性变化的。每个测点的误差修正后都对应一个流量系数,流量系数变化规律是随着流速的提高系数逐渐减小,并趋于恒定值;随着粘度的增加系数逐渐增大。说明流量系数与雷诺数有关,随着雷诺数的增大流量系数逐渐减小,大到一定程度系数为恒定值。

实验泥浆为常用泥浆,按该泥浆参数做的实验表明,流量高于16L/s系数已非常恒定,+1.4%、+1%,系数修正1%,流量计完全能够保证1.0级精度。而正常使用的流量恰为18~30L/s,非常理想。

整理两天全部实验,描绘出流量系数随雷诺数的变化曲线,拟合流量系数修正公式[3],使中、高流量下(大于15L/s)精度1.0级,低流量下精度1.5级。

5 取得的成果

这是国内首次实现高压泥浆流量的高精度测量,精度达1%,耐压35MPa。它的研发成功打破石油钻井泥浆计量长期无流量计的历史,与以前的间接测量相比,大大减少计算误差。用于石油钻井生产可帮助判断泥浆泵故障,有利设备的安全稳定运行;在用于固井泥浆量计量的同时,与返浆量进行对比,可精确判断泥浆在井筒内心的漏失量,为提高固井质量提供了可靠保证。

由于弯管流量计直接用于测量泥浆并达到较高的计量精度,为钻井生产工艺的改进、钻井水平和钻井生产效率的提高提供有效的技术支持,拓宽了弯管流量计应用技术领域。

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