CN104568651A - 一种双压力振动管式钻井液密度在线测量仪及计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双压力振动管式钻井液密度在线测量仪，采用的振动管密度计、压力传感器、背压阀均为两个，构成两个独立的测量单元，并用管线将测量单元依次连接组成。本发明依据上述仪器的计算方法是：首先由泵将钻井液泵入管线，依次流经振动管密度计I、压力传感器I、背压阀I、压力传感器II、振动管密度计II和背压阀II，通过调节背压阀I和II即可产生两个不同大小的压力P₁和P₂；再通过振动管密度计I和II测量出不同压力下的流体密度值 和；最后根据气体方程对钻井液密度进行修正，计算得出真实的钻井液密度。本发明的优点是，测量数据准确，测量速度快，可用于现场钻井液密度的实时在线测量。

Description

一种双压力振动管式钻井液密度在线测量仪及计算方法

技术领域

本发明涉及流体密度测量装置领域，尤其涉及一种钻井液密度实时在线测量的双压力振动管式钻井液密度在线测量仪及计算方法，适用于现场含气钻井液密度的实时在线测量。

背景技术

在石油钻井过程中，钻井液密度的测量是一项十分重要的工作。实时准确地测量钻井液密度对于在特殊地质条件下进行精细钻井施工，防止井涌、井漏等井下复杂情况的发生，显得尤其重要。

流体的密度测量按原理分主要有差压式、浮力式、振动式、称重式以及γ射线式等多种。静压差式密度测量方式由于其测量值代表性差、受钻井液触变性的影响等，密度测量误差较大，近年来，逐渐被振动管式密度计所替代。

振动管式密度计的工作原理是：物体受激而发生振动时，其振动频率或振幅与物体本身的质量有关。如果在物体内充以一定体积的液体样品，则其振动频率的变化便反映一定体积的样品液体的质量或密度。

早期振动管密度计的设计是假定被驱动的流动管的固有频率的变化仅仅是由通过该流动管流动的流体密度变化引起的，如1989年，US4,876,879所公开的那种密度计就是假定密度测量的精度不受被测液体的质量流速、温度、黏度和压力变化的影响所提出的。

1994年3月15日，专利US5,295,084发现振动管的固有频率不仅仅受管内流体密度的影响，从而振动管密度计的理论有了明显的进展。人们通过分析和实验认识到振动管的固有频率还会受到质量流速、温度变化、压力变化等影响；1999年8月11日，专利CN1225722A公开了一些修正模式，有效地消除了这些影响。

2010年，胜利石油管理局钻井工艺研究院将振动管密度计引入现场钻井液密度的在线监测中，在应用中发现，由于钻井液具有较大的粘度和切力所以搅拌时很容易混入一定的气体形成含有一定气泡的钻井液，因此钻井液的密度难以测量准确和稳定。2011年专利CN202157769U“一种钻井液密度加压在线测量装置”提出了一个解决方案，通过在振动管出口增加背压阀和压力表，来调整振动管的不同压力，从而测定不同压力下的钻井液密度。

专利CN202157769U虽然提高了钻井液密度测量的精密度，但仍然不能解决钻井液密度测量的准确性和实时性，主要有以下2个原因：其一是虽然提高压力气泡体积减小，消除了一些气泡对钻井液密度测量的影响，但仍然不能完全消除其影响，要想达到一定的密度测量准确度，需要提高的压力很大，这就会给泵的性能选择增加很大的难度；其二是必须不断调整背压阀，以改变测量压力，这样就不可能在同一时间测量两个压力下的密度，从而丧失实时测量的性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有振动管式钻井液密度测量装置存在由于气体混入影响钻井液密度测量的准确度和实时性不能兼顾，因而不利于及时发现和控制井下复杂情况的问题，提供一种测量数据准确，测量速度快，可用于现场钻井液密度实时在线测量的双压力振动管钻井液密度在线测量仪及计算方法。

本发明的技术方案首先是一种双压力振动管钻井液密度在线测量仪：

包括振动管密度计、压力传感器、背压阀和管线连接后的测量单元，其特征是该双压力振动管式钻井液密度在线测量仪采用的振动管密度计、压力传感器、背压阀均为两个，构成两个独立的测量单元，并用管线将测量单元依次连接组成。

上述方案进一步包括：两个测量单元按振动管密度计I、压力传感器I、背压阀I、压力传感器II、振动管密度计II和背压阀II依次用管线连接组成。

本发明的技术方案其次是依据上述仪器的计算方法是：

首先由泵将钻井液泵入管线，依次流经振动管密度计I、压力传感器I、背压阀I、压力传感器II、振动管密度计II和背压阀II，通过调节背压阀I和II即可产生两个不同大小的压力P₁和P₂；再通过振动管密度计I和II测量出不同压力下的流体密度值ρ₁和ρ₂；最后根据气体方程对钻井液密度进行修正，计算得出真实的钻井液密度。

上述计算方法的修正过程如下：

在压力P₁下，流体的密度为： ${\mathrm{\ρ}}_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m\·V_m}{V_m+V_{g1}}---\left(1\right)$

在压力P₂下，流体的密度为： ${\mathrm{\ρ}}_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m\·V_m}{V_m+V_{g2}}---\left(2\right)$

在相同温度下，根据气体方程：P₁V_g1＝P₂V_g2＝P₀V_g0

式中：P₁—压力传感器I显示的压力；P₂—压力传感器II显示的压力；

ρ₁—振动管密度计I测试的密度；ρ₂—振动管密度计II测试的密度；

V_m—钻井液的固液相体积；ρ_m—钻井液的真实密度；

V_g1—压力为P1时，侵入钻井液中的气体体积；

V_g2—压力为P2时，侵入钻井液中的气体体积；

P₀—标准大气压，V_g0—标准大气压力下的气体体积；

得出： $V_{g1}=\frac{P_0{V}_{g0}}{P_1}---\left(3\right)$

$V_{g2}=\frac{P_0{V}_{g0}}{P_2}---\left(4\right)$

将式（3）和（4）分别带入（1）和（2）中，便可得出：

${\mathrm{\ρ}}_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{1+\frac{P_0}{P_1}\frac{V_{g0}}{V_m}}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ρ}}_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{1+\frac{P_0}{P_2}\frac{V_{g0}}{V_m}}---\left(6\right)$

由式（5）和（6）得出： $\frac{V_{g0}}{V_m}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1\frac{P_0}{P_1}-{\mathrm{\ρ}}_2\frac{P_0}{P_2}}---\left(7\right)$

忽略气体质量，将（7）代回（5）得出修正后的钻井液密度：

${\mathrm{\ρ}}_m={\mathrm{\ρ}}_1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{\mathrm{\ρ}}_1-{{\mathrm{\ρ}}_1}^2}{{\mathrm{\ρ}}_1-\frac{P_1}{P_2}{\mathrm{\ρ}}_2}---\left(8\right)$

上述计算方法进一步包括：连续测量并计算连续测定P₁、P₂、ρ₁、ρ₂的瞬时值，同时连续计算钻井液真实密度的瞬时值，即可实时测量并连续记录钻井密度的真实值变化过程ρ_m(t)，实现钻井液密度的自动化在线检测。

本发明用背压阀I和II调节两个振动管密度计的压力，用压力传感器I和II分别测量振动管密度计I和II的压力瞬时值，用振动管密度计I和II测量不同压力下的流体密度的瞬时值。根据2个压力瞬时值和2个不同压力下的密度瞬时值，计算钻井液的真实密度的瞬时值。连续测量并计算连续测定两个测量单元的压力和密度瞬时值并连续计算钻井液真实密度的瞬时值，即可实时测量并连续记录钻井密度的真实值变化过程ρ_m(t)，实现钻井液密度的自动化在线检测。

本发明与现有技术相比有以下优点：

通过该仪器可同时测量两种不同压力下的钻井液密度，并根据气体方程进行修正，消除了气体存在引起的钻井液密度测量误差，提高了钻井液密度测量的准确度，有利于现场钻井液密度的实时在线测量。

附图说明

图1是一种双压力振动管式钻井液密度在线测量仪的结构示意图；

图中，1为螺杆泵，2为振动管密度计I，3为压力传感器I，4为背压阀I，5为压力传感器II，6为振动管密度计II，7为背压阀II。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细的描述。

把螺杆泵1的入口管与钻井液容器相连，螺杆泵1与振动管密度计（I）2、背压阀（Ⅰ）4、振动管密度计（II）6、背压阀（II）7通过管线串联，压力传感器（Ⅰ）3、压力传感器（Ⅱ）5分别并联在背压阀（I）4上游和下游的管路上，组成本发明所涉及的一种双压力振动管式钻井液密度在线测量仪。

以一定的流量连续循环容器中的钻井液，调整背压阀（I）4和背压阀（II）7，使两个振动管密度计2和6的压力分别为P₁和P₂，测量两个振动管密度计2和6的密度值ρ₁和ρ₂；根据P₁、P₂、ρ₁、ρ₂的瞬时值计算钻井液的真实密度ρ_m的瞬时值：连续测定这些P₁、P₂、ρ₁、ρ₂的瞬时值，即可实时测量并连续记录钻井密度的真实值变化过程ρ_m(t)，实现钻井液密度的自动化在线检测。

实例1：

配制好密度在1.35g/cm³左右的钻井液，首先调节背压阀I和背压阀II，使压力传感器I显示压力为0.200MPa，压力传感器II显示压力为0.300MPa。其次将钻井液由螺杆泵泵入，流经振动管密度计I和振动管密度计II，记录下二者密度大小，ρ₁=1.345g/cm³,ρ₁=1.348g/cm³。

将测得数据代入公式（8），得出修正后的钻井液密度：

${\mathrm{\ρ}}_m={\mathrm{\ρ}}_1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{\mathrm{\ρ}}_1-{{\mathrm{\ρ}}_1}^2}{{\mathrm{\ρ}}_1-\frac{P_1}{P_2}{\mathrm{\ρ}}_2}=1.345+\frac{1.348\×1.345-{1.345}^2}{1.345-\frac{0.200}{0.300}\×1.348}=1.354g/{\mathrm{cm}}^3$

因此，消除气泡影响后的实际钻井液密度为1.354g/cm³。

实例2：

配制好密度在1.42g/cm³左右的钻井液，首先调节背压阀I和背压阀II，使压力传感器I显示压力为0.300MPa，压力传感器II显示压力为0.500MPa。其次将钻井液由螺杆泵泵入，流经振动管密度计I和振动管密度计II，记录下二者密度大小，ρ₁=1.421g/cm³,ρ₁=1.423g/cm³。

将测得数据代入公式（8），得出修正后的钻井液密度：

${\mathrm{\ρ}}_m={\mathrm{\ρ}}_1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{\mathrm{\ρ}}_1-{{\mathrm{\ρ}}_1}^2}{{\mathrm{\ρ}}_1-\frac{P_1}{P_2}{\mathrm{\ρ}}_2}=1.421+\frac{1.423\×1.421-{1.421}^2}{1.421-\frac{0.300}{0.500}\×1.423}=1.426g/{\mathrm{cm}}^3$

因此，消除气泡影响后的实际钻井液密度为1.426g/cm³。

Claims (5)

1.一种双压力振动管式钻井液密度在线测量仪，包括振动管密度计、压力传感器、背压阀和管线连接后的测量单元，其特征是：该双压力振动管式钻井液密度在线测量仪采用的振动管密度计、压力传感器、背压阀均为两个，构成两个独立的测量单元，并用管线将测量单元依次连接组成。

2.按照权利要求1所述的双压力振动管式钻井液密度在线测量仪，其特征是：两个测量单元按振动管密度计I、压力传感器I、背压阀I、压力传感器II、振动管密度计II和背压阀II依次连接组成。

3.按照权利要求1或2所述的双压力振动管式钻井液密度在线测量仪的计算方法，其特征是：

首先由泵将钻井液泵入管线，依次流经振动管密度计I、压力传感器I、背压阀I、压力传感器II、振动管密度计II和背压阀II，通过调节背压阀I和II即可产生两个不同大小的压力P₁和P₂；再通过振动管密度计I和II测量出不同压力下的流体密度值ρ₁和ρ₂；最后根据气体方程对钻井液密度进行修正，计算得出真实的钻井液密度。

4.根据权利要求3所述的双压力振动管式钻井液密度在线测量仪的计算方法，其特征是修正过程如下：

在压力P₁下，流体的密度为： ${\mathrm{\ρ}}_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m\·V_m}{V_m+V_{g1}}---\left(1\right)$

在压力P₂下，流体的密度为： ${\mathrm{\ρ}}_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m\·V_m}{V_m+V_{g2}}---\left(2\right)$

在相同温度下，根据气体方程：P₁V_g1＝P₂V_g2＝P₀V_g0

式中：P₁—压力传感器I显示的压力；P₂—压力传感器II显示的压力；

ρ₁—振动管密度计I测试的密度；ρ₂—振动管密度计II测试的密度；

V_m—钻井液的固液相体积；ρ_m—钻井液的真实密度；

V_g1—压力为P₁时，侵入钻井液中的气体体积；

V_g2—压力为P₂时，侵入钻井液中的气体体积；

P₀—标准大气压，V_g0—标准大气压力下的气体体积；

得出： $V_{g1}=\frac{P_0{V}_{g0}}{P_1}---\left(3\right)$

$V_{g2}=\frac{P_0{V}_{g0}}{P_2}---\left(4\right)$

将式（3）和（4）分别带入（1）和（2）中，便可得出：

${\mathrm{\ρ}}_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{1+\frac{P_0}{P_1}\frac{V_{g0}}{V_m}}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ρ}}_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{1+\frac{P_0}{P_2}\frac{V_{g0}}{V_m}}---\left(6\right)$

由式（5）和（6）得出： $\frac{V_{g0}}{V_m}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1\frac{P_0}{P_1}-{\mathrm{\ρ}}_2\frac{P_0}{P_2}}---\left(7\right)$

忽略气体质量，将（7）代回（5）得出修正后的钻井液密度：

${\mathrm{\ρ}}_m={\mathrm{\ρ}}_1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{\mathrm{\ρ}}_1-{{\mathrm{\ρ}}_1}^2}{{\mathrm{\ρ}}_1-\frac{P_1}{P_2}{\mathrm{\ρ}}_2}---\left(8\right)$

5.根据权利要求4所述的双压力振动管式钻井液密度在线测量仪的计算方法，其特征是：连续测量并计算连续测定P₁、P₂、ρ₁、ρ₂的瞬时值，同时连续计算钻井液真实密度的瞬时值，即可实时测量并连续记录钻井密度的真实值变化过程ρ_m(t)，实现钻井液密度的自动化在线检测。3 -->