呂淑宏

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司 鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司 （黑龍江 大慶 163411）

泥巖密度計(jì)是石油與天然氣地質(zhì)勘探中廣泛使用的專用計(jì)量器具，在鉆井過程中利用泥巖密度計(jì)隨鉆測(cè)量泥頁巖的密度，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓異常地層，調(diào)整鉆井液密度，保證平衡鉆進(jìn)，避免發(fā)生井噴、井徑收縮、井眼垮塌及卡鉆等事故。在野外由于工作環(huán)境條件差，很難保證密度計(jì)的準(zhǔn)確性，所以對(duì)其進(jìn)行周期校準(zhǔn)，確保其量值準(zhǔn)確可靠是非常必要的。根據(jù)密度計(jì)的技術(shù)指標(biāo)及有關(guān)資料，在反復(fù)探討、論證的基礎(chǔ)上研究了一套校準(zhǔn)技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和不斷完善，該校準(zhǔn)技術(shù)能夠確保儀器所分析的數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆井異常提供依據(jù)。

1 密度計(jì)的組成

密度計(jì)由有機(jī)玻璃圓筒做成的基管、帶有鏡面刻度尺(以下簡(jiǎn)稱刻度尺)的鏡架、帶有浮桶和樣品盤的不銹鋼絲3部分組成。

2 密度計(jì)的工作原理

目前使用的密度計(jì)按測(cè)量方法分零位式密度計(jì)（如MN-1型）和非零位式密度（如NM型），其中零位式密度計(jì)的工作原理見圖1。

圖1 零位式泥巖密度計(jì)原理示意圖

零位式泥巖密度計(jì)是通過在空氣中的樣品盤內(nèi)放置一定數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，然后將標(biāo)志桿頂面與刻度尺零位對(duì)齊，調(diào)整好后，將待測(cè)樣品放入空氣中的樣品盤內(nèi)，浮子必然在水中下降一定的幅度，待浮子穩(wěn)定后，從樣品盤內(nèi)減少標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量，使浮子上浮，減至標(biāo)志桿頂面與刻度尺的零位重新對(duì)齊，減掉部分的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量，就是通過密度計(jì)測(cè)得樣品的質(zhì)量，然后將待測(cè)樣品放在浮桶上面，輕輕將浮子放入水中，待浮子穩(wěn)定后，因水對(duì)樣品具有一定的浮力，因此，必然使標(biāo)志桿的頂面高于刻度尺的零位，向空氣中的樣品盤內(nèi)增加砝碼，直到標(biāo)志桿頂面重新回到零位，增加砝碼的質(zhì)量（m0），就是樣品排開水的質(zhì)量，利用公式（1）可計(jì)算出樣品的體積：

式中V—被測(cè)樣品的體積,cm3；

m0—被測(cè)樣品放在水中（回零時(shí)）樣品盤內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量，g；

ρw—水的密度，1g/cm3。

根據(jù)公式（2）可計(jì)算出被測(cè)樣品的密度值。

式中 ρ—被測(cè)樣品的密度值,g/cm3；

m—被測(cè)樣品的質(zhì)量,g；

V—被測(cè)樣品的體積,cm3。

非零位式密度計(jì)的工作原理見圖2。

圖2 非零位式泥巖密度計(jì)原理示意圖

泥巖密度計(jì)通過將待測(cè)樣品放在空氣中的樣品盤內(nèi)，浮子在水中下降一定的幅度L1，待浮子穩(wěn)定后，樣品的質(zhì)量與浮子的鋼絲排開水的質(zhì)量相等，達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，得到如下方程式：

式中m—被測(cè)樣品的質(zhì)量,g；

s—鋼絲的橫截面積，mm2；

L1—樣品放在空氣中測(cè)量時(shí)浮子在水中下降的幅度，mm；

ρw—水的密度，1g/cm3。

然后將樣品放在浮桶上面，一起放入水中，待浮子穩(wěn)定后，浮子在水中下降的幅度為L2，樣品的質(zhì)量減去其排開水的質(zhì)量與浮子的鋼絲排開水的質(zhì)量相等，達(dá)到另一個(gè)平衡狀態(tài)，得到如下方程式：

式中m—被測(cè)樣品的質(zhì)量,g；

V—被測(cè)樣品的體積,cm3

ρw—水的密度，1g/cm3

s—鋼絲的橫截面積，mm2；

L2—樣品放在水中測(cè)量時(shí)浮子在水中下降的幅度，mm。

將公式（3）和（4）代入公式（2）得到公式（5），計(jì)算出被測(cè)樣品的密度值。

式中 ρ—被測(cè)量樣品的密度值，g/cm3；

m—被測(cè)樣品的質(zhì)量,g；

V—被測(cè)樣品的體積,cm3

s—鋼絲的橫截面積，mm2；

L1—樣品放在空氣中測(cè)量時(shí)浮子在水中下降的幅度，mm；

L2—樣品放在水中測(cè)量時(shí)浮子在水中下降的幅度，mm；

ρw—水的密度，g/cm3。

3 校準(zhǔn)技術(shù)的研究

由于巖石的密度一般均在2.00～2.50g/cm3，在實(shí)際工作中測(cè)量的密度值也多在此范圍內(nèi)，因此，選擇第4校準(zhǔn)點(diǎn)作為分辨力的校準(zhǔn)點(diǎn)。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，應(yīng)用一個(gè)密度值不大于0.03g/cm3、體積與第4校準(zhǔn)點(diǎn)相同的物質(zhì)，只要在空氣中能分辨出其質(zhì)量，也就說明了密度計(jì)滿足了分辨力這一技術(shù)要求[1]。因此，只要在空氣中的樣品盤內(nèi)加入質(zhì)量不大于這種物質(zhì)質(zhì)量的砝碼，密度計(jì)標(biāo)志桿頂面或鋼絲尖端與刻度尺相對(duì)位置的變化不小于0.5mm,也就是肉眼能觀察到變動(dòng)，變動(dòng)越大，其分辨力越高。

4 泥巖密度計(jì)的校準(zhǔn)

4.1 示值校準(zhǔn)

4.1.1 零位式密度計(jì)的校準(zhǔn)

（1）調(diào)節(jié)游標(biāo)鏡架及微調(diào)旋鈕，使標(biāo)志桿頂面與刻度尺零位對(duì)齊。

（2）將專用密度塊放入樣品盤內(nèi)，浮子下降，然后逐次減少砝碼，至標(biāo)志桿頂面重新回零位，將減少的砝碼質(zhì)量值作記錄。

（3）打開基管蓋板，提起浮桶，將專用密度塊放到浮桶上面，使浮桶重新沉入水中，關(guān)閉基管蓋板，浮子上升，然后逐次向樣品盤內(nèi)加砝碼，至標(biāo)志桿頂面重新回到刻度尺零位，將增加的砝碼質(zhì)量（m0）值作記錄。

（4）取出專用密度塊,干燥后分別與50、100、150、200mg二等標(biāo)準(zhǔn)砝碼組合，然后逐次減少砝碼，至標(biāo)志桿頂面重新回零位，將減少的砝碼質(zhì)量（mi）值作記錄。

（5）密度值的計(jì)算。按公式（6）計(jì)算出各校準(zhǔn)點(diǎn)的密度值。

式中ρi—第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的密度值，g/cm3，修約至2位小數(shù)（i=1,2,3,4,5）；

mi—第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)志桿頂面回零時(shí)減少砝碼的質(zhì)量，g，修約至3位小數(shù)；

m0—專用密度塊放入純凈蒸餾水中標(biāo)志桿頂面回零時(shí)增加砝碼的質(zhì)量，g，修約至3位小數(shù)；

ρw—純凈蒸餾水的密度，1g/cm3。

（6）誤差的計(jì)算。按公式（7）計(jì)算出各校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差值，其允許誤差為±2%。

式中ρi—第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差；

ρi0—第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的已知密度值，g/cm3。

4.1.2 非零位式密度計(jì)的校準(zhǔn)

（1）用手指輕按鋼絲尖端，使浮子在水中下降一段位移，輕輕松開手指，待浮子穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)游標(biāo)鏡架及微調(diào)旋鈕，使鋼絲尖端與刻度尺零位對(duì)齊，反復(fù)調(diào)節(jié)多次，直至穩(wěn)定為止。

（2）將專用密度塊放人樣品盤內(nèi)，待浮子穩(wěn)定后，讀出浮子在水中下降的幅度(L)值并作記錄。

（3）提起浮子，將專用密度塊放在浮桶上，輕輕將浮子放入水中，待浮子穩(wěn)定后，讀出浮子在水中下降的幅度(L0)值并作記錄。

（4）取出專用密度塊，干燥后分別與50、100、150、200mg二等標(biāo)準(zhǔn)砝碼組合，待浮子穩(wěn)定后，將浮子在水中下降的幅度（Li）值作記錄。

（5）密度值的計(jì)算。按公式（8）計(jì)算出各校準(zhǔn)點(diǎn)的密度值。

式中Li—第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)浮子下降的幅度，mm，修約至1位小數(shù)(i=1,2,3,4,5)；

L1—專用密度塊放在樣品盤內(nèi)時(shí)浮子下降的幅度，mm,修約至1位小數(shù)；

L0—專用密度塊放在浮桶上時(shí)浮子下降的幅度，mm,修約至1位小數(shù)；

ρw—純凈蒸餾水的密度，g/cm3。

（6）誤差的計(jì)算。按公式(7)計(jì)算出各校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差值，其允許誤差為±2%。

4.2 最小樣品質(zhì)量校準(zhǔn)

將50mg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在密度計(jì)頂部的樣品盤內(nèi)，鋼絲應(yīng)在水中下降一定的幅度[2]。

4.3 分辨力的校準(zhǔn)

（1）根據(jù)公式（9）計(jì)算出校準(zhǔn)分辨力應(yīng)增加的砝碼質(zhì)量，并作記錄。

式中Δm—校準(zhǔn)分辨力應(yīng)增加的質(zhì)量,g,修約至3位小數(shù)；

V0—專用密度塊體積的給出值，cm3，修約至4位小數(shù)；

r0—分辨力，0.03g/cm3。

（2）選擇第4校準(zhǔn)點(diǎn)。①零位式密度計(jì)：將專用密度塊放入樣品盤內(nèi)，浮子下降，然后逐次減少砝碼，至標(biāo)志桿頂面重新回零位，將減少的砝碼質(zhì)量值作記錄。②非零位式密度計(jì)：將專用密度塊放人樣品盤內(nèi)，待浮子穩(wěn)定后，讀出浮子在水中下降的幅度（L）值，并作記錄。

（3）向樣品盤內(nèi)加入公式（9）中計(jì)算出的砝碼質(zhì)量，標(biāo)志桿頂面或鋼絲尖端與刻度尺相對(duì)位置變化應(yīng)不小于0.5mm。

4.4 復(fù)校時(shí)間間隔

密度計(jì)的復(fù)校時(shí)間間隔根據(jù)使用情況確定，建議為12個(gè)月[3]。

5 結(jié)束語

泥巖密度計(jì)校準(zhǔn)技術(shù)簡(jiǎn)便易行，符合石油專用計(jì)量器具校準(zhǔn)方法的要求。通過對(duì)SK2000型泥巖密度計(jì)和NM型密度計(jì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行試驗(yàn)，該校準(zhǔn)技術(shù)能夠確保其量值準(zhǔn)確傳遞，可實(shí)現(xiàn)密度計(jì)的測(cè)量參數(shù)溯源到國家計(jì)量基準(zhǔn)，從而保證在地質(zhì)勘探過程中使用的密度計(jì)量值統(tǒng)一。

[1]羅振之.通用計(jì)量術(shù)語及定義[M].北京：中國計(jì)量出版社，2011.

[2]溫勇.石油專用計(jì)量器具校準(zhǔn)方法編寫規(guī)則[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008.

[3]馬彥冰.國家計(jì)量檢定規(guī)程編寫規(guī)則[M].北京：中國計(jì)量出版社，2010.