羅云鳳， 劉保雙， 王忠杰， 藍強

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

鉆井液性能在鉆井過程中起著舉足輕重的作用，目前在現(xiàn)場主要采用人工測定的方法，費時費力，消耗大量人工，而且還可能由于熟練程度，導致不同測量人員所測結(jié)果差異較大，因此，有必要對鉆井液進行在線測量，以減輕工人勞動強度，勝利石油工程公司鉆井工藝研究院在2010年前后開始著手進行鉆井液性能在線測量研究，并在黏度、濾失量、固含量方面取得一些進展[1-4]。近年來，開始研究密度在線測量模塊，在鉆井過程中，鉆井液的密度需要根據(jù)地層平衡壓力和地層構(gòu)造應力的需要而進行恰當?shù)恼{(diào)整。合理的鉆井液密度可以防止井噴或鉆井液漏失，抑制或降低井壁坍塌的可能性，因此對鉆井液密度進行在線檢測非常重要。本課題組前期研制了鉆井液密度在線測量裝置[2]，但在現(xiàn)場測量過程中遇到了井場的振動干擾、密度計的振動對其它傳感器的影響、流量變化對密度計的精度有一定的影響、氣體的泵入對鉆井液密度測量的影響等問題，結(jié)合這些問題對裝置進行了改進，形成了雙壓力振動管鉆井液密度在線測量裝置。通過實驗證明，該裝置的測試數(shù)據(jù)精密度高、準確度好，在使用范圍內(nèi)不受溫度、流速的影響[1-3]。

1 雙壓力振動管鉆井液密度在線測量裝置的設(shè)計

針對井場應用的問題，對減震底座進行了調(diào)整，加厚了石棉層，同時采用軟管來連接振動管密度計，這就能大大減少儀表之間的相互振動影響；另外，使用恒流泵以解決流量不穩(wěn)定對密度測量的影響，最后采用雙壓力振動管的結(jié)構(gòu)來消除氣體對密度測量的影響[5-11]。雙壓力振動管鉆井液密度在線測量裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆井液密度在線測量試驗平臺原理圖

雙壓力振動管鉆井液密度在線測量裝置包括密度傳感器、壓力傳感器、壓力調(diào)節(jié)閥和連接管線，整個裝置可以分為2個獨立的測量單元，每個測量單元均包含密度傳感器、壓力傳感器和壓力調(diào)節(jié)閥，同時又通過管線將2個測量單元依次連接。

2 在線測量裝置的測量原理

從雙壓力振動管鉆井液密度在線測量裝置的結(jié)構(gòu)圖可以看出，測量時，鉆井液經(jīng)恒流泵泵入到測量裝置中，分別獲得2個測量單元中的壓力和密度值，這樣就可以利用氣體方程修正除去氣體的影響，從而計算得出真實的流體密度，修正計算過程如下。

當測量壓力為P1時，流體密度可計算為：

當測量壓力為P2時，流體密度可計算為

式中：P1為1號壓力傳感器顯示的壓力，P2為2號壓力傳感器顯示的壓力，kPa；ρ1為1號密度傳感器測試的密度，ρ2為2號密度傳感器測試的密度，g/cm3；Vm為鉆井液的固液相體積，cm3；ρm為鉆井液的真實密度，g/cm3；Vg1為壓力為P1時侵入鉆井液中的氣體體積，Vg2為壓力為P2時侵入鉆井液中的氣體體積，cm3；P0為標準大氣壓，kPa；Vg0為標準大氣壓力下的氣體體積，cm3。由于在相同溫度下，氣體方程為：

由氣體方程可以得出：

將式（4）、（5）分別代入式（1）、（2）中，得出：

由式（6）、（7）可得出：

再將（8）代入式 （6）后，得出鉆井液的密度值為：

式中：ρm為鉆井液的密度值，g/cm3；P1為1號壓力傳感器顯示的壓力，P2為2號壓力傳感器顯示的壓力，kPa；ρ1為1號密度傳感器測試的密度，ρ2為2號密度傳感器測試的密度，g/cm3。通過式（9）看出，可以通過儀器測量得到的含氣流體的壓力和密度值，從而推算出實際的鉆井液密度值。

3 在線測量裝置的室內(nèi)研究

3.1 穩(wěn)定性

為測量儀器的精密度， 用清水打入雙壓力振動管，鉆井液密度在線測量裝置中進行測試，持續(xù)時間8 h，共進行密度測試475次，如圖2所示。計算出密度平均值為0.994 g/cm3， 標準偏差為0.000 2 g/cm3。由圖2可知，該儀器測量值的穩(wěn)定性能良好。

圖2 鉆井液密度在線測量裝置的測量穩(wěn)定性

3.2 準確度

在進行準確度的驗證時，使用清水加甲酸鈉配制成不同密度的流體，每次調(diào)整密度后都同時使用雙壓力振動管鉆井液密度在線測量裝置和傳統(tǒng)鉆井液密度計來測量流體的密度值[12-16]，實驗結(jié)果見表1。從表1可以看出，對密度范圍在0.9～1.25 g/cm3之間的流體進行了10次測量，對比可看出，在密度較低的情況下（小于1.15 g/cm3時），誤差范圍在0～0.002 g/cm3之間，儀器的準確度高；在密度稍大點后，誤差范圍稍有增加。但總體來說，在所測密度范圍內(nèi)，2種方法的測量誤差不超過0.003 g/cm3，說明該儀器的準確度很好。

表1 振動管密度計的測量準確度

3.3 在線測量裝置受溫度的影響分析

在鉆井過程中，鉆井液的溫度是不斷變化的，這就需要儀器具有較好的抗溫度干擾能力，對此，用螺桿泵通過雙壓力振動管鉆井液密度在線測量裝置循環(huán)清水，用加熱管不斷提高鉆井液的溫度，用建立的鉆井液密度在線測量裝置測量鉆井液的密度，同時用溫度計連續(xù)測量流體的溫度，實驗結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，在近1.5 h的測量過程中，先對流體加熱使溫度升高，隨著溫度升高，所測流體的密度值降低；恒溫時，密度測量變化不大；隨后冷卻流體使溫度降低，流體的密度測量值又隨之增高；研制的雙壓力振動管密度測量裝置的測量值隨溫度的變化與理論計算值接近，說明該裝置的測量結(jié)果受溫度影響較小。

圖3 鉆井液密度在線測量裝置的溫度影響曲線

3.4 在線測量裝置流速的影響

用螺桿泵通過鉆井液密度在線測量裝置循環(huán)清水，調(diào)整螺桿泵的排量，用建立的鉆井液密度在線測量裝置連續(xù)測量并記錄鉆井液的密度，同時用流量計連續(xù)測量清水的流動速度，實驗結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，整個實驗過程持續(xù)約40 min，隨著泵排量的增加，清水流速從0.1 m3/h增加到0.8 m3/h，而整個過程中該裝置所測量的密度都在0.993 g/cm3附近穩(wěn)定分布，這就證明雙壓力振動管鉆井液密度在線測量裝置的測量結(jié)果受流速影響很小。

圖4 鉆井液密度在線測量裝置的流速影響曲線

4 現(xiàn)場試驗

研制出的雙壓力振動管鉆井液密度在線測量裝置樣機于2016年5月18日～5月31日在坨90-斜13井成功地進行了現(xiàn)場試驗。坨90-斜13井是一口定向井，該井設(shè)計井深為2 539.20 m。自上而下依次鉆遇平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組和沙河街組地層。該井采用聚合物潤滑防塌鉆井液體系，水源使用工業(yè)水。一開配漿開鉆，保持鉆井液具有較強的攜帶和懸浮能力，滿足鉆進需要。二開井段鉆進中及時補充高分子聚合物膠液，抑制頁巖、巖屑分散，確保井眼穩(wěn)定，定向前改小循環(huán)，加入各種鉆井液處理劑，調(diào)整鉆井液性能達到設(shè)計要求。表2為儀器的測量值與手動測量值的對比。從表2可以看出，現(xiàn)場鉆進情況下，雙壓力振動管鉆井液密度在線測量裝置的測量值與手動測量值誤差較小，說明該裝置能夠準確測量鉆井液的實際密度值，具有很好的應用效果。

5 結(jié)論

1.通過鉆井液密度在線測量裝置在現(xiàn)場試驗過程中遇到的問題進行了分析，并在此基礎(chǔ)上進行改進并設(shè)計了串聯(lián)雙壓力振動管密度計作為鉆井液密度在線測量主要部件，實現(xiàn)鉆井液密度的在線測量。

2.通過建立雙壓力振動管鉆井液密度在線測量裝置，驗證了雙壓力振動管式鉆井液密度計方法的可行性；室內(nèi)測試表明，雙壓力振動管式鉆井液密度計精密度高、準確度好，在使用范圍內(nèi)，不受溫度、流速的影響。

參 考 文 獻

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