熊安華

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司地質(zhì)研究中心檢驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163000）

1 概述

石油及天然氣是重要的能源，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及居民生活中發(fā)揮重要作用，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)石油及天然氣資源的需求量不斷上升，國(guó)內(nèi)油氣田產(chǎn)量不能滿足需求，石油及天然氣對(duì)外依存度不斷上升，亟待加強(qiáng)國(guó)內(nèi)油氣資源勘探開發(fā)力度。鉆井工程是油氣勘探開發(fā)的重要手段，鉆井液在鉆井施工過程中具有不可取代作用，具體表現(xiàn)在幾個(gè)方面：一是鉆井液循環(huán)能夠攜帶井底巖屑，清潔井眼；二是鉆井液能夠冷卻鉆頭，提升鉆頭使用壽命；三是高壓下鉆井液能夠協(xié)助破巖；四是鉆井液起到潤(rùn)滑井壁作用，降低摩擦阻力，防止發(fā)生卡鉆或者套管下入困難；五是對(duì)于易水化膨脹地層，強(qiáng)制性鉆井液能夠有效抑制地層水化膨脹，防止發(fā)生井眼垮塌。總之，鉆井液在鉆井施工過程中具有重要作用，為了保證鉆井液施工順利，必須保證鉆井液性能符合要求。鉆井液密度是其重要的性能指標(biāo)，鉆井液密度大小決定井底壓力，密度過大，會(huì)造成井底壓力大于地層坍塌壓力，導(dǎo)致井漏的發(fā)生。鉆井液密度過小，會(huì)導(dǎo)致井底壓力過低，容易發(fā)生井涌、甚至是井噴。隨鉆過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液密度變化，能夠指導(dǎo)鉆井液性能調(diào)整，監(jiān)測(cè)鉆井液異常的發(fā)生，對(duì)于高效安全鉆井具有重要意義。

2 鉆井液密度傳感器原理

液體密度測(cè)量有多種方法，根據(jù)測(cè)量方式的不同分為靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量，其中靜態(tài)測(cè)量原理較為簡(jiǎn)單，測(cè)量精度相對(duì)較高，誤差較小，分辨率高。由于鉆井液密度測(cè)量主要測(cè)量出口及入口密度，鉆井液處于流動(dòng)狀態(tài)，需要采用動(dòng)態(tài)測(cè)量方式，動(dòng)態(tài)測(cè)量密度隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，鉆井液動(dòng)態(tài)測(cè)量主要方式有三種，分別是諧振式密度傳感器、射線式密度傳感器、超聲波式密度傳感器[1]，其中錄井現(xiàn)場(chǎng)較為常見的諧振式密度傳感器。

（1）諧振式密度傳感器。其工作原理是當(dāng)包含液體或周圍接觸有液體時(shí)，傳感器以固有頻率發(fā)生諧振，其諧振頻率f與固體的剛度（K）及固液復(fù)合質(zhì)量（m+ρv）有關(guān)，物體固有頻率與振動(dòng)介質(zhì)物性呈函數(shù)關(guān)系，介質(zhì)的尺寸、形狀、質(zhì)量、應(yīng)力情況都會(huì)影響振動(dòng)頻率。當(dāng)液體體積一定的情況下，其它條件保持不變，通過測(cè)量的諧振頻率能夠計(jì)算液體密度值。

振動(dòng)式密度傳感器組成主要有振子、檢測(cè)電路及安裝支架等組成，其中，振子由振動(dòng)管、振動(dòng)管底座及支架等組成，振子的組成材料為鎳鉻合金，其具有低溫度系數(shù)的特性，適宜做頻率原件。諧振式密度傳感器工作原理如圖1所示，其組成部分主要有功率放大器、激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈、自動(dòng)增益電壓放大器、濾波器、整形電路、移相電路、功率發(fā)大電路等，在外界電脈沖作用下，振動(dòng)管發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)檢測(cè)線圈發(fā)生磁性耦合，可以將振動(dòng)的位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，即將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后電信號(hào)被放大處理，經(jīng)過濾波、整形、移相及功率放大后，加載到激勵(lì)線圈上，用以激勵(lì)振動(dòng)管，從而使振動(dòng)管能夠持續(xù)低振動(dòng)，然后將頻率信號(hào)輸出，測(cè)量到振動(dòng)周期。當(dāng)被檢測(cè)的鉆井液從振動(dòng)管里流過時(shí)，液體與振動(dòng)管同時(shí)振動(dòng)，原來振動(dòng)質(zhì)量只有振動(dòng)管，此時(shí)振動(dòng)質(zhì)量為振動(dòng)管與液體質(zhì)量，總的振動(dòng)質(zhì)量增加了，振動(dòng)管的固有頻率也隨即發(fā)生改變。不同密度鉆井液質(zhì)量不同，得到的振動(dòng)頻率也不同，通過建立振動(dòng)頻率與液體密度的關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體密度的測(cè)量。受到錄井現(xiàn)場(chǎng)條件限制，諧振式密度傳感器不適用于錄井現(xiàn)場(chǎng)。

（2）單晶硅諧振式密度傳感器。單晶硅諧振式密度傳感器上有各H 形的振動(dòng)梁，每個(gè)振動(dòng)梁上都帶有波紋膜片的法蘭，測(cè)量鉆井液密度時(shí)，將法蘭浸沒在鉆井液中，由于兩個(gè)法蘭片所處的深度存在差異，在鉆井液中受到的液體壓力不同，而法蘭片的距離是一定的，二者之間的壓差與鉆井液密度有關(guān)。通過建立密度與壓差的關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井液密度的測(cè)量[2-3]。單晶硅諧振式密度傳感器能夠?qū)翰?、壓力信?hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，頻率信號(hào)輸送到CPU微處理器后，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為4～20mA DC 的電信號(hào)輸出。目前在錄井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多的是單晶硅諧振式密度傳感器。

3 影響因素

單晶硅諧振式密度傳感器測(cè)量時(shí)需要置于鉆井液池中，由于鉆井現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，容易受到多種因素影響，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）鉆井液液面影響。單晶硅諧振式密度傳感器在測(cè)量鉆井液出口密度時(shí)，需要安裝在泥漿出口緩沖槽內(nèi)，由于鉆井施工流量不斷變化，當(dāng)鉆井液流量小時(shí)，緩沖池的液面高度較低，低于傳感器法蘭片高度，使得法蘭片不能浸沒在鉆井液中，不能準(zhǔn)確測(cè)量鉆井液密度。

（2）鉆井液中固相顆粒影響。鉆井液從井底返出時(shí)，會(huì)攜帶大量巖屑顆粒，加之鉆井液中本身還有粘土等，在緩沖池鉆井液流速會(huì)降低，鉆井液中固相顆粒會(huì)發(fā)生沉降，堆積在法蘭片上，使得測(cè)量結(jié)果受到影響。

（3）鉆井液流量不穩(wěn)定造成的影響。鉆井液出口流量是不穩(wěn)定的，會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，在緩沖池高速鉆井液會(huì)對(duì)密度傳感器的法蘭片造成沖擊，法蘭片測(cè)量的壓力值不穩(wěn)定，影響了測(cè)量的精度。

（4）鉆井液固化造成的影響。為了滿足鉆井施工要求，鉆井液會(huì)添加多種物質(zhì)，以改善鉆井液粘度、濾失性、造壁性，使得鉆井液容易形成泥餅，附著在傳感器法蘭片上，降低了法蘭片測(cè)試的靈敏性。

4 密度傳感器的校驗(yàn)

單晶硅諧振式密度傳感器在錄井現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間使用后測(cè)量準(zhǔn)確性會(huì)受到影響，為保證錄井現(xiàn)場(chǎng)密度測(cè)定的準(zhǔn)確性，需要定期進(jìn)行校驗(yàn)。

（1）單晶硅諧振式密度傳感器零位調(diào)整。零位調(diào)整時(shí)將單晶硅諧振式密度傳感器法蘭片置于空氣中，保證法蘭片干燥的情況下，調(diào)節(jié)變送器內(nèi)調(diào)零螺絲，將輸出電壓調(diào)至4mA（±＜0.12mA），調(diào)零后需要等待一段時(shí)間才能斷電，否則調(diào)零失效，零點(diǎn)會(huì)回到調(diào)零之前的位置。

（2）單晶硅諧振式密度傳感器增益調(diào)整。對(duì)單晶硅諧振式密度傳感器進(jìn)行增益調(diào)整時(shí)，需要擰開變送器蓋子，將內(nèi)藏式指示計(jì)插入電路板中，然后將傳感器法蘭片置于清水中，通上電源后，指示表顯示應(yīng)為40%，輸出電流在10.4mA 左右，如若指示表讀數(shù)不是上述讀數(shù)，偏差較大，需要進(jìn)行調(diào)整[4]，調(diào)整方法是按壓顯示器右下方按鈕，直至顯示為“HSET”時(shí)，調(diào)節(jié)調(diào)零螺絲，將顯示調(diào)整至正確示數(shù)，調(diào)整完成后，等待30s時(shí)間，最終調(diào)整完成。

（3）單晶硅諧振式密度傳感器線性調(diào)整。為了進(jìn)行線性測(cè)試，需要使用校驗(yàn)法蘭，將傳感器前端防護(hù)罩拆卸下來，然后在傳感器下法蘭位置連接上校驗(yàn)法蘭。使用一根塑料軟管，向其中裝入清水，擰開校驗(yàn)法蘭上的放氣螺絲，向其中加入一定量的水，待放氣螺絲中有水溢出時(shí)，擰緊螺絲，同時(shí)將塑料軟管水中氣體排凈，之后通電接上電流表，通過改變軟管液面的高度，測(cè)量輸出信號(hào)的變化，記錄下不同高度位置信號(hào)值，應(yīng)與表1中校驗(yàn)值相近，即滿足線性要求。

表1 密度傳感器線性測(cè)試參照表

5 結(jié)束語

隨著國(guó)際油價(jià)持續(xù)在低位徘徊，油氣田開發(fā)利潤(rùn)大大降低，勘探開發(fā)投入不斷減少，鉆井成本也相應(yīng)地進(jìn)行壓縮，鉆井提速是提升鉆井施工效益的重要途徑。為保障安全高效鉆井，必須加強(qiáng)對(duì)鉆井工程狀況監(jiān)測(cè)，鉆井液密度作為重要的性能指標(biāo)，在監(jiān)測(cè)鉆井工程異常、提升鉆井施工效率方面發(fā)揮重要作用。為確保鉆井液密度測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須定期對(duì)鉆井液密度傳感器進(jìn)行校驗(yàn)，以獲得真實(shí)可靠的鉆井液密度參數(shù)，為安全高效鉆井提供技術(shù)保障。