固井作業(yè)是通過固井設(shè)計(jì), 應(yīng)用配套的固井設(shè)備, 輔助設(shè)備及工具, 將油井水泥、水和添加劑按一定的比例混合后, 通過固井泵泵注入井, 并頂替到預(yù)定深度的井壁與套管的環(huán)形空間中, 使套管與井壁之間形成牢固粘接。

泥漿的流量是整個(gè)固井過程中重要參數(shù), 但固井中泥漿的流量測量存在壓力大、成分范圍大, 現(xiàn)場環(huán)境惡劣等特點(diǎn), 目前用的幾種測量方式都有其各自的問題, 現(xiàn)在采用比較廣泛的是渦輪流量計(jì)進(jìn)行測量, 精度雖能滿足要求但使用過程中容易被泥漿堵塞, 影響施工進(jìn)度, 增加維護(hù)成本?？剖狭髁坑?jì)具有精度高、同時(shí)實(shí)現(xiàn)流量和密度的測量, 但由于固井現(xiàn)場惡劣, 振動和壓力問題一直是制約其在此方面應(yīng)用的2個(gè)重要因素。

本文從科氏流量計(jì)的原理結(jié)合我公司現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 針對振動和壓力兩方面進(jìn)行改進(jìn)和嘗試, 對科氏流量計(jì)對此領(lǐng)域的應(yīng)用提供一種新的思路。

當(dāng)一個(gè)位于以P為固定點(diǎn) (旋轉(zhuǎn)中心) 作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的管子內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)做朝向旋轉(zhuǎn)中心或離向旋轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動時(shí), 將產(chǎn)生一慣性力, 原理如圖1所示。

圖中質(zhì)量為δm的質(zhì)點(diǎn)以勻速υ在管道內(nèi)向右運(yùn)動, 而管道圍繞固定點(diǎn)P以角速度ω旋轉(zhuǎn)。此時(shí)這個(gè)質(zhì)點(diǎn)將獲得兩個(gè)加速度分量:

(1) 法向加速度αr (向心加速度) , 其量值等于ω2r, 其方向朝向P點(diǎn)。

(2) 切向加速度αt (科里奧利加速度) , 其量值等于2ωυ, 方向與αr垂直。

由切向加速度產(chǎn)生的作用力稱為科里奧利力, 其大小等于Fc=2ωυδm。在圖1中流體δm=ρA×ΔX, 因此科氏力可以表示為:

式中, A為管道內(nèi)截面積:

對于特定的旋轉(zhuǎn)管道, 其頻率特性是一定的, ΔFc僅取決于δqm。因此直接或間接測量科氏力就可以測量質(zhì)量流量?？剖显碣|(zhì)量流量計(jì)就是根據(jù)上述原理工作的。

實(shí)際的流量傳感器并非實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動, 而代之以管道振動。其原理示意如圖2、圖3、圖4所示。一個(gè)彎管道的兩端被固定, 在兩個(gè)固定點(diǎn)的中間位置給管道施加振動力 (按管道的諧振頻率) , 使其以固定點(diǎn)為軸以其自然頻率ω振動。當(dāng)管道內(nèi)沒有流體流動時(shí), 管道只受外加振動力作用, 管道兩個(gè)半段振動方向相同, 沒有相位差。當(dāng)有流體流動時(shí)受管道內(nèi)流動的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)科氏力Fc的影響 (在管道的兩個(gè)半段科氏力F1、F2大小相等、方向相反圖2) , 管道的兩個(gè)半段按相反的方向發(fā)生扭動, 產(chǎn)生相位差 (圖3、圖4) , 這一相位差同質(zhì)量流量成正比。傳感器的設(shè)計(jì)就是把科氏力的測量轉(zhuǎn)為對振動管兩側(cè)相位時(shí)差的測量, 這就是科氏質(zhì)量流量計(jì)的工作原理。

MTCMF-80G泥漿流量計(jì)是由科里奧利力質(zhì)量流量計(jì)傳感器、信號轉(zhuǎn)換器、傳感器安裝支架以及控制箱等四部分組成。

科氏質(zhì)量流量計(jì)傳感器用于直接測量介質(zhì)的質(zhì)量流量及密度;信號轉(zhuǎn)換器用于將傳感器的測量信號進(jìn)行放大運(yùn)算轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出, 并用于顯示所測流量參數(shù)及密度參數(shù);傳感器支架用于方便傳感器的安裝、使用、維護(hù)及運(yùn)輸保管;控制箱將流量、密度等測量參數(shù)進(jìn)行記錄保存。

根據(jù)現(xiàn)場提供的數(shù)據(jù), 正常泥漿壓力約為20MPa, 此次設(shè)計(jì)壓力為35MPa, 流量計(jì)的傳感器、信號轉(zhuǎn)換器均進(jìn)行的相應(yīng)的調(diào)整, 傳感器部分增加壓力測量部分, 本體采用創(chuàng)新性鍛件方式加工, 與以往的鑄件相比耐壓等級大大提高。測量振管也采用加厚處理, 驅(qū)動機(jī)構(gòu)采取加大驅(qū)動力等方式以適應(yīng)振管的改變。轉(zhuǎn)換器針對壓力進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓力自動補(bǔ)償。

由于科氏質(zhì)量流量計(jì)的原理決定其對外界振動比較敏感, 而固井現(xiàn)場均為室外作業(yè), 環(huán)境比較復(fù)雜, 管路的安裝空間等均有限, 這就要求設(shè)計(jì)既要滿足流量計(jì)對振動的要求, 又要滿足現(xiàn)場工況。

原設(shè)計(jì)采用支架固定, 未加裝固定和減震裝置, 現(xiàn)場試驗(yàn)由于管道壓力高沖擊管路, 造成流量計(jì)大幅擺動, 流量無法正常完成測量。

此次設(shè)計(jì)的傳感器支架由支架體、連接架、定位裝置、減震墊等幾方面組成。

連接架采用十字結(jié)構(gòu), 方便現(xiàn)場運(yùn)輸、清洗、測量, 定位裝置為傳感器狀態(tài)鎖緊裝置, 分為使用狀態(tài)、清洗狀態(tài)、運(yùn)輸 (存儲) 狀態(tài)。

減震墊采用橡膠隔振, 保證流量計(jì)正常工作使用。

控制箱采用交流和電池供電2種方式, 電池采用鉛酸電池可滿足流量計(jì)和其他記錄設(shè)備6-8小時(shí)的正常使用, 信號采用RS485通訊方式上傳至上位機(jī)軟件匯總、分析、記錄等。

現(xiàn)場采用的DN80管道, 泥漿由1號和2號泥漿車同時(shí)輸出, 通過高壓由壬接入流量計(jì), 與原管道使用的兩臺渦輪流量計(jì)串聯(lián)使用, 通過對比質(zhì)量流量計(jì)與兩臺渦輪流量計(jì)總和的測量結(jié)果?，F(xiàn)場泥漿密度1.75g/cm3, 流量約為95m3/h。結(jié)果如表1所示, 科氏質(zhì)量流量計(jì)精度為-0.82%, 與清水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) (表2) 出廠精度0.3%相比精度下降0.52%, 主要原因?yàn)楝F(xiàn)場管道震動影響測量流量計(jì)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明科氏質(zhì)量流量計(jì)在固井平臺應(yīng)用的可行性, 但由于現(xiàn)場環(huán)境的制約, 仍需對流量計(jì)的固定和抗震性能進(jìn)行改進(jìn)和提高。

本文從科氏流量計(jì)的原理結(jié)合我公司的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 針對振動和壓力兩方面進(jìn)行改進(jìn)和嘗試, 實(shí)驗(yàn)證明科氏質(zhì)量流量計(jì)在固井平臺應(yīng)用的可行性, 但由于現(xiàn)場環(huán)境的制約, 仍需對流量計(jì)的固定和抗震性能進(jìn)行改進(jìn)和提高。對科氏流量計(jì)對此領(lǐng)域的應(yīng)用提供一種新的思路。