弯管流量计测量高压泥浆的应用研究

引言

高压泥浆（钻井液）是石油钻井作业工程中的重要组成部分，一方面关系着安全、快速、优质钻井，另一方面关系着油气层保护。在实际工作中，人们需要掌握进出井筒的泥浆流量，目前对进入井筒的流量均采用间接测量法，即测量泥浆泵的冲次，再通过缸套直径计算出理论排量，作为进入井筒的排量。而理论排量与实际排量存在差异，如泥浆进入缸筒时由于吸入压头等原因不能完全充满，泵由于异物等原因不能完全关闭等等，都可能存在误差。

由于泥浆是典型的非牛顿流体（即流体的运动规律不符合常规牛顿物理学定律），平时工业应用的流量计测量的都是常规牛顿流体，再加上工况压力高达30Mpa，目前国内外还没有流量计能解决此计量难题；另外，泥浆含有固体颗粒，压力高、流速高，易对流量计造成磨损，一般流量计根本无法适用，以至于国内外目前没有任何流量计能直接测量。

1 主要技术难点

1）泥浆是非常规流体——典型的非牛顿流体，运动规律不符合常规流体。想建立数学模型不能采用简单的流体力学方程——伯努利方程，其深层次的欧拉方程因假设流体为理想流通——粘度为零，也将不能采用。

2）工况压力高达30Mpa，传统流量计无法承受。

3）泥浆含固体颗粒，高压、高流速下对管壁磨损严重。所用流量计还要耐磨损，耐冲刷。

4）现场管道高压下运行时震动很大，流量计必须抗震动，能在震动环境下长期运行。

2 大量流量计的调查研究

根据测量泥浆的技术难点，我们对各种流量计进行了广泛的研究。

1）孔板流量计：占流量计用量的70%，该产品特点是价格低廉，研究时间比较长，在常规流体中应用广泛。缺点是，首先，压力损失太大，增加不必要的动力消耗；其次，本身是一种节流装置，泥浆中固体颗粒过不去，容易淤积，改变管道内截面积的形状，影响计量；再次，不耐磨损，精度靠内孔一条锐角线保证，稍有0.2mm的磨损精度就会受到很大影响。

2）涡街流量计：它测量流体流过传感器产生的漩涡频率反算出流速，进而确定流量。测频率信号最大缺点是怕震动，现场大型设备震动剧烈，该流量计根本无法运行，再加上需要法兰连接，耐压能力不足10Mpa，因此也无法测量泥浆。

3）电磁流量计：该流量计精度高，能测量非牛顿流体。然而泥浆的高压是电磁无法承受的，因此也无法应用。

4）弯管流量计：利用流体流过90度弯管时产生的离心力测流量，外弧受到的压力比内侧更高，根据内外侧压力差计算流速和流量[2]，特点如下：

无节流件，有自清洁功能，固体颗粒不会淤积在传感器处，传感器会被流体冲刷的干干净净；

耐磨损：传感器内表面为弧形结构，不易磨损，即使有轻微磨损，由于弯管传感器是靠整体90度面来保证测量精度，磨损比例很小，精度不易下降；

耐高压：传感器自身就是一个有一定尺寸要求的金属弯头，材质与壁厚都可以与石油管道相同，经金属弯头承压计算，完全能达到35MPa耐压要求；

抗震动：它属于差压式流量计，所有差压式流量计都不怕震动。因为正负压侧同时受震动，干扰值正好互相抵消。

综合比较后，我们选择弯管流量计作为突破口解决高压泥浆计量难题。

3 系统的设计和制造

在现场应用时，测量最关键的难点是要解决导压管防堵问题。采用隔离液导压系统，如图1所示。

图1 隔离液导压系统

隔离罐上方接高静压差压变送器，利用漏斗分别向系统内正负压侧灌硅油隔离液。例如对正压侧灌隔离液，根据U型管液面平衡原理，只要分别打开差压正压侧上方的排气阀，关闭同一侧根部阀，通过漏斗可一次性将导压系统正压侧灌满隔离液，操作简便。运行时打开根部阀投运即可。

由于泥浆比硅油密度大，硅油密度约900kg/m³，泥浆为1000~1300kg/m³，即使泥浆进入隔离罐，也是在下方，不会污染差压变送器；同时硅油与泥浆不互溶，根部阀以上部分始终保持纯净，不会造成密度变化影响差压精度。硅油凝固点为零下，能保证大陆冬季正常运行。

传感器采用加厚不锈钢材质，所有焊点经全部探伤保证安全。差压变送器选用日本原装进口品牌EJA-130A，精度0.075%，耐压42MPa。

主机表液晶显示，外配防爆盒，精度0.05%，功能可根据现场要求随时更换软件。

整体组装在华北理工大学智能仪器厂进行，先用水进行实流标定，满足该V型弯管流量计测量水介质精度为0.5%，再拿到石油钻井工地进行泥浆实验。

4 实验和修正

经系统实验，发现误差是成规律性变化的。每个测点的误差修正后都对应一个流量系数，流量系数变化规律是随着流速的提高系数逐渐减小，并趋于恒定值；随着粘度的增加系数逐渐增大。说明流量系数与雷诺数有关，随着雷诺数的增大流量系数逐渐减小，大到一定程度系数为恒定值。

实验泥浆为常用泥浆，按该泥浆参数做的实验表明，流量高于16L/s系数已非常恒定，+1.4%、+1%，系数修正1%，流量计完全能够保证1.0级精度。而正常使用的流量恰为18~30L/s，非常理想。

整理两天全部实验，描绘出流量系数随雷诺数的变化曲线，拟合流量系数修正公式[3]，使中、高流量下（大于15L/s）精度1.0级，低流量下精度1.5级。

5 取得的成果

这是国内首次实现高压泥浆流量的高精度测量，精度达1%，耐压35MPa。它的研发成功打破石油钻井泥浆计量长期无流量计的历史，与以前的间接测量相比，大大减少计算误差。用于石油钻井生产可帮助判断泥浆泵故障，有利设备的安全稳定运行；在用于固井泥浆量计量的同时，与返浆量进行对比，可精确判断泥浆在井筒内心的漏失量，为提高固井质量提供了可靠保证。

由于弯管流量计直接用于测量泥浆并达到较高的计量精度，为钻井生产工艺的改进、钻井水平和钻井生产效率的提高提供有效的技术支持，拓宽了弯管流量计应用技术领域。