高压泥浆中使用弯管流量计测量的研究

在石油钻井中，高压泥浆（钻井液）是石油钻井工程中必不可少的组成部分，它一方面关系着能否快速、安全、优质地进行钻井；一方面，关系着油气层的保护工作。在实际工作中，需要掌握进出井筒的泥浆流量。而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理论排量，进而作为进入井筒的排量。因此，在钻井工程中，需要对进出井筒的高压泥浆流量进行测量。

1  技术难点

高压泥浆所处工业环境的压力非常大，高达30 MPa，传统流量计无法承受此压力；泥浆含有大量固体颗粒，在高压、高流速时会对管壁造成极大的磨损，选用的流量计必须耐磨损、耐冲刷；管道高压下运行时会产生很大的震动，因此，流量计要抗震，且能在震动环境中长期、正常运行。

2  各类流量计的对比

2.1  孔板流量计

孔板流量计在全部流量计中的使用率占到了70%，主要是因为其开发的时间较早且费用低。但也存在不少缺点，比如压力损失大、有很多不必要的动力消耗、固体颗粒难以通过而造成管道内截面变形和耐损性差等。

2.2  超声波流量计

超声波流量计是根据多普勒效应设计的，在其一端可发射超声波信号，由另一端接收，发射的同频率信号在不同流速时的接收频率不同。根据上述原理，可通过接收的信号反推出流速和流量。但超声波流量计对安装和现场工况都有限制，不能存在过大的工频和变频干扰。

2.3  电磁流量计

电磁流量计的精度很高，可以测量非牛顿流体，但无法承受高压泥浆的压力。

2.4  弯管流量计

弯管流量计利用流体流过90°弯管时产生的离心力进行测量，内弧受到的压力比外侧小，从而可依据内、外的压力差计算流速和流量，且具有无节流件、耐磨损、耐高压和抗震动等特性，非常适合在高压泥浆流量计算中应用。

3  系统设计、制造

在高压泥浆的实际应用中，进行流量计测量的最大难点是导压管堵塞，因此，采用了隔离液导压系统。隔离罐的上方连接了高静压差压变送器，利用漏斗向系统内部正、负压侧分别灌入硅油隔离液。

在对正压侧灌入隔离液时，根据U形管液面平衡原理，只需要打开差压正压侧上方的排气阀、关闭同一侧的根部阀，再通过漏斗就可以一次性将导压系统正压侧灌满隔离液，操作方便。在运行时，只要打开根部阀即可投入运行。

由于泥浆的密度比硅油大，硅油的密度约为900 kg/m³，泥浆的密度约为1 000～1300 kg/m³，所以，即使泥浆进入隔离罐，也会积在其下方，不会对差压变送器造成任何污染；同时，硅油与泥浆互不相溶，根部阀以上部分会始终保持纯净，密度不会变化，不会影响差压精度。硅油凝固点在0 ℃以下，基本可保证流量计在冬季的正常运行。

该弯管流量计的传感器采用加厚不锈钢，所有焊点经全部探伤。差压变送器选用日本原装进口品牌EJA-130A，精度为0.075%，耐压为42 MPa。

流量计的主机表为液晶显示，外加有防爆盒，精度在0.05%，可以根据测量场地的实际需求随时更换所使用的软件。

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形弯管流量计测量水介质的精度为0.5%，之后拿到石油钻井工地进行泥浆实验。

4  实验

通过各种实验发现，该系统的误差变化是有规律的。在每一个监测点的误差修正后，均对应着一个流量系数，其会随流速的提高而减小，逐渐趋于恒定值；随着黏度的增加而增大。由此可见，流量系数与雷诺数有关，随着雷诺数的增大而逐渐减小，雷诺数增大到一定程度时，流量系数为恒定值。

实验时所用的泥浆为常用泥浆，流量高于16 L/s时，流量系数接近恒定，为+1.4%和+1%，系数修正1%，流量计完全能保证1.0级精度。而正常使用的流量为18～30 L/s，因此，实验效果非常理想。

5  结束语

由以上研究可看出，在高压泥浆中使用弯管流量计测量可达到较高的计量精度，能为钻井生产工艺的改进、钻井生产效率的提高提供有效的技术支持，拓宽了弯管流量计在工业应用中的技术领域。

参考文献

［1］李玉柱，苑明顺.流体力学［M］.北京：高等教育出版社，1998.

 

〔编辑：张思楠〕