新型非核非接觸密度計在固井和壓裂作業中的應用

趙竹庭，木合塔爾·克力木，趙 輝，張 虎，喬增軍

新型非核非接觸密度計在固井和壓裂作業中的應用

趙竹庭1，木合塔爾·克力木2，趙 輝3，張 虎4，喬增軍4

（1．蘭州非接觸測量研究所，蘭州730030；2．西部鉆探固井壓裂工程公司，新疆克拉瑪依834000；3．蘭州礦場機械有限公司，蘭州730070；4．新疆油田公司工程技術三分公司，新疆克拉瑪依834000）

準確的密度測量對于油田固井和壓裂作業非常重要。固井水泥漿和壓裂液都含有大量的顆粒物質，在高壓液體的攜帶下，細小的顆粒具有很強的沖刷和切削力量，對接觸式測量儀表的核心部件都具有很強的破壞性，甚至會損壞儀表。研制了一種新型的不用核材料的非接觸測量裝置，作為井口數據的終端測量裝置應用于油田密度、砂比、流量的測量。介紹了該裝置的結構原理及在油田現場的應用情況。

非核非接觸；密度計；流量計；固井；壓裂；直接測量

中石油在2009年頒布的《固井技術規范》中第九十七條要求：注水泥應按設計連續施工，水泥漿密度應保持均勻，平均密度與設計密度誤差不超過0．025 g／cm3；第九十八條要求：應采用儀表計量和人工計量方式同時計量注替參數和數量并相互核對；第九十九條要求：應采用固井壓力、排量、密度實時采集系統，連續監控施工過程，為固井過程質量評價創造條件［1］。但就目前的測量手段來說，暫時還沒有能在井口直接測量泥漿密度的產品，只能把水泥車上的車載密度計測量值作為施工最終參數記錄下來。假如有2臺或2臺以上水泥車同時往管匯里注水泥漿，那么井口最終水泥漿的密度就無法準確得知了。只有在井口進行最終的直接測量，才能獲得直接的、準確的測量值。

密度計按照原理來分，可分為浮子式密度計、差壓式密度計、科氏力密度計、放射性核密度計等。在石油行業中，差壓式密度計、科氏力密度計、放射性核密度計在實際生產中都有應用，其中只有放射性核密度計能真正實現非接觸測量。固井水泥漿和壓裂液都含有大量的顆粒物質，在高壓液體的攜帶下，細小的顆粒同樣具有很強的沖刷和切削力量，這對接觸式測量儀表的核心部件都具有很強的破壞性，甚至會損壞儀表。而且這些接觸式測量儀表大都無法承受高壓，所以基本不能作為終端測量儀表來使用。

放射性核密度計具有非接觸、不受介質特性影響、可以承受高壓、測量快速準確的特點，但是測量時必須依靠放射性同位素作為測量源，雖然輻射當量能滿足環保要求，但目前已經基本不在油田現場使用了。

新疆油田公司和蘭州非接觸測量研究所聯合，在蘭州礦場機械有限公司的緊密配合下，經過近10 a的攻關，研制生產出“丹斯帝”系列非核輻射、非接觸工業用（油田系列）高壓密度計、流量計，具有不接觸介質、承受壓力高、結構簡單的特點，完全能滿足固井和小型壓裂的終端測量要求。

1　技術分析

1．1測量原理［2-4］

不同密度的介質在流經一個固定電場時，會改變形成電場的電極之間的介電常數，介電常數的變化會直接反映在電極之間電容值的變化。依據Clausius-M ossotti方程，物質的密度ρ和相對介電常數ε之間的關系為

式中：M為該物質的極化率。

推導后為

研究表明，兩相流或三相流混合液中固相和水的極化率均為常數。所以密度的變化會反映在介電常數的變化上。

電容電極間介電常數與電容值之間的關系為

式中：ATC為電容器的結構常數。兩式聯立得

由上可知，密度和傳感器的電容值建立了對應關系，可以通過測量傳感器的電場中電極電容值的變化得到流體的密度。

1．2 傳感器結構［5］

傳感器由不銹鋼制成的多層同心圓構成，每層之間加有絕緣層，同心圓的單數層為1個電極，雙數層為1個電極，中間為測量通道，電極引出線為多層屏蔽線。如圖1所示。雙層屏蔽線采用整體屏蔽聯結，內屏蔽層相互聯通與放大器電路板接地聯通，構成等電位體，外層屏蔽層與傳感器外部金屬結構聯通，并與傳輸電纜和二次表接地聯通，以此盡量降低耦合容抗對監測的影響。

圖1　傳感器結構

由于制造工藝的特殊性，每個傳感器最后形成的特性參數都略有不同，這就需要在出廠前進行標定。每個傳感器的標定參數都不一樣，所以每個傳感器都有不同的部件號，以便在更換傳感器后按照對應的標定參數調整二次表的系數。這樣就保證了傳感器具有互換性。

1．3 信號檢出電路

為了盡量縮短電極輸出線和前置放大器之間的距離，前置放大器電路集成在傳感器結構內，這樣既保證監測的靈敏度［6］，也可以最大限度地降低干擾。根據M c H aled的研究，對于在線電容值的測量，具

體電路原理如圖2所示。

圖2　信號檢出電路原理

信號檢出電路原理框圖如3所示。

圖3　信號檢出電路原理

1．4 高抗噪濾波電路［7］

由于所能監測到的信號非常微弱，還有分布電容和外界的干擾，為了能保證測量的效果，所以采用目前先進的信號處理方法，即旋轉電容濾波方式。

旋轉電容濾波電路具有高速開關特性，它有很強的噪聲抑制能力。濾波電路主要由高性能Bi-F E T運算放大器A D542和高速電子開關A D7510DIS Q構成。具體電路如圖4所示。

圖4　高抗噪濾波電路

1．5 采樣整形電路［8］

經過上述旋轉電容濾波后，信號就被整形成交流方波信號。為了便于測量和傳輸，需要把信號變成直流電壓信號，同時進一步對信號進行抑制干擾處理。具體電路如圖5所示。

圖5　采樣整形電路

2　現場應用

2．1 在固井水泥車上應用

蘭州礦場機械有限公司制造的固井水泥車有二次回流混漿功能。利用“丹斯帝”密度計開發的自動混漿控制系統，把測得的密度信號反饋到控制系統中，參與二次混漿的密度自動控制，通過試驗證明，密度計抗振動性能比進口的科氏力密度計還好，并且參數穩定，滯后小。

具體過程如下：將“丹斯帝”D S T-M-2F型法蘭式密度計連接在回流管匯上，通徑為D N50（2英寸），使用前先用平衡式密度計測量出水泥漿密度，根據“丹斯帝”密度計液晶屏顯示數據，調整標定系數，使顯示值和實際測量值一致，經過2次標定，“丹斯帝”密度計就可以正常投入使用了。經過一段時間的多臺車的隨車使用，“丹斯帝”密度計具有測量準確、無滯后現象、測量通道無障礙、不會堵塞、清洗容易的優點。根據其原理可知，這款密度計產品抗震性能好，免維護，得到了用戶的肯定。

2．2 在壓裂混砂車上應用

目前，大多數混砂車在測量砂比時都是采用計算法得到砂比，即用渦輪流量計測得清水流量，用脈沖計數法算出砂量，通過后臺計算出砂比。利用“丹斯帝”密度計開發的混砂車砂比＋液位自動控制系統，在混砂車上使用，解決了目前混砂車砂比無法直接測量的難題，把砂比信號引入砂比自動控制回路，可以實現砂比自動跟蹤及自動控制，加上液位自動控制系統，大幅度提高了混砂車的品質。

具體過程如下：在混砂車上，從混合罐用離心泵分離出混合液，通過“丹斯帝”密度計就可直接得到砂比讀數。

3　擴展應用

“丹斯帝”非接觸工業流量計是和密度計采用同一原理開發研制成功的，流量計和密度計可以輕松整合成一個產品，實現密度、瞬時排量、累計排量的同時測量。

4　結論

1） 新型非核非接觸工業密度計突破目前的測量手段，實現了真正非接觸高壓介質流量的測量。

2） 系統解決了密度、砂比、粒度、流量的直接測量難題，具有測量通道無障礙、不會堵塞、清洗容易的優點。

3） 抗震性能好，免維護，可以承受高壓，并可作為井口數據的終端測量裝備。

［1］ 中國石油天然氣集團公司．固井技術規范［S］．2009．

［2］ 李興華．密度測量與應用［J］．中國計量，1999（3）：54-55．

［3］ 江芋葉，張鵬．漿態電容式密度計及液位計的實驗研究［J］．低溫與超導，2010，38（5）：19-23＋30．

［4］ M c H ale．Capacitively coupled magnetic flow meter：U S，451624［P］．1996-10-26．

［5］ 李斌，姚駿．一種集成式漿體濃度流量傳感器：中國，02217816［P］．2002-05-30．

［6］ 曾慶勇．微弱信號檢測［M］．杭州：浙江大學出版社，1994．

［7］ 萬力．基于正弦波勵磁的電容式電磁流量計的研制［D］．成都：電子科技大學，2008．

［8］ 張小章．基于流動電磁測量理論的流場重建［J］．計量學報，1998（1）：40-44．

New Non-nuclear and Non-contact Density M eter in Cementing and Fracturing Application

ZHAO Zhuting1，MUHETAER·Kelimu2，ZHAO Hui3，ZHANG Hu4，QIAO Zengjun4
（1.Lanzhou Institute of N on-contact M easurement，Lanzhou730030，China；2.Cementing and Fracturing Engineering Com pany，CCDC，K ara m ay834000，China；3.Lanzhou Oil Field M achinery Co.，Ltd.，Lanzhou730070，China；4.Engineering and Technology Third Branch，Xinjiang Oilfield Com pany，K ara m ay834000，China）

The accurate density measurements are very im portant for oilfield cementing and fracturing operations．Cementing slurries and fracturing fluids contain large a m ounts of particulate matter，in carrying liquid under high pressure，small particles with strong erosion and cutting power to the core co m ponents of the instru ment-contact measurement are highly destructive，even da mage the meter．A new type of nuclear materials without non-contact measurement device was developed，as the terminal data wellhead measuring device was used to measure the density of oil，sand ratio，and flow．T he principle structure of the device and application in the field Oilfield is introduced in this paper．

non-nuclearandnon-contact；densito meter；flow meter；cementing；fracturing；direct measurement

T E937

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．021

1001-3482（2015）01-0089-04

2014-10-12

趙竹庭（1940-），男，教授級高級工程師，主要從事非接觸測量研究。