幾種流量傳感器在鉆井液測量上的應用探討

郭利

摘 要：泥漿流量傳感器在鉆井過程中具有非常重要的作用，它主要用于實時監測鉆井液出口流量，對于預防地層垮塌、鉆井液漏失、卡鉆、掉鉆具、刺鉆具等工程事故的發生，具有直觀的判斷效果。隨著電子技術的發展，流量傳感器也在不斷更新，文章主要探討幾種適于泥漿測量的流量傳感器方案，具有一定的應用參考價值。

關鍵詞：流量傳感器；擋板式；電磁式；超聲波；非滿管

隨著勘探技術的不斷發展及電子技術的不斷進步，新型流量傳感器將被引用到勘探領域中，目前在鉆井和錄井現場都安裝有流量傳感器，泥漿流量的監控對于安全鉆井、防止工程事故的發生具有非常積極的作用。

由于鉆井泥漿自身的特性：粘度大、密度大、非牛頓流體、低雷諾系數等，使我們對流量傳感器的選擇有很大的局限性，在國內以及國際鉆井現場常用的流量傳感器基本有兩種，一種是傳統的擋板式流量傳感器，還有一種就是電磁流量傳感器。隨著超聲波技術的發展進步，利用超聲波原理制造的流量傳感器也逐漸成熟，在許多領域都有應用，尤其在污水處理方面早有應用，我們探討將其引入到鉆井液流量的測量。

下面對幾種測量方案進行比較，列出各自的優缺點，供大家參考。

1 擋板式流量傳感器

我們所用的擋板式流量傳感器主要指電位計式的，是根據鉆井液流體連續性原理和伯努利方程以及擋板受力的分析，得出流量與傳感器擋板之間的函數關系，并以電阻值線性變化反映擋板的角位移，測得鉆井液流量的相對變化，這種傳感器俗稱擋板式流量傳感器。它是目前應用最多、價格最低廉的流量傳感器，主要測量泥漿的相對變化量，我們通常用占出口滿管的百分比表示，滿管流量標定為100%，根據流量的變化情況來判斷泥漿循環系統的工作是否正常。這樣測得的流量是相對流量，只能定性地反映泥漿的變化情況，不能定量測量。在國外，鉆井監督總是要求我們定量測量出口流量，受老式傳感器的局限性影響我們只能給出定性的結果，導致監督很不滿意，這也是我們探討新型流量傳感器的一個原因。

這種擋板式傳感器要根據泥漿的實際情況來選擇適當的配重塊，以達到最佳測量的目的，配重塊選大了，靈敏度低，選小了又不回零，在實際應用中其擋板也很容易被泥漿和巖屑所粘附，直接影響測量結果。

另外，由于泥漿一直對擋板有沖擊，通過齒輪帶動相連的電位計不停轉動，電位計內部是靠接觸摩擦來改變阻值大小的，金屬觸點和碳膜的直接摩擦將導致碳膜的損壞，所以在現場要經常更換電位計，這非常影響鉆井工作的正常進行。

2 電磁流量計

常見的電磁流量計有兩種，一種是插入式的，一種是管道式的。

插入式電磁流量計是在直桿上面有兩個電極，直桿伸到管道內部，優點是體積小巧，法蘭式安裝。缺點是測量精度不夠高，電極易磨損，不耐用。

管道式電磁流量計通常是采用不同直徑大小的管段，內敷聚四氟乙烯、氯丁橡膠、聚氨酯橡膠、耐酸橡膠等材料做襯里，主要適合滿管流體的測量。其優點是耐磨損、精度高，反應靈敏。缺點是體積較大，通常和管道直徑一樣大，適合滿管泥漿測量，而鉆井現場泥漿出口管線基本都是非滿管的，需要在管道上人為制造一段下凹段進行安裝，容易造成巖屑堆積、甚至堵塞管道。

3 超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器是一種非接觸式的儀表，主要用于不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量流體的測量。

超聲波流量傳感器的特點：

（1）不會改變流體的流動狀態，不產生附加阻力。

（2）可管外安裝、非接觸測流。

（3）測量準確度不易受流體參數的影響，因為是非接觸式測量，所以能夠解決具有強腐蝕性、非導電性、放射性、易燃易爆性流體的流量測量問題。

下面重點介紹兩種適于泥漿測量的非滿管型超聲波流量計，此兩種設計方案，均采用多普勒速度傳感器和液位傳感器相結合進行非滿管測量，一種是壓差式液位計，另一種是超聲波液位計。

（1）壓差式液位計

壓差式液位計測量液位時，將傳感器放置在水區底部附近，通過水靜壓傳感器將大氣壓作為水靜壓傳感器測量參考壓力，測量流體壓力，從而計算出液位的高度。同時，為減小流體的速度對壓力傳感器的影響，壓力傳感器采用獨特的形狀。此種傳感器把流速和液位傳感器集成于一體，主要采用管道內抱箍安裝法。

（2）超聲波液位計

超聲波液位計的工作原理是采用收發合一的陶瓷超聲波換能器發出高頻超聲波脈沖，聲波的發射和接收都由同一個探頭完成。探頭向被測液面發射超聲波信號，超聲波由探頭經傳播介質傳播至被測液面，在液面上形成反射，反射波沿原路徑傳播至探頭，被探頭接收并轉換成電信號。此種傳感器測量液位高度，流速傳感器采用外夾式安裝方式，非接觸式測量，無磨損，效果好。

4 結束語

流量傳感器雖然種類較多，但是對于泥漿測量都有一定的局限性，泥漿屬于非牛頓流體，其成分又相對復雜，對于流量傳感器的選擇有一定的難度，傳統的擋板式流量傳感器因其測量精度低，只能定性地判斷出口流量的變化情況，處于被淘汰的邊緣，電磁流量計又不適合非滿管流量的測量，新型的超聲波流量傳感器從原理上適合鉆井泥漿的測量，是一種新技術，后期還需經過一系列的現場試驗證明其可行性。隨著科技的發展和微電子技術的進步，更加新型的流量傳感器將被不斷地引入到勘探領域中來，對于鉆井工程事故的準確預報起到非常重要的作用。

參考文獻

[1]迪納聲超聲流量計產品使用說明書（適用于DTFX1020非滿管）[Z].

[2]電磁流量計工作原理（來自網絡）[Z].