幾種流量傳感器在鉆井液測量上的應(yīng)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(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井液出口流量，對于預(yù)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(fā)生，具有直觀的判斷效果。隨著電子技術(shù)的發(fā)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(yīng)用參考價(jià)值。

關(guān)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(shù)的不斷發(fā)展及電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型流量傳感器將被引用到勘探領(lǐng)域中，目前在鉆井和錄井現(xiàn)場都安裝有流量傳感器，泥漿流量的監(jiān)控對于安全鉆井、防止工程事故的發(fā)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(shù)等，使我們對流量傳感器的選擇有很大的局限性，在國內(nèi)以及國際鉆井現(xiàn)場常用的流量傳感器基本有兩種，一種是傳統(tǒng)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(shù)的發(fā)展進(jìn)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(lǐng)域都有應(yīng)用，尤其在污水處理方面早有應(yīng)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(jìn)行比較，列出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jì)式的，是根據(jù)鉆井液流體連續(xù)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(shù)關(guān)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(yīng)用最多、價(jià)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(biāo)定為100%，根據(jù)流量的變化情況來判斷泥漿循環(huán)系統(tǒng)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(jiān)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(jié)果，導(dǎo)致監(jiān)督很不滿意，這也是我們探討新型流量傳感器的一個(gè)原因。

這種擋板式傳感器要根據(jù)泥漿的實(shí)際情況來選擇適當(dāng)?shù)呐渲貕K，以達(dá)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(shí)際應(yīng)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(jié)果。

另外，由于泥漿一直對擋板有沖擊，通過齒輪帶動(dòng)相連的電位計(jì)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，電位計(jì)內(nèi)部是靠接觸摩擦來改變阻值大小的，金屬觸點(diǎn)和碳膜的直接摩擦將導(dǎo)致碳膜的損壞，所以在現(xiàn)場要經(jīng)常更換電位計(jì)，這非常影響鉆井工作的正常進(jìn)行。

2 電磁流量計(jì)

常見的電磁流量計(jì)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(jì)是在直桿上面有兩個(gè)電極，直桿伸到管道內(nèi)部，優(yōu)點(diǎn)是體積小巧，法蘭式安裝。缺點(diǎn)是測量精度不夠高，電極易磨損，不耐用。

管道式電磁流量計(jì)通常是采用不同直徑大小的管段，內(nèi)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(yōu)點(diǎn)是耐磨損、精度高，反應(yīng)靈敏。缺點(diǎn)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(xiàn)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(jìn)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(diǎn)：

（1）不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力。

（2）可管外安裝、非接觸測流。

（3）測量準(zhǔn)確度不易受流體參數(shù)的影響，因?yàn)槭欠墙佑|式測量，所以能夠解決具有強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性、易燃易爆性流體的流量測量問題。

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

（1）壓差式液位計(jì)

壓差式液位計(jì)測量液位時(shí)，將傳感器放置在水區(qū)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(jì)算出液位的高度。同時(shí)，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(dú)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(nèi)抱箍安裝法。

（2）超聲波液位計(jì)

超聲波液位計(jì)的工作原理是采用收發(fā)合一的陶瓷超聲波換能器發(fā)出高頻超聲波脈沖，聲波的發(fā)射和接收都由同一個(gè)探頭完成。探頭向被測液面發(fā)射超聲波信號，超聲波由探頭經(jīng)傳播介質(zhì)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(zhuǎn)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(jié)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(fù)雜，對于流量傳感器的選擇有一定的難度，傳統(tǒng)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(jì)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(shù)，后期還需經(jīng)過一系列的現(xiàn)場試驗(yàn)證明其可行性。隨著科技的發(fā)展和微電子技術(shù)的進(jìn)步，更加新型的流量傳感器將被不斷地引入到勘探領(lǐng)域中來，對于鉆井工程事故的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)起到非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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