彎管流量計在高壓泥漿中的應用

摘要：提出了一種使用彎管流量計的高壓泥漿測量方法，分析了技術難點，對比了各種流量計的優、缺點。在設計、制作出流量計后進行了實驗分析。實驗證明，在高壓泥漿中使用彎管流量計進行流量測量是可行、有效的。
在石油鉆井中，高壓泥漿（鉆井液）是石油鉆井工程中必不可少的組成部分，它一方面關系著能否快速、安全、優質地進行鉆井；一方面，關系著油氣層的保護工作。在實際工作中，需要掌握進出井筒的泥漿流量。而目前對進入井筒的流量均采用間接測量法，即測量泥漿泵的沖次，再通過缸套直徑計算理論排量，進而作為進入井筒的排量。因此，在鉆井工程中，需要對進出井筒的高壓泥漿流量進行測量。
1、技術難點
高壓泥漿所處工業環境的壓力非常大，高達30MPa，傳統流量計無法承受此壓力；泥漿含有大量固體顆粒，在高壓、高流速時會對管壁造成極大的磨損，選用的流量計必須耐磨損、耐沖刷；管道高壓下運行時會產生很大的震動，因此，流量計要抗震，且能在震動環境中長期、正常運行。
2、各類流量計的對比
2.1孔板流量計
孔板流量計在全部流量計中的使用率占到了70%，主要是因為其開發的時間較早且費用低。但也存在不少缺點，比如壓力損失大、有很多不必要的動力消耗、固體顆粒難以通過而造成管道內截面變形和耐損性差等。
2.2超聲波流量計
超聲波流量計是根據多普勒效應設計的，在其一端可發射超聲波信號，由另一端接收，發射的同頻率信號在不同流速時的接收頻率不同。根據上述原理，可通過接收的信號反推出流速和流量。但超聲波流量計對安裝和現場工況都有限制，不能存在過大的工頻和變頻干擾。
2.3泥漿流量計 
泥漿流量計的精度很高，可以測量非牛頓流體，但無法承受高壓泥漿的壓力。
2.4彎管流量計
彎管流量計利用流體流過90°彎管時產生的離心力進行測量，內弧受到的壓力比外側小，從而可依據內、外的壓力差計算流速和流量，且具有無節流件、耐磨損、耐高壓和抗震動等特性，非常適合在高壓泥漿流量計算中應用。
3、系統設計、制造
在高壓泥漿的實際應用中，進行流量計測量的最大難點是導壓管堵塞，因此，采用了隔離液導壓系統。隔離罐的上方連接了高靜壓差壓變送器，利用漏斗向系統內部正、負壓側分別灌入硅油隔離液。
在對正壓側灌入隔離液時，根據U形管液面平衡原理，只需要打開差壓正壓側上方的排氣閥、關閉同一側的根部閥，再通過漏斗就可以一次性將導壓系統正壓側灌滿隔離液，操作方便。在運行時，只要打開根部閥即可投入運行。由于泥漿的密度比硅油大，硅油的密度約為900kg/m3，泥漿的密度約為1 000～1 300kg/m3，所以，即使泥漿進入隔離罐，也會積在其下方，不會對差壓變送器造成任何污染；同時，硅油與泥漿互不相溶，根部閥以上部分會始終保持純凈，密度不會變化，不會影響差壓精度。硅油凝固點在0℃以下，基本可
保證流量計在冬季的正常運行。
該彎管流量計的傳感器采用加厚不銹鋼，所有焊點經全部探傷。差壓變送器選用日本原裝進口品牌EJA-130A，精度為0.075%，耐壓為 42 MPa。
流量計的主機表為液晶顯示，外加有防爆盒，精度在0.05%，可以根據測量場地的實際需求隨時更換所使用的軟件。
整體組裝在華北理工大學智能儀器廠進行，先用水進行實流標定，滿足該V形彎管流量計測量水介質的精度為0.5%，之后拿到石油鉆井工地進行泥漿實驗。
4、實驗
通過各種實驗發現，該系統的誤差變化是有規律的。在每一個監測點的誤差修正后，均對應著一個流量系數，其會隨流速的提高而減小，逐漸趨于恒定值；隨著黏度的增加而增大。由此可見，流量系數與雷諾數有關，隨著雷諾數的增大而逐漸減小，雷諾數增大到一定程度時，流量系數為恒定值。
實驗時所用的泥漿為常用泥漿，流量高于16L/s時，流量系數接近恒定，為+1.4%和+1%，系數修正1%，流量計完全能保證1.0級精度。而正常使用的流量為18～30L/s，因此，實驗效果非常理想。
5、結束語
由以上研究可看出，在高壓泥漿中使用彎管流量計測量可達到較高的計量精度，能為鉆井生產工藝的改進、鉆井生產效率的提高提供有效的技術支持，拓寬了彎管流量計在工業應用中的技術領域。

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