液体密度监测装置的制作方法

本实用新型涉及石油钻探领域，尤其涉及一种液体密度监测。

背景技术：

钻井液在钻进过程中发生油气侵，钻井液密度会发生变化，如果没有实时监测钻井液密度的变化，则可能会引发井涌等事故，给钻井安全生产过程中的井控安全埋下隐患，造成不必要的人力和经济损失。

目前，对液体密度进行监测，例如对钻井液密度进行监测时，通常依靠人工完成。具体的，需要人工采取钻井液，并通过钻井液密度检测装置，如泥浆比重计(比重秤)进行测量，以得出钻井液密度。

然而，现有技术中，在每次测量钻井液密度时，均需要人工采取钻井液再进行测量，从而造成钻井液密度的监测效率较低。

技术实现要素：

针对目前液体密度的监测效率较低的问题，本实用新型提供一种液体密度监测装置，不仅实现了液体密度的实时监测，而且提高了液体密度的监测的效率。

本实用新型提供了一种液体密度监测装置，包括：

浮子，所述浮子部分沉浸在液体内，且所述浮子可随液体密度的变化上下浮动，所述液体盛放在稳定槽中，且具有预设高度；

连接组件，所述连接组件位于所述浮子上方并与所述浮子连接，所述连接组件可与所述浮子同步移动；

电位计，所述电位计包括在所述稳定槽上的固定端以及与所述固定端接触导通的电接触件，所述电接触件和所述连接组件固定连接，且所述电接触件可沿竖直方向相对于所述固定端滑动，所述电位计中流过的电流大小随所述电接触件和所述固定端之间相对位置的变化而改变；

计算组件，分别与所述固定端以及所述电接触件连接，以和所述电位计共同构成电路回路，所述计算组件用于测量所述电路回路中的电流值，并将所述电流值转化为密度值。

本实用新型提供的液体密度监测装置，通过将稳定槽固定在泥浆罐的导流槽中，而且稳定槽内液体液面高度一定，所述浮子根据液体的密度大小上下浮动，带动所述连接组件上下移动，进而带动所述电位计中电接触件的上下移动，使电接触件与所述固定端的接触位置发生改变，进而使连入闭合电路中的电阻值发生改变，最后，经计算组件，计算电路中的电流值，以及根据预设的电流和密度之间的对应关系，将所述电流值转换为密度值，这样，不仅可以提高液体密度监测的效率以及精确度，而且使得液体密度的监测方式更安全。

可选的，所述连接组件包括竖直设置的比重杆，所述比重杆的底部与所述浮子连接。

可选的，所述比重杆上设置有至少一个第一滑环，所述第一滑环与所述固定端固定连接。

可选的，在所述第一滑环的数量为两个时，两个第一滑环分别设置在所述电接触件的两侧。

可选的，所述固定端包括竖直设置的电阻棒，所述电接触件包括第二滑环，所述第二滑环套设在所述电阻棒上，所述第二滑环与所述比重杆固定连接。

可选的，所述稳定槽的入口处还设置有过滤网。

可选的，所述电接触件包括碳刷。

可选的，在所述稳定槽的所述预设高度处，还设置有预留的开口。

可选的，所述浮子的形状为球形。

可选的，所述浮子的材料为塑料。

本实用新型提供的液体密度监测装置，包括浮子，连接组件，电位计和计算组件，其中，浮子部分沉浸在液体内，且浮子可随液体密度的变化上下浮动，该液体盛放在稳定槽中，且具有预设高度，上述连接组件位于浮子上方并与浮子连接，连接组件可与浮子同步移动，上述电位计包括在稳定槽上的固定端以及与固定端接触导通的电接触件，该电接触件和连接组件固定连接，且电接触件可沿竖直方向相对于固定端滑动，电位计中流过的电流大小随电接触件和固定端之间相对位置的变化而改变；计算组件分别与固定端以及电接触件连接，以和电位计共同构成电路回路，计算组件用于测量电路回路中的电流值，并将电流值转化为密度值。由于浮子会随着液体密度的不同而上下浮动，进而会带动连接组件的同步移动，这样，电位计中电接触件也会发生上下移动，使电接触件与固定端的接触位置发生改变，进而使连入闭合电路回路中的电阻值的大小发生变化，计算组件通过计算电路回路中的电流值，并将电流值转化为密度值，从而实现液体密度的监测，避免了现有技术中需要依靠人工采取液体并通过比重秤等测量工具，进行液体密度测量的现象，由此不仅可以提高液体密度监测的精确度和效率，而且可以避免液体采取过程中，工作人员可能受到的安全威胁。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是钻井液密度在线实时监测装置示意图；

图2是标定电流-密度变化曲线；

图3为本实用新型实施例提供的液体密度监测方法实施例一的流程示意图。

附图标记说明：

1：稳定槽

2：浮子

3：钻井液

4：过滤网

5：固定端

6：连接组件

7：第一滑环

8：电接触件

9：软导线

10：计算组件

11：标定的标准值1

12：标定的标准值2

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供的液体密度监测装置，可以适用于对任何液体介质的密度进行监测的场景中。本实用新型中均以监测钻井液的密度为例进行说明。

钻井液(原称泥浆)是指钻井中使用的工作流体。它可以是钻井液或气体。因此，钻井液应确切地称为钻井流体。钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。又称钻孔冲洗液。钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等。清水是使用最早的钻井液，无需处理，使用方便，适用于完整岩层和水源充足的地区。泥浆是广泛使用的钻井液，主要适用于松散、裂隙发育、易坍塌掉块、遇水膨胀剥落等孔壁不稳定岩层。

钻井液的密度是指每单位体积中钻井液的质量，常用g/cm3(或者kg/m³)来表示。在钻井工程上，钻井液密度和泥浆比重是两个等同的术语。其英制单位通常为bl/gal(即磅/加仑，或者写作ppg)，其换算关系为1g/cm³＝8.331bl/gal。

钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参数。通过钻井液密度的变化，可调节钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力时亦用于平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。

钻井过程中，井壁(地层)坍塌应力P塌一旦产生，井壁岩石必然逐渐掉入井中，形成垮塌；遇到这种情形，我们可以用井内泥浆液柱压力来有效地平衡，当泥浆压力P泥大于等于P塌时，则井壁保持稳定；当P泥小于P塌时，则发生井塌。

除了P塌之外，裸眼井段还有地层流体压力P地以及地层劈裂压力P破等两个地层压力。钻进过程中，我们人为施加的是泥浆压力P泥。若泥浆压力P泥大于地层破裂压力P破，则发生井漏；若泥浆压力P泥小于地层流体压力，则发生井涌或井喷。

通过对钻井液密度的实时监测，以调节钻井液密度，对防止井塌、井漏和井塌等问题至关重要。

目前，对钻井液密度进行监测时，通常依靠人工完成。具体的，需要人工采取钻井液，并通过钻井液密度检测装置，如泥浆比重计(比重秤)进行测量，以得出钻井液密度。但是，上述方式中，由于需要人工采取钻井液再进行测量，不仅使得钻井液密度的监测效率较低，而且对工作人员的安全也会有影响。

本实用新型考虑到上述问题，提出一种钻井液密度监测装置，能够利用进入钻井液中的机械结构检测钻井液的密度，下面将结合附图，对本实用新型的实施方式进行描述。

图1是本实用新型实例提供的一种钻井液密度监测装置的结构示意图，如图1所述，本实施例中的钻井液密度检测装置，包括：浮子2、连接组件6、电位计和计算组件10。其中，该浮子2部分沉浸在钻井液3内，且浮子2可随钻井液3密度的变化上下浮动，钻井液3盛放在稳定槽1中，且具有预设高度；连接组件6，连接组件6位于浮子2上方并与浮子2连接，该连接组件6可与浮子2同步移动；电位计，该电位计包括在稳定槽1上的固定端5以及与固定端5接触导通的电接触件8，电接触件8和连接组件6固定连接，且电接触件8可沿竖直方向相对于固定端5滑动，电位计中流过的电流大小随电接触件8和固定端5之间相对位置的变化而改变；计算组件10，分别与固定端5以及电接触件8连接，以和电位计共同构成电路回路，该计算组件10用于测量电路回路中的电流值，并将电流值转化为密度值。

具体的，浮子2可以根据钻井液密度的变化，依据浮力原理测定上浮高度。

对浮子2进行受力分析，由于浮子2漂浮或悬浮在钻井液3中时，浮子2一共受到三个力的作用，分别是连接组件6施予的竖直向下的压力，浮子2自身竖直向下的重力，以及钻井液3对浮子2的竖直向上的浮力，在这三个力的相互作用下，浮子2保持静止或匀速直线运动状态，因此浮子2处于平衡状态。在受力平衡条件下，浮子2所受钻井液3的浮力大小等于浮子重力与浮子2所受连接组件6竖直向下压力大小之和。由于浮子重力始终保持不变，保证浮子2所受连接组件6竖直向下压力的大小不变，则浮子2所受的竖直向上的浮力大小保持不变。

根据浮力定理(阿基米德原理)，物体所受浮力的大小与物体排开液体的重力相等，在物体所受浮力大小不变的条件下，物体排开液体的重力相等。在钻井液密度监测装置中，液体即为钻井液。所述浮子2排开钻井液3的重力保持不变，当钻井液3的密度发生变化时，所述浮子2排开钻井液3的体积发生变化，所述浮子2随之上下移动，并带动连接组件6同步移动。

由于所述钻井液3在稳定槽中的液面高度(预设高度)不变，因此钻井液3密度大小的变化，可以由浮子2上下移动的位移大小和方向表现。

另外，稳定槽1放置在泥浆罐的导流槽中，导流槽中泥浆(钻井液)的流动速度为固定值，且流动的速度大小不发生变化，泥浆(钻井液)流向稳定槽，钻井液在钻井液稳定槽中的液面高度保持不变。当泥浆罐中泥浆泵的功率发生改变，使得泥浆罐的导流槽中泥浆(钻井液)的流动速度发生改变，但此时，发生改变后的钻井液的流动速度依然为一固定值时，钻井液3在稳定槽1中的液面高度尽管与之前不同，但依然保持不变。简单来讲，稳定槽1放置在安装有不同型号泥浆泵的泥浆罐的导流槽中，液面预设高度会不相同，但如果稳定槽放置在相同型号泥浆泵的泥浆罐的导流槽中，液面的预设高度是一定的。

泥浆泵，是指在钻探过程中向钻孔里输送泥浆或水等冲洗液的机械。

泥浆罐，主要包括FG和ZG型石油钻井泥浆罐，泥浆罐循环系统根据罐底部形状分为方形罐和锥形罐，罐体采用平板锥形结构或瓦楞结构，钢板与型钢组焊。

另外，在一种可能的实现方式中，为了保证盛放在稳定槽1中的钻井液3具有预设高度，还可以在稳定槽1的预设高度处，设置预留的开口，这样，当钻井液的液面达到预设高度时，钻井液会从预留的开口处流出。

可选的，浮子2的形状可以为球形，另外，浮子2也可以是其他形状，例如，正方体，长方体，椭球体等，只要能够满足随液体密度的改变而表现出规律上下移动的条件即可，对于浮子2的具体形状，本实用新型不做具体限制。需要说明的是，为了使得浮子能够满足随液体密度的改变而表现出规律性的上下移动，在实际应用中，浮子2的形状通常设置为规则形状。

进一步地，浮子2的材料可以为塑料，当然，也可以是其他材料，只要能够满足随液体密度的改变而表现出规律上下移动的条件，且浮子保持漂浮或悬浮在钻井液中即可，但浮子2的平均密度必须要小于等于钻井3的最小密度。

连接组件6与浮子2连接，由于随着钻井液3密度大小的改变，浮子2会根据阿基米德原理发生相应的上下移动，浮子2上下移动时，连接组件6也会随着同步移动。

其中，连接组件6可以包括竖直设置的比重杆，该比重杆的底部与浮子连接。另外，为了防止比重杆发生倾斜，保证比重杆保持竖直状态，还可以在比重杆上设置至少一个第一滑环7，其中，该第一滑环与固定端5固定连接。

可选的，所述第一滑环的数量为至少一个，即第一滑环的数量也可以是一个，也可以是多个，其只要能够保证比重杆6保持竖直即可。对于第一滑环的具体数量，本实用新型不做具体限制。

特别的，在第一滑环的数量为两个时，两个第一滑环分别设置在电接触件的两侧，从而可以保证比重杆保持竖直状态，以提高钻井液密度监测的准确性。在一种可能的实现方式中，第一滑环可以为扶正环。

另外，电位计的固定端5一端固定在稳定槽1上，另一端与连接组件6固定连接，电接触件8和连接组件6固定连接，在连接组件6上下移动时，电接触件8也可以随着连接组件6沿竖直方向相对于固定端5滑动，因此，钻井液3的密度一旦发生改变，就会带动电位计的电接触件8的上下移动，从而使电位计中流过的电流大小随电接触件8和固定端5之间相对位置的变化而变化，以此达到将钻井液密度变化的信号转化为电流信号的目的。

在一种可能的实现方式中，固定端5包括竖直设置的电阻棒，电接触件8包括第二滑环，该第二滑环套设在电阻棒上，第二滑环与比重杆固定连接。具体的，第二滑环套设在电阻棒上，且与比重杆固定连接，在比重杆随着浮子上下移动时，第二滑环也可以在电阻棒上移动，从而使流过电阻棒的电流的大小发生变化。

另外，电接触件8也可以包括碳刷。

计算组件10通过软导线9分别与固定端5和电接触件8连接，从而可以构成电路回路，且该电路回路中有电流流过，计算组件10可以测量电路回路中的电流值，并将电流值转化为密度值。在浮子2随着钻井液密度的不同上下浮动，导致流过固定端5的电流的大小发生变化时，计算组件10将可以实时的计算出变化后的钻井液的密度值。

可选的，计算组件10可以为密度转化仪，密度转化仪可以根据预设的电流和密度之间的对应关系，将测量得到的电流值转换为密度值。

图2是电流-密度变化曲线示意图，如图2所示，其中，11为标定的标准值1，12为标定的标准值2。在监测钻井液的密度之前，首先通过对至少两种已知密度大小的液体进行测量，对两点标准密度校验电流基准值，带入到电流-密度函数中，进而得到电流与密度之间的关系。

通过校正，得到电流与密度之间的关系，并把电流与密度之间的关系绘制成电流-密度变化关系曲线y＝ax+b，其中，y表示密度，x表示电流，比例系数a与常数b的值通过带入标准密度标定的两个点的坐标计算得出。得到电流与密度的关系函数之后，将关系曲线函数方程式加载到密度转化仪的内核程序中。

所述密度转化仪首先通过对闭合电路中电流的测量，得出闭合电路中电流的大小，然后将电流值带入电流-密度变化关系曲线y＝ax+b中，其中比例系数a与常数b为已知值，因此，通过上述电流-密度变化关系曲线即可确定出密度y的值。

进一步地，密度转化仪对密度值的输出间隔，可以根据需要，设定输出间隔为1s、5s或1小时等，以此监测钻井液中的密度变化。当然，也可以实时显示钻井液的密度变化。

可选的，在上述各实施例的基础上，在稳定槽1的入口处还设置有过滤网4。

具体的，由于钻井液中存在气泡和杂质，会影响钻井液密度监测装置中浮子的上下移动，使测量结果与实际结果相比较，存在不必要的误差，影响测量结果的准确性。

为了解决这一问题，将稳定槽1固定在泥浆罐的导流槽中，并在稳定槽1的入口处设置有过滤网4，过滤网4朝向钻井液流动方向，将钻井液3通过过滤网4过滤掉泥浆导流槽中的气泡和杂质等，流向钻井液导流槽1，并将钻井液盛放在稳定槽1中。由于可以通过过滤网4过滤掉钻井液中的气泡和杂质，从而可以提高钻井液密度监测的准确性。

另外，所述过滤网设计为可拆卸装置，使用一段时间后，过滤网上面可能会存在一些气泡杂质等，影响使用效果，可以选择把过滤网拆卸、清洗，然后重新安装使用。

下面结合图1，以连接组件6为比重杆、固定端5为电阻棒、电接触件8为碳刷、计算组件10为密度转化仪为例，说明液体密度监测装置的工作过程：

浮子2根据钻井液3的密度变化而上下浮动，会带动比重杆上下移动，从而带动碳刷上下移动，碳刷与电阻棒连接，并通过软导线与密度转化仪形成闭合电路回路，碳刷的上下移动导致连接在电路回路中的电阻大小发生改变，从而影响电路回路中的电流大小，密度转化仪首先测量出电路回路中的电流大小，然后在预先标定好的电流-密度关系曲线上进行函数插值，进而转化为对钻井液密度的测量，适当调整密度转化仪的数据输出时间间隔，可以得到实时的钻井液密度变化。

本实用新型提供的液体密度监测装置，包括浮子，连接组件，电位计和计算组件，其中，浮子部分沉浸在液体内，且浮子可随液体密度的变化上下浮动，该液体盛放在稳定槽中，且具有预设高度，上述连接组件位于浮子上方并与浮子连接，连接组件可与浮子同步移动，上述电位计包括在稳定槽上的固定端以及与固定端接触导通的电接触件，该电接触件和连接组件固定连接，且电接触件可沿竖直方向相对于固定端滑动，电位计中流过的电流大小随电接触件和固定端之间相对位置的变化而改变；计算组件分别与固定端以及电接触件连接，以和电位计共同构成电路回路，计算组件用于测量电路回路中的电流值，并将电流值转化为密度值。由于浮子会随着液体密度的不同而上下浮动，进而会带动连接组件的同步移动，这样，电位计中电接触件也会发生上下移动，使电接触件与固定端的接触位置发生改变，进而使连入闭合电路回路中的电阻值的大小发生变化，计算组件通过计算电路回路中的电流值，并将电流值转化为密度值，从而实现液体密度的监测，避免了现有技术中需要依靠人工采取液体并通过比重秤等测量工具，进行液体密度测量的现象，由此不仅可以提高液体密度监测的精确度和效率，而且可以避免液体采取过程中，工作人员可能受到的安全威胁。

图3为本实用新型实施例提供的液体密度监测方法实施例一的流程示意图，如图3所示，在图1所示的液体密度监测装置的基础上，本实用新型实施例提供的液体密度监测方法包括如下步骤：

步骤301、根据浮子沉浸在钻井液内的高度，确定电位计中电接触件与固定端的接触位置。

在本实施例中，浮子部分沉浸在钻井液中，根据阿基米德原理，随着钻井液密度大小的改变，浮子沉浸在钻井液内的高度发生改变，进而带动连接组件上下移动，从而带动与连接组件固定连接的电接触件上下移动，因此电接触件与固定端的接触位置会发生改变。从而达到了根据浮子沉浸在钻井液内的高度，确定电位计中电接触件与固定端接触位置的目的。

步骤302、根据接触位置，确定流过电位计的电流值。

在本实施例中，电接触件与固定端的接触位置不同，会使连入到闭合电路回路中的电阻大小发生改变，从而影响闭合电路回路中的电流大小。该闭合电路回路中的电流值，可以通过密度转化仪测量得出。

步骤303、根据电流值，确定钻井液的密度值。

在本实施例中，根据密度转化仪测量出的电流值，然后在预先标定好的电流-密度关系曲线上进行函数插值，进而将电流值转化为密度值。此外，通过调整密度转化仪的数据输出间隔，可以得到实时的钻井液密度变化。

本实用新型提供的液体密度监测方法，通过根据浮子沉浸在钻井液内根据阿基米德原理，随着钻井液密度大小的改变，浮子沉浸在钻井液内的高度发生改变，进而带动连接组件上下移动，从而带动与连接组件固定连接的电接触件上下移动，因此电接触件与固定端的接触位置会发生改变，确定电位计中电接触件与固定端的接触位置；然后根据接触位置，会使连入到计算组件通过软导线分别与固定端和电接触件连接构成的闭合电路回路中的电阻大小发生改变，从而影响闭合电路回路中的电流大小，以确定流过电位计的电流值，再根据该电流值，在预先标定好的电流-密度关系曲线上进行函数插值，进而将电流值转化为密度值。此外，通过调整密度转化仪的数据输出间隔，可以得到实时的钻井液密度变化。

由于本实用新型提供的液体密度监测装置，通过电流与密度的相互转化，测量液体的密度，不仅可以更加高效的监测液体的密度变化，也可以实现对液体密度变化是实时监控，并且避免了在某些存在安全隐患的领域内进行液体密度测量过程中，工作人员在人工取液时可能受到的安全威胁。

在以上描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。