恒温型双压力振动管式钻井液密度在线测量仪器的制作方法

本发明属于流体密度测量技术领域，尤其涉及一种含气钻井液密度实时在线测量的恒温型双压力振动管式钻井液密度在线测量仪器。

背景技术：

在石油钻井过程中，钻井液密度的测量是一项十分重要的工作。实时准确地测量钻井液密度对于在特殊地质条件下进行精细钻井施工，防止井涌、井漏等井下复杂情况的发生，显得尤其重要。

流体的密度测量按原理分主要有差压式、浮力式、振动式、称重式以及γ射线式等多种，从前，现场一直采用静压差式密度测量方法，但这种方法测量值代表性差、受钻井液触变性的影响等，密度测量误差较大。近年来，振动管式密度计被引入现场钻井液密度的测量。

振动管式密度计的工作原理是：物体受激而发生振动时，其振动频率或振幅与物体本身的质量有关。如果在物体内充以一定体积的流体样品，则其振动频率的变化便反映一定体积的样品流体的质量或密度。

2010年，胜利石油管理局钻井工艺研究院将振动管密度计引入现场钻井液密度的在线监测中，在应用中发现，由于钻井液具有较大的粘度和切力所以搅拌时很容易混入一定的气体形成含有一定气泡的钻井液，因此钻井液的密度难以测量准确和稳定。2011年中国专利cn202157769u“一种钻井液密度加压在线测量装置”提出了一个解决方案，通过在振动管出口增加背压阀和压力表，来调整振动管的不同压力，从而测定不同压力下的钻井液密度。

专利cn202157769u虽然提高了钻井液密度测量的精密度，但仍然不能解决钻井液密度测量的准确性和实时性，主要有以下2个原因：其一是虽然提高压力气泡体积减小，消除了一些气泡对钻井液密度测量的影响，但仍然不能完全消除其影响，要想达到一定的密度测量准确度，需要提高的压力很大，这就会给泵的性能选择增加很大的难度；其二是必须不断调整背压阀，以改变测量压力，这样就不可能在同一时间测量两个压力下的密度，从而丧失实时测量的性能。为此中国专利申请号2013105141389提供了一种双压力振动管钻井液密度在线测量仪,通过不同压力下的密度，测量出了不可压缩相的密度和可压缩相的体积含量，解决了含气钻井液的密度测量的准确性和实时性，但是通过一段时间的应用发现，从井底循环出来的钻井液由于受地层温度的影响，钻井液的温度大大地高于环境温度，这样就导致了两个振动管密度计的温度的差别，造成了测量的误差。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有双压力振动管式钻井液密度测量装置存在着由于温度变化引起钻井液密度测量的准确度、不利于控压钻井的施工的问题，提出一种提高测量数据准确，有利于充气钻井液井下不同温度压力下的真实密度计算的恒温型双压力振动管式钻井液密度在线测量仪器。

本发明的技术方案：

恒温型双压力振动管式钻井液密度在线测量仪器，包括螺杆泵、振动管密度计、压力传感器和背压阀，其中：将螺杆泵、振动管密度计i和背压阀i、振动管密度计ii和背压阀ii通过管线依次连接，把压力传感器i和压力传感器ii分别并接在背压阀i的前、后的管线上。

所述振动管密度计为科里奥利质量流量计。

按照前述恒温型双压力振动管式钻井液密度在线测量仪器的测量方法：将两个振动管密度计均安装在半导体恒温容器内，并用半导体恒温容器控制两个振动管密度计的温度，用背压阀i和背压阀ii调节振动管密度计i和ii的压力，用压力传感器i和压力传感器ii分别测量振动管密度计i和振动管密度计ii的压力瞬时值，用振动管密度计i和振动管密度计ii测量不同压力下的流体密度的瞬时值。

所述的恒温型双压力振动管式钻井液密度在线测量仪器的测量方法还在于：

调整半导体恒温容器的温度至所测钻井液的温度，以一定的流量连续循环容器中的钻井液，调整背压阀i和背压阀ii，使两个振动管密度计i和ii的压力分别为p1和p2，测量两个振动管密度计i和ii的密度值ρ1和ρ2；

根据p1、p2、ρ1、ρ2和钻井液温度t的瞬时值计算钻井液的固液相密度ρm的瞬时值：

和标准状态下的气液体积比值：

连续测定这些p1、p2、ρ1、ρ2和t的瞬时值，实时测量并连续记录钻井液固液相密度和标准状况下的气液体积比的变化过程，实现充气钻井液密度的自动化在线检测，并计算不同温度t和压力p下的含气钻井液密度：

式中：p1—压力传感器i显示的压力；p2—压力传感器ii显示的压力；

t1—恒温系统设置的温度；t0—标准状态下的温度；

ρ1—振动管密度计i测试的密度；ρ2—振动管密度计ii测试的密度；

vm—钻井液的固液相体积；ρm—钻井液的固液相密度；

ρ—任意温度(t)和压力(p)的充气钻井液密度；

vm—钻井液固液相体积；vg—任意温度压力下的气体体积；

vg0—标准状态下的气体体积；p0—标准大气压；

p—钻井液所处压力；t—钻井液的温度。

发明的效果：使用该仪器和测量方法可在恒温下同时测量两种不同压力下的钻井液密度，并根据气体方程进行修正，消除了温度变化引起的钻井液密度测量误差，提高了钻井液密度测量的准确度，有利于现场钻井液密度的实时在线测量。

附图说明

图1是恒温型双压力振动管式钻井液密度在线测量仪器的结构示意图；

图中，1为螺杆泵，2为科里奥利质量流量计i，3为压力传感器i，4为背压阀i，5为压力传感器ii，6为科里奥利质量流量计ii，7为背压阀ii,8为半导体恒温容器。

具体实施方式

下面将结合附图1对本发明的实施方式进行详细的描述。

把螺杆泵1的入口管与钻井液容器相连，螺杆泵1与科里奥利质量流量计i2、背压阀ⅰ4、科里奥利质量流量计ii6、背压阀ii7通过管线串联，压力传感器ⅰ3、压力传感器ⅱ5分别并联在背压阀i4上游和下游的管路上，科里奥利质量流量计i2和科里奥利质量流量计ii6安装在半导体恒温容器8内，组成本发明所涉及的恒温型双压力振动管式钻井液密度在线测量仪器。

本发明采用的方法步骤：①由螺杆泵将钻井液泵入管线，流经科里奥利质量流量计、压力传感器和背压阀，②由科里奥利质量流量计i读出钻井液的温度t1；③调节半导体恒温容器的温度到温度t1，调节背压阀i和ii即可产生两个不同大小的压力p1和p2；再通过科里奥利质量流量计i和ii测量出不同压力下的流体密度值ρ1和ρ2；最后根据气体方程对钻井液密度进行修正，计算得出真实的钻井液密度。

修正过程如下：

在压力p1下，流体的密度为：

在压力p2下，流体的密度为：

在相同温度下，根据气体方程：p1vg1/t1＝p2vg2/t1＝p0vg0/t0

式中：p1—压力传感器i显示的压力；p2压力传感器ii显示的压力；

t1—恒温系统设置的温度；t0—标准状态下的温度；

ρ1—振动管i测试的密度；ρ2—振动管ii测试的密度；

vm—钻井液的固液相体积；ρm—钻井液的固液相密度；

vg1—压力为p1时，侵入钻井液中的气体体积；

vg2—压力为p2时，侵入钻井液中的气体体积；

得出：

将式(3)和(4)分别带入(1)和(2)中，便可得出：

由式(5)和(6)得出：

忽略气体质量，将(7)代回(5)得出修正后的钻井液固液相密度：

不同温度t不同压力p下的充气钻井液密度：

式中：ρ—任意温度(t)和压力(p)的充气钻井液密度；

vm—钻井液固液相体积；vg—任意温度压力下的气体体积；

vg0—标准状态下的气体体积；p0—标准大气压；

t0—标准温度；p—钻井液所处压力；t—钻井液的温度。

连续测量p1、p2、ρ1、ρ2和温度t的瞬时值并连续计算钻井液固液相密度和标准气液体积比的瞬时值，即可实时测量并连续记录钻井密度的固液相密度和标准气液体积比变化过程，实现钻井液密度的自动化在线检测。

应用实例1：

配制好含有一定气体的钻井液，首先调节半导体恒温容器的温度为313k的钻井液温度,调节背压阀i和背压阀ii，使压力传感器i显示压力为0.200mpa，压力传感器ii显示压力为0.300mpa。然后将钻井液由螺杆泵泵入，流经科里奥利质量流量计i和科里奥利质量流量计ii，记录下二者密度大小，ρ1＝1.345g/cm³,ρ1＝1.355g/cm³。

将测得数据代入公式(8)，得出修正后的钻井液固液相密度：

因此，消除气泡影响后的钻井液固液相密度为1.375g/cm³。

代入公式(7)，得出标准状态下的钻井液的气液体积比：