一种钻井液流变性测量系统及使用方法

本发明涉及钻井液流变性测量领域，尤其涉及一种钻井液流变性测量系统及使用方法。

背景技术：

1、随着油气勘探和钻探技术的不断发展，钻井液作为钻井过程中不可或缺的重要组成部分，对于钻井作业的安全、高效和稳定起着至关重要的作用。钻井液的流变性参数是评价其性能的重要指标，包括表观粘度、塑性粘度、动切力和漏斗粘度等参数。这些参数直接影响着钻井液的流动性能、悬浮能力和洗井效果，对钻井作业的成功与否至关重要。

2、传统的钻井液流变性测试方法主要采用离线采样和实验室测试的方式，这种方式存在着测量周期长、数据获取不及时、人工操作复杂等问题。特别是在复杂工况下，如井深较深、井温高、含固相颗粒较多等情况下，传统测试方法往往无法满足实时监测的需求。

3、为了解决传统测试方法存在的问题，一些在线监测系统被提出，用于实时测量钻井液的流变性参数。这些系统大多使用压差传感器等传感器来测量流变性参数，然而由于传感器精度和灵敏度的限制，测量结果可能不够准确和稳定，不能满足高精度、高效率的在线监测要求。

4、针对传统的钻井液流变性测试方法和现有一些在线监测系统，存在的测试周期长、成本高、无法实时监测等问题，不能满足快速响应钻井作业需求的要求，同时，由于钻井现场复杂多变的环境，钻井液的流变性参数可能受到环境干扰和设备振动等因素的影响，导致测量误差较大的问题，因此，提出一种钻井液流变性测量系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种钻井液流变性测量系统及使用方法，包括旋转扭矩法流变性测量及管流法流变性测量装置，其中，利用扭矩测量传感器对定子的扭矩进行实时测量，从而实现对剪切应力的实时测量，通过控制不同的间隔时间和转速大小，实现钻井液不同流变性参数的在线测量；四个压差传感器用于测量两个测量管两端的压差信号，建立管流法流变性动态解算模型，进而实现对钻井液表观粘度、塑性粘度、动切力以及漏斗粘度的快速测量；并通过质量流量计实时测量钻井液的密度、温度、流速等参数，以便调整气动隔膜泵的抽取速率，保持稳定的流动条件；本发明解决了现有钻井液流变性人工测量存在的速度慢，测量参数单一，测量误差大的问题。

2、为实现以上技术效果，采用如下技术方案：

3、一种钻井液流变性测量系统，包括：

4、清水罐(1)、泥浆罐(2)、废液罐(15)、电动三通球阀(3)和(6)、防爆气动隔膜泵(4)、阻尼器(5)、质量流量计(7)、测量管(8)(9)、压差传感器(10)、(11)、(12)和(13)、旋转扭矩装置(14)；

5、所述清水罐(1)装有清洗管道的清水，连接电动三通球阀(3)旁通；所述泥浆罐(2)装有待测钻井液，连接电动三通球阀(3)直通；电动三通球阀(3)的直通出口通过管道与气动隔膜泵(4)连接，电动三通球阀(6)通过阻尼器(5)与气动隔膜泵(4)连接；电动三通球阀(6)旁通与旋转扭矩装置(14)连接，电动三通球阀(6)直通出口与质量流量计(7)、测量管(8)及测量管(9)依次串联；废液罐(15)接收系统排出的钻井液和清洗液；所述测量管(8)两端分别安装有一个压差传感器(10)和(11)；所述测量管(9)两端分别安装有一个压差传感器(12)和(13)；

6、进一步的，所述旋转扭矩装置(14)包括步进电机(16)、转子(17)、定子(18)、扭矩测量传感器(19)、测量腔体(20)、联轴器(21)、联轴器(22)、进口(23)、出口(24)；所述步进电机(16)通过联轴器(22)与转子连接；所述扭矩测量传感器(19)通过联轴器(21)与定子(18)连接；所述旋转扭矩装置所设计的转子(17)、定子(18)以及测量腔体(20)严格按照标准手动六速旋转粘度计的尺寸进行设计。

7、进一步的，所述钻井液流变性测量系统使用方法包含以下步骤：

8、步骤s1：初始化，启动钻井液流变性测量系统，并进行初始化设置；

9、步骤s2：初始化完成后，设定隔膜泵的抽取速率；

10、步骤s3：旋转扭矩法流变性测量，钻井液采用下进上出的方式进行，每一次测量过程中都通过电动三通球阀(6)旁通的闭合进行自动控制，保证测量腔体(20)内充满静止的钻井液；当测量腔体(20)内充满静止的钻井液后，利用步进电机(16)带动转子(17)高速旋转，高速旋转的转子(17)再带动测量腔体(20)内的钻井液旋转，从而对定子(18)产生一个高速剪切速率，并且对定子(18)产生一个扭矩，利用扭矩测量传感器对定子(18)的扭矩进行实时测量，从而实现对剪切应力的实时测量，通过控制电机转速大小，实现钻井液不同流变性参数的在线测量；

11、步骤s4：质量流量计(7)实时测量钻井液的密度、温度、流速参数，根据质量流量计(7)实时测量的流速值，作为影响气动隔膜泵(4)抽取速率的反馈变量，调整气动隔膜泵(4)的抽取速率，以保持稳定的流动条件；

12、步骤s5：管流法测量流变性，四个压差传感器(10)、(11)、(12)和(13)用于测量两个测量管(8)和(9)两端的压差信号，并且建立管流法流变性动态解算模型，进而实现对钻井液表观粘度、塑性粘度、动切力以及漏斗粘度的快速测量；

13、步骤s6：最后判定所述步骤s3、s4、s5中旋转扭矩法测量模块、质量流量计测量模块、管流法测量模块是否达到了设置测量次数来判定是否需要停止测量，若次数达到，各测量模块停止测量，系统进行自动清洗，清洗结束后装置所有球阀复位为旁通，所有设备停止运行，上位机显示为待机状态，进行数据处理，完成扭矩测量误差校准。

14、进一步的，所述步骤s6中的系统进行自动清洗的具体流程为：

15、电动三通球阀(3)切换为旁通，气动隔膜泵(4)抽取清水罐(1)中的清水，电动三通球阀(6)变为旁通，对旋转扭矩装置进行冲洗，待一定时间后，电动三通球阀(6)变直通，将清水通过质量流量计和测量管，最后由钻井液出口排出，完成冲洗流程。

16、进一步的，所述扭矩测量误差校准的具体步骤为：

17、步骤(1)：分析误差来源，装置在运行过程中可能会受到振动的影响，特别是在电机转速改变或者设备抖动时，振动可能会导致传感器读数的波动，另外一些噪声可能会干扰扭矩传感器的读数，在扭矩测量中，采用数字滤波器来去除测量误差，特别是高频噪声和突发振动干扰；

18、步骤(2)：对扭矩测量系统施加误差范围内的振动干扰和噪声干扰，模拟系统实际运行状态收到的干扰，施加干扰后采集的数据与无干扰下的数据进行对比分析，为滤波器的选择和参数设定提供依据；

19、步骤(3)：使用小波变换滤波，使用小波变换对采集到的扭矩数据进行处理；

20、步骤(4)：小波变换系数阈值去噪，在小波变换的结果中，会得到一系列小波系数，由于小波变换的特性，高频噪声和干扰通常会在小波系数中体现为较小的值，可以对小波系数进行阈值处理，去除小于某个阈值的小波系数，从而去除噪声和干扰；

21、步骤(5)：逆小波变换，将经过阈值去噪处理后的小波系数进行逆小波变换，得到滤波后的扭矩信号，滤波后的扭矩信号与无干扰下的扭矩信号对比，分析滤波效果是否符合预期。

22、进一步的，所述步骤s1中初始化设置包括：

23、确保各个传感器和仪器处于正常工作状态，若有传感器或仪器出现异常，则会反馈到上位机中断运行，待各模块状态都正常后，并将液罐中液位恢复到合适的位置，才可以运行系统；

24、进一步的，所述步骤s2中设定隔膜泵的抽取速率为0.25m3/h-1.50m3/h；若质量流量计测量的流速值与设定值不相等，则流速偏差会反馈到气动隔膜泵的控制器，然后通过pid控制将流速控制在设定值，实现对钻井液抽取速率的自动控制。

25、进一步的，所述步骤(2)中数据的采样频率为1khz，总共采集n个数据点。

26、进一步的，所述步骤(3)中所述小波变换选择小波函数为"db4"，该小波函数是daubechies小波函数族中的一种常用小波。

27、本发明的有益效果为：

28、本发明提供的一种钻井液流变性测量系统及使用方法，相比于现有的技术方案具有以下的特点：通过旋转扭矩法流变性测量装置与压差传感器相结合，实现了对钻井液流变性参数的全方位测量，通过联合测量，能够克服单一传感器测量精度有限的问题，从而提高了测量的准确性和稳定性；引入了小波变换滤波方案，这是钻井液流变性在线测量系统的另一项创新，小波变换滤波方案可以有效去除测量中的噪声和干扰，从而获得更可靠的测量结果。