固井水泥车载密度计原理分析

固井水泥车载密度计原理分析 摘要:固井过程中，精准的水泥浆密度控制是决定泵注油井水泥作业成败的关键因素之一，水泥浆 的密度直接影响固井施工安全和油气井固井质量。固井水泥车现已广泛采用基于科里奥利理论的震荡管 式密度计，该密度计是水泥车高能混浆系统中的关键部件。本文主要介绍了水泥车载密度计的结构组成， 阐论述了其密度计量原理，并对现场施工中的影响因素进行了分析。 关键字:固井;密度计;科里奥利;水泥浆 中图分类号:TE25 1006-883X(2012)09-0048-05 文献标识码:B 文章编号:收稿日期:2012-07-15 固井水泥车载密度计原理分析 1 2 1 1鲜明 李然 廖长平 周训耀 1、塔里木第二勘探公司井下作业分公司工程办 新疆库尔勒 841604;2、西南石油大学外国语专业教研室 四川成都 610500 一、前言 率的唯一变量。测量过程中，驱动线圈会使 U 型管以其 振动频率振动，当管中介质密度增加时，振动频率下降; 泥浆的密度是油田固井施工作业中极其重要的参 反之，振动频率则上升。介质密度与 U 型管振动周期(微 水数，对其进行连续准确的监测，是确保固井施工质 秒/周)平方成正比，由空气和水(均由实验室测量标准 量、提高技术水平、实现科学管理的必要手段。 密度)对 U 型管进行密度标定，密度和 U 型管振荡周期 固井水泥车载密度计早期采用的是放射性密度计， 之间满足良好定义的函数关系。 测量参数单一，测量结果与水泥浆体系相关，精度不高， 2、结构组成 而且需要反复进行标定。此外，由于放射源的存在，在 我公司固井水泥车载密度计广泛采用 MicroMotion 管理和使用方面也存在诸多弊端。而测量密度数据最稳 非放射性低压科氏力密度计，由 U 型管密度传感器和密 定的人工测量方式也存在着密度监测不连续、实时性差、 度变送器两部分组成(图 1)，其连接方式及各部分电器 [1]主观性大等缺陷。基于科里奥利理论的震荡管式流体密 总成连接分别如图 2、图 3 所示。 度计，克服了施工过程中诸多密度监测的不足，是 密度传感器安装在混浆二次循环管线上，用于 U 型 目前现场施工中较为稳定可靠的一种密度计量方式。 管振动频率信号的检测，主要由 U 型管、分流器、驱动 二、U 型管密度计工作原理 1、理论基础 由于 U 型管内流体体积固定不变，因此介质质量改 变的唯一途径只有改变介质密度。由于质量与密度间的 这一关系，U 型管内充满的介质质量也就示了其密度 大小。介质质量、U 型管材料刚性和振动频率之间关系 是科里奥利 U 型管密度计测量的基础。U 型管刚性保持 为定量，充满 U 型管内的介质质量或密度是影响振动频 图 1 U 型管传感器、变送器部分实物图 传感器世界 2012.09 48 www.sensorworld.com.cn Product Feature 产品特写 流出 平行的 U 密度变送器 型测量管 流入 传感器传送 密度传感器 传感器 B 传感器传送给 给计算机的 变送器的信号 标准信号 驱动器计算机给密度计供电 传感器 A 图 4 U 型管传感器部分结构图 图 2 密度传感器和密度变送器的连接关系 计算机 变送器 密度计 1 2 3,4 6 有显示功能的流量计 5,4 变送器，型号为 1 X00-03-480 6 3,4 C4C5 F300S355CQBAMZZZZ 5,4 7 7弯管密度计 2 X00-03-480 电源-N +L 塞绳接头 3 X00-03-752 C5 ? ? 接线程序 红色 18AWG RED 8橡胶圈，0.500" C5 BLK 18AWG 黑色 4 X00-03-851 C5 密度电源 mA HART- 密度信号 90:弯头，0.500" 5 X00-03-748 ? ?? ?? mA HART+ 二芯电缆,黑色外护 ? C4 BLK 18AWG 黑色蓝色 18AWG C4 BLU 8 6 X02-04-583 套,16AWG,HW C4 密度信号 BLU 18AWG 蓝色 密度计接线盒 18AWG 白色 ? 变送器WHT四芯电缆,黑色外护 1 2 3 4 接线端 ?87 X02-04-584 ? 套,16AWG,HW ? RED 18AWG 红色 BLK 18AWG 黑色 叉型压接 22-16AWG 8 8 X00-03-780 图 3 密度计电气总成图 线圈、检测线圈、驱动磁铁、检测磁铁、电阻温度检测 车载密度计的驱动电磁线圈采用直流供电，并保证激振 力在每次振动 U 型管过平衡位置时，按振动方向瞬时施 器(RTD)以及核心处理器组成，结构组成见图 4。其中 加作用力。 核心处理器是一套精密电子设备，U 型管驱动线圈、检 测线圈、RTD 元件的配线都连接到此核心处理器，用于 水泥车载密度计采用双 U 型管传感器。测量管设计 控制传感器和进行初级信号测量及处理。它可执行所有 成弯曲形状是为了降低刚性，相比于直型测量管可采用 必要运算以获得测量的过程变化值，并将这些值传送给 较厚管壁，更耐磨损和腐蚀。同时，双管设计可降低外 变送器，以供控制系统使用。 界振动干扰的敏感度，容易实现相位差的测量。 密度变送器可用于传感器振动频率信号的转换、运 3、工作原理 算及密度显示、信号输出。密度变送器可显示出当前密 双 U 型管传感器以电磁驱动方式使 U 型管作周期性 度值，同时将来自于密度传感器的信号变为计算机可识 微小振动，这相当于使 U 型管绕固定轴(O,O)作周期 性上下旋转，其旋转方向周期性变换。U 型管出入口法 别标准信号传送给混浆计算机。 兰固定，这样就建立了一套以 U 型管出入口端为固定轴 激振系统由驱动线圈、磁铁及信号处理电路组成， [2](O,O)的振荡体系，U 型管力学分析见图 5。当入 是一个闭环电磁反馈自激系统。驱动线圈及磁铁提供振 井工作液经循环泵充满 U 型管时，振荡系统总质量发生 荡力，以克服阻尼影响，维持 U 型管的简谐振动。水泥 传感器世界 2012.09 49 www.sensorworld.com.cn Product Feature 产品特写 数，其转矩为: V O 2FC’ , (6) M , 2Fl , 2k,xl , 2kl , d 振 动 这是将 U 型管回弯部分作了简化，只考虑直管部分 方 2r ω 的弹性型变。 V 向FC 综合式(4)~式(6)，U 型管振动微分方程可表示 ω , , ,,(7) 为:M , M ， M ， M d ddd L 2O d, d , 2 (8) 即:( J ， J ， J ) ， , ， 2l k, , M x y z d 2 dt dt 图 5 U 型管传感器力学分析图 ,设 M , M cos,t ，则式(8)可转化为: d dm 变化，从而改变了系统的固有震荡频率。通过采集 U 型 2 2 , , , , , 2l k d , , d 管的自激振荡频率，即可确定入井工作液的密度。 以下, ,,, ， ， , 2 , , , ,J ， J ， J dt J ， J ， J dt 通过分析 U 型管振荡力学方程进一步阐述其在 x y z x y z , , , , (9) 线密度测量原理。 , , M dm ,, , cos,,t 设 U 型管绕 O,O 轴转动惯量为 J，总角动量为 L， , ,J ， J ， J x y z , , 由定轴转动刚体的角动量有: 其中，M —总转矩，由驱动线圈和磁铁相互作用提供驱 d dL ,(1) , M d动力。 dt M是交变的，故式(9)表征了一种振动运动方式。 d , 式中， M —转矩。 d对比受迫振动微分方程，式(9)的解可表达为: (2) 总角动量定义为: L , J,,rmv ii i i i, , i i , , t 2( J ， J ， J ) x y z 2 2 , ,, (t ) , ,ecos( ,, , t ， ,) ， ,cos(,t ， ,) 为刚体某质点绕 O,O 轴转动的线速度，总转动式中，v 00 0m 0 i 2 惯量 J , m r 。 (10) i i , i 此解表示在驱动力开始作用的阶段，系统振动可看 [3]对于给定系统，转动惯量只决定于刚体的形状、质 成两个振动的合成。第一部分表示一个减幅振动，第二 部分表示一个恒幅振动，即解的第二部分不随时间衰减， 量分布和转轴的位置，而同刚体绕轴的转动状态无关， 为稳态解。达到稳定状态时，U 型管受迫振动的角频率 故其转动惯量 J 为恒定: 为驱动力的角频率。我们需要关注的是受迫振动部分， 2dL d ( J,) d (,) d , ,(3) , , J , J , M d2 即有: dt dt dt dt , U 型管转动惯量由三部分组成，J为 U 型管自身转 x ,, (t ) , , cos(,,t ， , ) 振幅:m 0 动惯量，J为管内流体转动惯量，J为 U 型管上附件如 y z , M , dm 驱动线圈、检测线圈和磁铁等的转动惯量，故有: (11) 振幅极大值:,, ,m ,,, , 22, , , d , d , , , 2,,, ,,J , ( J ， J ， J ) , M (4) , , x y z d,初相位: , , arctan2 2 0 2 2 , ,dt dt , 2 , ,, , 0 , , , 驱动线圈和磁铁维持 U 型管振动，作用于其上的转 由谐振频率定义可知: , , 矩为 M ，用于克服阻力消耗。M 正比于角速度 , ，即: dd2 , 1 2 l k 1 0 f , ,,(12) d,J ， J ， J T 2, 2, x y z, M , ,, , , (5) d dt 求解转动惯量 J、J、J及弹性系数 k，可得: xyz 其中， , —表述为阻力矩系数。 2 2 2 2 , d4mlf d d 00 i , ,[ (] ,1) , ， f p 2 2 对于 U 型管的弹性形变，有形变量 ,x , l sin , , l, 2 , d f 2 3 2 23i ,d(l ， ,rl ， 4r l ， r )i (, 极小)， ,x 与作用力 F 成正比，k 为 U 型管弹性系 3 2 传感器世界 2012.09 50 www.sensorworld.com.cn Product Feature 产品特写 (13) 水泥车载 MicroMotion 密度计是一种基于克里奥利 2 2 2 , 原理制造的高精度仪器，针对水泥浆这种碱性高磨损介 d 4ml d d 0 i 可以设: , k , , ， c p 2 d , 2 , , 质，固井作业时必须严格控制流体的状态和流速。仪表 3 2 3 2 2 i ,d ,rl ， 4r l ， r l ， , , i 3 2 , , 箱侧面的密度计变送器有密度和流量参数显示。通过控 2, , f 制密度计出口的阀门的开度可以控制流体的流速以减少 0 , ,(14) 1 则式(13)可写为:, , k,f c 2 ,, f 对振荡的磨损，同时可以适当提高背压抑制气泡对测量 , , 3 其中， , —管内流体密度，单位:g/cm ;精度的影响。同时密度计出口阀门的开度太小会使振荡 f 33管内产生沉降，因此流速控制在 10m,15 m/小时为宜， d—U 型管内径，单位:m; i33 而不能大于 20 m/小时。 , —U 型管材质密度，单位:g/cm ; p m—U 型管上附件质量，单位:kg; d f—空管谐振频率，单位:Hz; 0 r—U 型管回弯部分半径，单位:m; 四、结束语 d—U 型管外径，单位:m; l—直管0为确保固井现场施工密度计准确性和可靠性，有以 部分长度，单位:m。 下几点想法: 从式(14)可以看出，对给定的 U 型管密度计而言， 1、U 型密度计法兰与循环泵管路法兰连接旋紧螺栓 k、f均为一定值，则通过密度计的入井流体密度 , 与 U c0 f 时要均匀，勿使密度计产生应力(如两法兰平面不平行 型管密度计谐振频率 f 之间存在单调对应关系。 所致)。换装密度计要做好必要的固定支架，否则 U 型管 受扭曲力后会影响测量性能。 2、固井施工中车载密度计受整车及外部机械振动会 影响密度计谐振。应向厂家咨询所安装密度计的共振频 三、误差分析 率范围，以判断现场脉动或振动频率是否接近密度计的 U 型管材质不均，几何不对称或驱动力作用点 共振频率。 偏移等都会使 U 型管产生扭振，这些属于传感器系统误 3、水泥车载 MicroMotion 密度计是一种基于克里奥 差范畴。固井水泥车载密度计在交付安装之前，会利用 利力原理制造的高精度仪器，各种体系的水泥浆均为强 空气和水对其进行密度标定。当管内充满空气时对 U 型 磨蚀性浆体，长期对内壁的冲蚀使管壁变薄，降低其刚 管传感器进行操作，并将其产生的相应周期记作密度标 度而改变信号采集数值，因此在这种工况下，需定期监 定系数 K，标定时的实际空气密度(通过实验室参考测 1测，确定使用周期。此外，每次单井施工作业后，立即 量工具确定)记作密度标定系数 D。同理，当管内充满 1 冲洗密度计，否则会导致密度计堵塞报废。 清水时，U 型管振动周期记为 K，清水密度(同样由实 2 K K 2 1 表明了特定 U 型管传感器 、验室标定)记作 D。 2DD 1 2 参考文献 对不同管内流体密度产生的响应。上述传感器系统误差， [1] 樊正祥. 新型固井水泥浆密度流量自动测量系统[J]. 石油仪 可通过对传感器的精确标定使其控制在允许范围之内。 器,1996,10(5):38,40. [2]董红超, 陈良.科里奥利质量流量计原理及其应用[J]. 舰船防 介质温度或环境温度变化会改变 U 型管的杨氏模量 化,2008,(4):44,47. [3]程守洙,江之永.普通物理学(第六版)下册 和影响零漂的结构等各种因素。杨氏模量的温度系数可[M].高等教育出版 社:2006:38. 经电子线路补偿以减小其影响量。杨氏模量的温度系数 是一个统计量，因材质热处理工艺的不同，此量为一范 围值，存在补偿不足或过度的可能。零漂影响由于是受 U 型管几何尺寸和非对称结构所致，尚难减小消除。电阻 温度检测器(RTD)采用了集成温度—电流传感器，并 Principle analysis of cementing densitometer on-vehicle 对温度信号进行 V/F 变换，转换成频率信号处理。 1211XIAN Ming,LI Ran,LIAO Chang-ping,ZHOU Xun-yao 传感器世界 2012.09 51 www.sensorworld.com.cn Product Feature 产品特写 nd 作者简介 鲜明:塔里木第二勘探公司井下作业分公司硕(1.2Petroleum exploration Company , PetroChina Tarim 士，工程 师，研究方向:油气井固井工艺研究与配套设OilField Company, Kuerle 841604,China 2. Foreign 备优化 通讯地址:新疆巴音郭勒自治州轮南镇塔里木第language Teaching and Research Section of Southwest 二勘探 公司井下作业分公司工程办，邮编 841604。 Petroleum University, ChengDu, Sichuan 610500, China) E-mail:vibrancy@163.com 李然，西南石油大学外国语Abstract: Accurate mud density control of slurry is one of 专业教研室，讲师;研究方 向:化工仪表及自动化控制 the decisive factors which can determine success or failure 廖长平，塔里木第二勘探公司井下作业分公司工程办， 工程师，研究方向:油气井固井工艺与水泥浆体系研究 of cementing engineering construction. The mud density of 周训耀，塔里木第二勘探公司井下作业分公司工程办， slurry influences safety and quality of cementing directly. 工程师，研究方向:油气井固井工艺设计及风险评价 The cementing trucks have already equipped densitometers based on Coriolis force to complete density measurement. 读者服务卡编号 009? The densitometers are major critical components of high-energy slurry mixing systems in cementing trucks. The structure and working principle of densitometers are introduced in this paper, and the influence factors in field operation are analyzed. Keywords: cementing; densitometer; Coriolis; slurry 传感器世界 2012.09 52 www.sensorworld.com.cn