固井作業是通過固井設計, 應用配套的固井設備, 輔助設備及工具, 將油井水泥、水和添加劑按一定的比例混合后, 通過固井泵泵注入井, 并頂替到預定深度的井壁與套管的環形空間中, 使套管與井壁之間形成牢固粘接。

泥漿的流量是整個固井過程中重要參數, 但固井中泥漿的流量測量存在壓力大、成分范圍大, 現場環境惡劣等特點, 目前用的幾種測量方式都有其各自的問題, 現在采用比較廣泛的是渦輪流量計進行測量, 精度雖能滿足要求但使用過程中容易被泥漿堵塞, 影響施工進度, 增加維護成本。科氏流量計具有精度高、同時實現流量和密度的測量, 但由于固井現場惡劣, 振動和壓力問題一直是制約其在此方面應用的2個重要因素。

本文從科氏流量計的原理結合我公司現場實驗數據, 針對振動和壓力兩方面進行改進和嘗試, 對科氏流量計對此領域的應用提供一種新的思路。

當一個位于以P為固定點 (旋轉中心) 作旋轉運動的管子內的質點做朝向旋轉中心或離向旋轉中心的運動時, 將產生一慣性力, 原理如圖1所示。

圖中質量為δm的質點以勻速υ在管道內向右運動, 而管道圍繞固定點P以角速度ω旋轉。此時這個質點將獲得兩個加速度分量:

(1) 法向加速度αr (向心加速度) , 其量值等于ω2r, 其方向朝向P點。

(2) 切向加速度αt (科里奧利加速度) , 其量值等于2ωυ, 方向與αr垂直。

由切向加速度產生的作用力稱為科里奧利力, 其大小等于Fc=2ωυδm。在圖1中流體δm=ρA×ΔX, 因此科氏力可以表示為:

式中, A為管道內截面積:

對于特定的旋轉管道, 其頻率特性是一定的, ΔFc僅取決于δqm。因此直接或間接測量科氏力就可以測量質量流量。科氏原理質量流量計就是根據上述原理工作的。

實際的流量傳感器并非實現旋轉運動, 而代之以管道振動。其原理示意如圖2、圖3、圖4所示。一個彎管道的兩端被固定, 在兩個固定點的中間位置給管道施加振動力 (按管道的諧振頻率) , 使其以固定點為軸以其自然頻率ω振動。當管道內沒有流體流動時, 管道只受外加振動力作用, 管道兩個半段振動方向相同, 沒有相位差。當有流體流動時受管道內流動的介質質點科氏力Fc的影響 (在管道的兩個半段科氏力F1、F2大小相等、方向相反圖2) , 管道的兩個半段按相反的方向發生扭動, 產生相位差 (圖3、圖4) , 這一相位差同質量流量成正比。傳感器的設計就是把科氏力的測量轉為對振動管兩側相位時差的測量, 這就是科氏質量流量計的工作原理。

MTCMF-80G泥漿流量計是由科里奧利力質量流量計傳感器、信號轉換器、傳感器安裝支架以及控制箱等四部分組成。

科氏質量流量計傳感器用于直接測量介質的質量流量及密度;信號轉換器用于將傳感器的測量信號進行放大運算轉換為標準信號輸出, 并用于顯示所測流量參數及密度參數;傳感器支架用于方便傳感器的安裝、使用、維護及運輸保管;控制箱將流量、密度等測量參數進行記錄保存。

根據現場提供的數據, 正常泥漿壓力約為20MPa, 此次設計壓力為35MPa, 流量計的傳感器、信號轉換器均進行的相應的調整, 傳感器部分增加壓力測量部分, 本體采用創新性鍛件方式加工, 與以往的鑄件相比耐壓等級大大提高。測量振管也采用加厚處理, 驅動機構采取加大驅動力等方式以適應振管的改變。轉換器針對壓力進行大量的實驗數據進行壓力自動補償。

由于科氏質量流量計的原理決定其對外界振動比較敏感, 而固井現場均為室外作業, 環境比較復雜, 管路的安裝空間等均有限, 這就要求設計既要滿足流量計對振動的要求, 又要滿足現場工況。

原設計采用支架固定, 未加裝固定和減震裝置, 現場試驗由于管道壓力高沖擊管路, 造成流量計大幅擺動, 流量無法正常完成測量。

此次設計的傳感器支架由支架體、連接架、定位裝置、減震墊等幾方面組成。

連接架采用十字結構, 方便現場運輸、清洗、測量, 定位裝置為傳感器狀態鎖緊裝置, 分為使用狀態、清洗狀態、運輸 (存儲) 狀態。

減震墊采用橡膠隔振, 保證流量計正常工作使用。

控制箱采用交流和電池供電2種方式, 電池采用鉛酸電池可滿足流量計和其他記錄設備6-8小時的正常使用, 信號采用RS485通訊方式上傳至上位機軟件匯總、分析、記錄等。

現場采用的DN80管道, 泥漿由1號和2號泥漿車同時輸出, 通過高壓由壬接入流量計, 與原管道使用的兩臺渦輪流量計串聯使用, 通過對比質量流量計與兩臺渦輪流量計總和的測量結果。現場泥漿密度1.75g/cm3, 流量約為95m3/h。結果如表1所示, 科氏質量流量計精度為-0.82%, 與清水實驗數據 (表2) 出廠精度0.3%相比精度下降0.52%, 主要原因為現場管道震動影響測量流量計結果。實驗證明科氏質量流量計在固井平臺應用的可行性, 但由于現場環境的制約, 仍需對流量計的固定和抗震性能進行改進和提高。

本文從科氏流量計的原理結合我公司的現場實驗數據, 針對振動和壓力兩方面進行改進和嘗試, 實驗證明科氏質量流量計在固井平臺應用的可行性, 但由于現場環境的制約, 仍需對流量計的固定和抗震性能進行改進和提高。對科氏流量計對此領域的應用提供一種新的思路。