泥漿性能檢測系統設計

張 峰，烏效鳴，吳 川，趙 民

(中國地質大學 工程學院，湖北 武漢430074)

0 引 言

鉆井液和工程漿液的性能對鉆進效率和鉆進安全影響重大。在石油天然氣鉆井、煤層氣鉆井、地質科學鉆探等方向，鉆井液、護壁堵漏材料、壓裂液、穩定液、注漿液、混凝土漿等漿液的用途越來越廣，作用越來越重要［1］。泥漿的性能直接決定了成孔的完整性，地層穩定，鉆進的安全［2］，不匹配的漿液極易誘發井壁失穩、塌孔、通道堵塞等問題，造成次生災害和安全事故。

針對鉆進現場實驗設備匱乏，實驗室檢測繁瑣等問題，設計研究一種能夠準確檢測泥漿參數，便于攜帶的泥漿性能檢測設備，為現場作業人員提供及時的泥漿性能參考。

1 系統結構

1.1 系統工作原理

泥漿性能快速檢測系統用于自動檢測和分析鉆機配備的泥漿攪拌罐中泥漿的性能，其所測性能參數包括:泥漿密度、粘度、切力、失水量、潤滑性、pH 值。系統快速采樣，分析出泥漿各個性能參數，并通過合適的方式顯示，反饋給技術人員。泥漿性能智能檢測系統總體工作原理圖見圖1。

圖1 系統工作原理圖Fig 1 System working principle diagram

1.2 硬件組成

如圖2 所示，系統由浮筒、多只壓力傳感器(測密度)、一個潛水密封電機旋轉槳葉加轉矩傳感器(測粘度和切力)、一個潛水密封電機旋轉摩擦副加扭力傳感器(測潤滑性)、一只pH值傳感器，一臺數據采集/記錄顯示/智能分析儀組成該系統。其傳感器組和記錄分析儀之間的測試信號和控制信號由纜線連接實現，失水量數據由分析儀中的軟件程序根據采集到的密度、粘度、切力三個參數綜合法組合計算得到。

圖2 結構原理圖Fig 2 Structure principle diagram

1.3 密度及其分布

在泥漿攪拌灌里沿垂向在不同深度處安裝多只壓力傳感器(圖2)，分別測量出它們所在深度處的泥漿壓力。由于泥漿始終處于流動狀態，檢測到的壓力會有波動，需要選用精度較高，量程較小的水壓傳感器，得到的數據還要進行濾波和擬合處理，得到理想波動曲線。沿筒狀結構體周圍自上而下安裝3 只壓力傳感器，依次測出壓力，于是可以在泥漿密度上下不均勻(但視為線性變化)，且不知液面高度的情況下按以下推導來計算所求的密度參數［3］

其中，F 為水位壓力，S 為水位截面積，ρ 為密度，g 為重力加速度，h 為水深，ρ0為密度常量，k 為比例系數。

積分得

力為

壓力為

作為上式計算的一些常見特例，認為泥漿密度分布不均勻，但已知液面高度

已知p1，p2，p3，Δh，可以計算出液體密度。

1.4 粘稠性

如圖3 所示，粘度檢測模塊內部有獨立的步進電機驅動，按照程序控制進行調速，轉速可以自動從低速向高速切換換;電機上安裝有光電編碼器對速度進行反饋控制，保持轉速的穩定;電機通過聯軸器和轉子連接，通過機械密封保證電機旋轉時不會有液體侵入電機密封艙;轉子定子同軸，采用API 制定的轉筒和定子尺寸，微扭矩傳感器采用應變片制作，安裝在定子下方測量軸上［4］。

測量時，被測泥漿處于兩個同心圓筒間的環形空間內，通過電機帶動轉筒以恒速旋轉，外轉筒通過被測液體作用于內筒產生一個轉矩，微扭矩傳感器就能感知到此時產生的扭矩，根據牛頓定律，該轉角的大小與液體的粘度呈正比，于是液體粘度的測量轉換為內筒扭矩的測量。反映在微扭矩傳感器上，采集600，300 r/min 下的數據，通過計算即為液體粘度、切應力［5］。

圖3 粘稠性測量模塊Fig 3 Viscosity measurement module

粘度和切應力計算公式如下［6］:

1)表觀粘度

3)動切力

其中，θ600為600 r/m 下儀器數據;θ300為300 r/m 下儀器數據;τ 為剪切應力;γ 為剪切速率;ηa為表觀粘度，mPa·s;μp為塑性粘度，mPa·s;τ0為動切粘度，mPa·s。

1.5 潤滑性

當一個物體在另一個物體表面做平行滑動時，就會產生一個摩擦力，其大小與作用在摩擦面上的力呈正比，即，F=pμ。式中F 為摩擦力;p 為摩擦面上的垂直作用力;μ為摩阻系數［7，8］。

摩阻系數μ，不但與接觸物體的質料、表面狀況有關，而且與相對運動速度的大小有關。潤滑儀就是在固定壓力p 下，通過測定在潤滑劑形成“液膜”后摩擦力大小，測試摩阻系數μ 的值用來表示潤滑劑的潤滑性［9］。如圖4 所示，具體實現為:通過恒速電機帶動轉軸以設定速度勻速轉動，帶動摩擦副旋轉;由于摩擦副和夾塊之間存在設定的壓力，夾塊受摩擦力產生軸向扭矩，帶動其同軸的測量模塊，從而輸出測量信號;測量信號經過處理后傳輸到上方進行顯示和后期處理。

2 實驗數據分析

將各個模塊集成之后安裝在密閉倉內，所有的連接節點做防水處理，并涂抹潤滑劑。投入到泥漿池中時，保持儀

圖4 潤滑性測量模塊Fig 4 Lubricity measurement module

2)塑性粘度器豎直朝上，并且固定。泥漿將儀器全部淹沒，攪拌機充分攪勻。先開機預熱，儀器自檢正常的情況下軟件數據采集。

粘度測量選取了粘度梯度降低的幾種漿液配方，分別采用標準測量儀器標定，再采用設計儀器測量，得到了關于實驗的數據結果，可見儀器能夠反映出泥漿粘度的梯度變化。所有樣品都是以0.5%比例配制而成，在溫度6 ℃下水化16 h 所測數據。選取的提粘劑分別是魔芋(Konjac)，雷膨(LeiPng)，HEC，XC，聚陰離子纖維素(PAC)，羧甲基纖維素(CMC)，實驗數據如圖5 所示。

圖5 粘度測量對比結果Fig 5 Comparison result of viscosity measurement

密度測量采用基漿加入重晶石(硫酸鋇)混配成不同比重的漿液來驗證儀器對不同比重泥漿是否產生變化，實驗結果區分明顯，基本呈線性變換規律，有參考性，且測量精度隨傳感器量程和精度變化。圖6 為重晶石加入量為0%，50%，70%三種情況下漿液的比重變化。

圖6 加入不同量重晶石的泥漿比重Fig 6 Proportion of mud with different quantity of Barite

潤滑性檢測采用清水、皂化油、OP—10 混配成不同效果的漿液，用專業儀器做對比，取同樣的漿液依次測量，如表1，發現潤滑性差別明顯，區分效果理想，但是精度略微不足。

表1 潤滑性對比結果Tab 1 Comparison result of lubricity

3 結 論

實驗驗證結果表明:該系統能夠迅速反映出漿液體系的宏觀性能參數，尤其是粘度、比重等關鍵因素的變化。對作業過程中泥漿性能的變化能夠測出準確的變化關系，尤其是在時間緊迫的情況下為配漿提供參考。這種簡單的設計方法可以大大節約操作時間，使現場測量變得可行。

［1］ 烏效鳴，胡郁樂，賀冰新，等.鉆井液與巖土工程漿液［M］.武漢:中國地質大學出版社，2002.

［2］ 張景富.鉆井流體力學［M］.北京:石油工業出版社，1996.

［3］ 張志東.基于壓力監測技術的油井泥漿密度和流量的控制［J］.油氣田地面工程，2012(4):19－20.

［4］ 劉文鵬，張慶禮，殷紹唐，等.粘度測量方法進展［J］.人工晶體學報，2007，36(2):382－383.

［5］ 童 剛，陳麗君，冷 健.基于組態王和PLC 的流體粘度測量系統［J］.微計算機信息，2008，24(9－1):130－131.

［6］ 烏效鳴，胡郁樂，童紅梅，等.鉆井液與巖土工程漿液實驗原理與方法［M］.武漢:中國地質大學出版社，2010.

［7］ 韋淡平.一種測量汽油潤滑性的方法［J］.摩擦學學報，2000，20(1):39－40.

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［9］ 艾貴成，王衛國，張寶峰，等.深井高溫高密度鉆井液潤滑性控制技術［J］.石油與鉆掘工程，2009(6):42－44.