淺析壓差式密度傳感器的穩定性設計

明曉峰??

摘 要： 油氣勘探中，井筒環空中的流體是一種復雜的體系，其中包含了地層流體（油、氣、水）、經鉆頭破碎后的巖屑固相顆粒及其它添加物等。按照流體密度的測量要求，通過壓差式密度傳感器檢測的鉆井液密度應當是單純的液體密度，但由于被其它雜質干擾往往會影響實際密度值的測量，而鉆井液密度值在井控工作中是項十分重要的參數，所以，如何能夠利用壓差式密度傳感器準確地隨鉆檢測鉆井液密度，是綜合錄井技術應用發揮的關鍵。本文探討的就是，如何實現壓差式密度傳感器的精準測量。

關鍵詞： 鉆井液；壓差；傳感器；測量

【中圖分類號】 TE927 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2236-1879（2018）11-0227-01

0 引言

在油氣勘探現場，鉆井液密度的測量方式基本上有兩種，一種是非在線機械式密度計（泥漿稱）測量方式，另一種是在線式連續壓差密度傳感器測量方式，綜合錄井測量鉆井液密度使用的就是壓差式密度傳感器。非在線機械式密度計（泥漿稱）測量的是鉆井液的靜態密度，是有時間間斷的；在線式連續壓差密度傳感器測量的鉆井液的動態密度，無時間間斷，是一種隨鉆連續測量方式。在實際應用中，壓差式密度傳感器需要根據密度計的測量值進行校驗，以確保數據連續采集的準確性。但是，這種校驗方式是不能隨意進行的，因為任何隨意的校驗都會影響到密度采集的實際值，所以，必須需要一種更加科學的手段來確保密度傳感器的準確連續性。依次為分析，必須從影響密度傳感器采集數據準確性的硬件結構上分析解決。

1 壓差式密度傳感器的結構特點

壓差式密度傳感器有兩個按照一定垂直間距排列的壓力膜片組成，根據上下膜片的壓差計算出鉆井液密度。但是，由于鉆井液中的固相顆粒及不同密度油氣水的存在，這種純鉆井液壓差往往得不到準確測量，從而造成非在線機械式密度計（泥漿稱）和在線式連續壓差密度傳感器之間存在測量誤差，而這種測量誤差的存在會直接影響到鉆探安全及對復雜情況的處理等方面的問題，根本原因就是動態固相顆粒對壓力膜片產生了壓迫干擾，同時，也受到了鉆井液的沖擊效應影響。所以，為了消除這種干擾，在壓力膜片的外圍通常加裝一個孔盤，靠孔盤來阻隔固相顆粒承壓到壓力膜片上，但是，在實際應用中這種措施卻沒有解決根本問題，以至于存在密度測量誤差的常態化，直接影響了日常工作質量和勘探效益。概括起來，鉆井液密度測量存在的問題及產生的非積極效應主要有以下幾個方面：

①密度測量誤差會導致無法建立安全的鉆井液體系，無法準確平衡井底壓力，不利于鉆井施工安全；

②無法真實反映鉆井液密度，造成鉆井液配置材料浪費，增加了勘探成本；

③密度測量不準，無法準確建立井底壓力體系，難以維持井底液柱壓力和地層壓力的平衡關系；

④密度測量不準確不利于攜帶井底巖屑，洗井不徹底，易造成井下事故的發生；

⑤發生復雜事故后，沒有準確的密度參考易造成處理問題決策上的失誤，直接影響到勘探效益；

⑥為了維持準確的密度測量，操作人員需要經常用清水清洗維護密度傳感器，增加了勞動強度，不利于職業健康保護也浪費了水資源；

⑦不利于專業部門在油氣勘探中工作職能的發揮，降低了工作質量。

2 解決壓差式密度傳感器測量精度干擾的可行性措施

要解決壓差式密度傳感器受到的測量精度干擾，就必須要消除動態固相顆粒對壓力膜片產生壓迫和鉆井液的擾動對其產生的沖擊效應影響。

2.1消除動態固相顆粒對壓力膜片壓迫影響的硬件措施。

球體直徑根據壓力膜片尺寸而定，對半球體為兩個獨立的半球體，通過鎖扣對接在傳感器支桿上。對半球體的其中一個半球體為封閉式，在封閉式半球體的下方設計為鼻翼型開口，開口按球體下部某角度按切線方向展開，向下向外側呈弧形翼展。對半球體的另一半球體上的中下部球面的部分面積設計為濾網結構，濾網為鼻翼開口，整個鼻翼開口濾網面斜向下與水平面呈角度排列，該球體下部為開口，開口按球體下部某角度按切線方向開口，向下向外呈弧形翼展。對半球體的兩個長翼和短翼弧形開口的最窄處和最寬處弧形距離根據傳感器實際結構設定，兩翼非對稱。

當鉆井液以一定的流速按水平方向通過封閉式半球體時，球體的弧面引流作用為鉆井液中的固相顆粒提供了運動加速度，減少了固相顆粒的滯留時間；當鉆井液以一定的流速呈斜向上流動時，長翼的弧形結構可以向周圍逸散固相顆粒，減少了固相顆粒進入對半球體的機率。

帶鼻翼孔的對半球體用來進入鉆井液，斜向下的鼻翼孔可以充分利用固相顆粒比重大會自然垂落的特點而減少固相顆粒進入球體的機率。當鉆井液以一定的流速呈斜向上流動時，短翼的弧形結構可以向周圍逸散固相顆粒，減少了固相顆粒進入對半球體的機率。

2.2 減少鉆井液擾動對壓力膜片沖擊影響的措施。

實鉆中，將該裝置調整到使鉆井液從該裝置自左向右流動，固相顆粒在封閉式球面作用下沿球面切線方向運動，在流動趨勢的作用下，固相顆粒在濾網處不易聚集。長翼和短翼弧面形成的空間會給固相顆粒產生向下部周圍運動的勢能，也不利于固相顆粒聚集。進入對半球體的固相顆粒在自身重力的作用下也會向下垂落，通過長翼和短翼形成的孔間流出球體，不會在球體體停留壓迫傳感器壓力膜片。同時，長翼和短翼的非對稱設計，充分利用了鉆井液自左向右流動的勢能，最大程度地減少了固相顆粒滯留的可能性，創造了以下性能和優點：

①消除了密度測量誤差，為建立安全的鉆井液體系提供了準確的密度數據，有利于鉆井施工安全；

②真實地反映了鉆井液密度，節約了鉆井液配置材料應用，降低了勘探成本；

③密度測量可靠，可準確地建立井底壓力體系，利于維持井底壓力和底層壓力的平衡關系；

④密度測量準確利于鉆井液攜帶井底巖屑，洗井徹底，降低了井下事故發生機率；

⑤準確的鉆井液密度測量有利于復雜問題處理決策的制定，提升了勘探效益；

⑥密度測量準確，作業人員無需經常用清水清洗維護密度傳感器，降低了勞動強度，有利于職業健康保護，節約了水資源；

⑦有利于綜合錄井在油氣勘探中的工作職能發揮，保證了工作質量。

3 結論

壓差式密度傳感器對鉆井液密度的精準測量是一級井控的基礎，專業職能部門的作用發揮必須建立在實時數據基礎上。通過創新設計，鉆井液壓差式密度傳感器在實際應用中所出現的問題得到有效解決。