鉆井液密度傳感器影響因素及校驗方法探討

熊安華

（大慶鉆探工程公司地質錄井一公司地質研究中心檢驗室，黑龍江 大慶 163000）

1 概述

石油及天然氣是重要的能源，在社會經濟發展及居民生活中發揮重要作用，隨著我國經濟的快速發展，對石油及天然氣資源的需求量不斷上升，國內油氣田產量不能滿足需求，石油及天然氣對外依存度不斷上升，亟待加強國內油氣資源勘探開發力度。鉆井工程是油氣勘探開發的重要手段，鉆井液在鉆井施工過程中具有不可取代作用，具體表現在幾個方面：一是鉆井液循環能夠攜帶井底巖屑，清潔井眼；二是鉆井液能夠冷卻鉆頭，提升鉆頭使用壽命；三是高壓下鉆井液能夠協助破巖；四是鉆井液起到潤滑井壁作用，降低摩擦阻力，防止發生卡鉆或者套管下入困難；五是對于易水化膨脹地層，強制性鉆井液能夠有效抑制地層水化膨脹，防止發生井眼垮塌。總之，鉆井液在鉆井施工過程中具有重要作用，為了保證鉆井液施工順利，必須保證鉆井液性能符合要求。鉆井液密度是其重要的性能指標，鉆井液密度大小決定井底壓力，密度過大，會造成井底壓力大于地層坍塌壓力，導致井漏的發生。鉆井液密度過小，會導致井底壓力過低，容易發生井涌、甚至是井噴。隨鉆過程中實時監測鉆井液密度變化，能夠指導鉆井液性能調整，監測鉆井液異常的發生，對于高效安全鉆井具有重要意義。

2 鉆井液密度傳感器原理

液體密度測量有多種方法，根據測量方式的不同分為靜態測量與動態測量，其中靜態測量原理較為簡單，測量精度相對較高，誤差較小，分辨率高。由于鉆井液密度測量主要測量出口及入口密度，鉆井液處于流動狀態，需要采用動態測量方式，動態測量密度隨時間動態變化，鉆井液動態測量主要方式有三種，分別是諧振式密度傳感器、射線式密度傳感器、超聲波式密度傳感器[1]，其中錄井現場較為常見的諧振式密度傳感器。

（1）諧振式密度傳感器。其工作原理是當包含液體或周圍接觸有液體時，傳感器以固有頻率發生諧振，其諧振頻率f與固體的剛度（K）及固液復合質量（m+ρv）有關，物體固有頻率與振動介質物性呈函數關系，介質的尺寸、形狀、質量、應力情況都會影響振動頻率。當液體體積一定的情況下，其它條件保持不變，通過測量的諧振頻率能夠計算液體密度值。

振動式密度傳感器組成主要有振子、檢測電路及安裝支架等組成，其中，振子由振動管、振動管底座及支架等組成，振子的組成材料為鎳鉻合金，其具有低溫度系數的特性，適宜做頻率原件。諧振式密度傳感器工作原理如圖1所示，其組成部分主要有功率放大器、激勵線圈、檢測線圈、自動增益電壓放大器、濾波器、整形電路、移相電路、功率發大電路等，在外界電脈沖作用下，振動管發生振動，此時檢測線圈發生磁性耦合，可以將振動的位移信號轉變為電信號，即將物理信號轉換為電信號，然后電信號被放大處理，經過濾波、整形、移相及功率放大后，加載到激勵線圈上，用以激勵振動管，從而使振動管能夠持續低振動，然后將頻率信號輸出，測量到振動周期。當被檢測的鉆井液從振動管里流過時，液體與振動管同時振動，原來振動質量只有振動管，此時振動質量為振動管與液體質量，總的振動質量增加了，振動管的固有頻率也隨即發生改變。不同密度鉆井液質量不同，得到的振動頻率也不同，通過建立振動頻率與液體密度的關系，就可以實現對液體密度的測量。受到錄井現場條件限制，諧振式密度傳感器不適用于錄井現場。

（2）單晶硅諧振式密度傳感器。單晶硅諧振式密度傳感器上有各H 形的振動梁，每個振動梁上都帶有波紋膜片的法蘭，測量鉆井液密度時，將法蘭浸沒在鉆井液中，由于兩個法蘭片所處的深度存在差異，在鉆井液中受到的液體壓力不同，而法蘭片的距離是一定的，二者之間的壓差與鉆井液密度有關。通過建立密度與壓差的關系，就可以實現對鉆井液密度的測量[2-3]。單晶硅諧振式密度傳感器能夠將壓差、壓力信號轉換為頻率信號，頻率信號輸送到CPU微處理器后，經過D/A轉換，轉換為4～20mA DC 的電信號輸出。目前在錄井現場應用較多的是單晶硅諧振式密度傳感器。

3 影響因素

單晶硅諧振式密度傳感器測量時需要置于鉆井液池中，由于鉆井現場條件惡劣，容易受到多種因素影響，主要表現在以下幾個方面：

（1）鉆井液液面影響。單晶硅諧振式密度傳感器在測量鉆井液出口密度時，需要安裝在泥漿出口緩沖槽內，由于鉆井施工流量不斷變化，當鉆井液流量小時，緩沖池的液面高度較低，低于傳感器法蘭片高度，使得法蘭片不能浸沒在鉆井液中，不能準確測量鉆井液密度。

（2）鉆井液中固相顆粒影響。鉆井液從井底返出時，會攜帶大量巖屑顆粒，加之鉆井液中本身還有粘土等，在緩沖池鉆井液流速會降低，鉆井液中固相顆粒會發生沉降，堆積在法蘭片上，使得測量結果受到影響。

（3）鉆井液流量不穩定造成的影響。鉆井液出口流量是不穩定的，會產生波動，在緩沖池高速鉆井液會對密度傳感器的法蘭片造成沖擊，法蘭片測量的壓力值不穩定，影響了測量的精度。

（4）鉆井液固化造成的影響。為了滿足鉆井施工要求，鉆井液會添加多種物質，以改善鉆井液粘度、濾失性、造壁性，使得鉆井液容易形成泥餅，附著在傳感器法蘭片上，降低了法蘭片測試的靈敏性。

4 密度傳感器的校驗

單晶硅諧振式密度傳感器在錄井現場長時間使用后測量準確性會受到影響，為保證錄井現場密度測定的準確性，需要定期進行校驗。

（1）單晶硅諧振式密度傳感器零位調整。零位調整時將單晶硅諧振式密度傳感器法蘭片置于空氣中，保證法蘭片干燥的情況下，調節變送器內調零螺絲，將輸出電壓調至4mA（±＜0.12mA），調零后需要等待一段時間才能斷電，否則調零失效，零點會回到調零之前的位置。

（2）單晶硅諧振式密度傳感器增益調整。對單晶硅諧振式密度傳感器進行增益調整時，需要擰開變送器蓋子，將內藏式指示計插入電路板中，然后將傳感器法蘭片置于清水中，通上電源后，指示表顯示應為40%，輸出電流在10.4mA 左右，如若指示表讀數不是上述讀數，偏差較大，需要進行調整[4]，調整方法是按壓顯示器右下方按鈕，直至顯示為“HSET”時，調節調零螺絲，將顯示調整至正確示數，調整完成后，等待30s時間，最終調整完成。

（3）單晶硅諧振式密度傳感器線性調整。為了進行線性測試，需要使用校驗法蘭，將傳感器前端防護罩拆卸下來，然后在傳感器下法蘭位置連接上校驗法蘭。使用一根塑料軟管，向其中裝入清水，擰開校驗法蘭上的放氣螺絲，向其中加入一定量的水，待放氣螺絲中有水溢出時，擰緊螺絲，同時將塑料軟管水中氣體排凈，之后通電接上電流表，通過改變軟管液面的高度，測量輸出信號的變化，記錄下不同高度位置信號值，應與表1中校驗值相近，即滿足線性要求。

表1 密度傳感器線性測試參照表

5 結束語

隨著國際油價持續在低位徘徊，油氣田開發利潤大大降低，勘探開發投入不斷減少，鉆井成本也相應地進行壓縮，鉆井提速是提升鉆井施工效益的重要途徑。為保障安全高效鉆井，必須加強對鉆井工程狀況監測，鉆井液密度作為重要的性能指標，在監測鉆井工程異常、提升鉆井施工效率方面發揮重要作用。為確保鉆井液密度測量的準確性，必須定期對鉆井液密度傳感器進行校驗，以獲得真實可靠的鉆井液密度參數，為安全高效鉆井提供技術保障。