泥浆性能检测系统设计

2015-03-30乌效鸣

传感器与微系统 2015年7期

张峰，乌效鸣，吴川，赵民

(中国地质大学工程学院，湖北武汉430074)

0 引言

钻井液和工程浆液的性能对钻进效率和钻进安全影响重大。在石油天然气钻井、煤层气钻井、地质科学钻探等方向，钻井液、护壁堵漏材料、压裂液、稳定液、注浆液、混凝土浆等浆液的用途越来越广，作用越来越重要［1］。泥浆的性能直接决定了成孔的完整性，地层稳定，钻进的安全［2］，不匹配的浆液极易诱发井壁失稳、塌孔、通道堵塞等问题，造成次生灾害和安全事故。

针对钻进现场实验设备匮乏，实验室检测繁琐等问题，设计研究一种能够准确检测泥浆参数，便于携带的泥浆性能检测设备，为现场作业人员提供及时的泥浆性能参考。

1 系统结构

1.1 系统工作原理

泥浆性能快速检测系统用于自动检测和分析钻机配备的泥浆搅拌罐中泥浆的性能，其所测性能参数包括:泥浆密度、粘度、切力、失水量、润滑性、pH 值。系统快速采样，分析出泥浆各个性能参数，并通过合适的方式显示，反馈给技术人员。泥浆性能智能检测系统总体工作原理图见图1。

图1 系统工作原理图Fig 1 System working principle diagram

1.2 硬件组成

如图2 所示，系统由浮筒、多只压力传感器(测密度)、一个潜水密封电机旋转桨叶加转矩传感器(测粘度和切力)、一个潜水密封电机旋转摩擦副加扭力传感器(测润滑性)、一只pH值传感器，一台数据采集/记录显示/智能分析仪组成该系统。其传感器组和记录分析仪之间的测试信号和控制信号由缆线连接实现，失水量数据由分析仪中的软件程序根据采集到的密度、粘度、切力三个参数综合法组合计算得到。

图2 结构原理图Fig 2 Structure principle diagram

1.3 密度及其分布

在泥浆搅拌灌里沿垂向在不同深度处安装多只压力传感器(图2)，分别测量出它们所在深度处的泥浆压力。由于泥浆始终处于流动状态，检测到的压力会有波动，需要选用精度较高，量程较小的水压传感器，得到的数据还要进行滤波和拟合处理，得到理想波动曲线。沿筒状结构体周围自上而下安装3 只压力传感器，依次测出压力，于是可以在泥浆密度上下不均匀(但视为线性变化)，且不知液面高度的情况下按以下推导来计算所求的密度参数［3］

其中，F 为水位压力，S 为水位截面积，ρ 为密度，g 为重力加速度，h 为水深，ρ0为密度常量，k 为比例系数。

积分得

力为

压力为

作为上式计算的一些常见特例，认为泥浆密度分布不均匀，但已知液面高度

已知p1，p2，p3，Δh，可以计算出液体密度。

1.4 粘稠性

如图3 所示，粘度检测模块内部有独立的步进电机驱动，按照程序控制进行调速，转速可以自动从低速向高速切换换;电机上安装有光电编码器对速度进行反馈控制，保持转速的稳定;电机通过联轴器和转子连接，通过机械密封保证电机旋转时不会有液体侵入电机密封舱;转子定子同轴，采用API 制定的转筒和定子尺寸，微扭矩传感器采用应变片制作，安装在定子下方测量轴上［4］。

测量时，被测泥浆处于两个同心圆筒间的环形空间内，通过电机带动转筒以恒速旋转，外转筒通过被测液体作用于内筒产生一个转矩，微扭矩传感器就能感知到此时产生的扭矩，根据牛顿定律，该转角的大小与液体的粘度呈正比，于是液体粘度的测量转换为内筒扭矩的测量。反映在微扭矩传感器上，采集600，300 r/min 下的数据，通过计算即为液体粘度、切应力［5］。

图3 粘稠性测量模块Fig 3 Viscosity measurement module

粘度和切应力计算公式如下［6］:

1)表观粘度

3)动切力

其中，θ600为600 r/m 下仪器数据;θ300为300 r/m 下仪器数据;τ 为剪切应力;γ 为剪切速率;ηa为表观粘度，mPa·s;μp为塑性粘度，mPa·s;τ0为动切粘度，mPa·s。

1.5 润滑性

当一个物体在另一个物体表面做平行滑动时，就会产生一个摩擦力，其大小与作用在摩擦面上的力呈正比，即，F=pμ。式中F 为摩擦力;p 为摩擦面上的垂直作用力;μ为摩阻系数［7，8］。

摩阻系数μ，不但与接触物体的质料、表面状况有关，而且与相对运动速度的大小有关。润滑仪就是在固定压力p 下，通过测定在润滑剂形成“液膜”后摩擦力大小，测试摩阻系数μ 的值用来表示润滑剂的润滑性［9］。如图4 所示，具体实现为:通过恒速电机带动转轴以设定速度匀速转动，带动摩擦副旋转;由于摩擦副和夹块之间存在设定的压力，夹块受摩擦力产生轴向扭矩，带动其同轴的测量模块，从而输出测量信号;测量信号经过处理后传输到上方进行显示和后期处理。

2 实验数据分析

将各个模块集成之后安装在密闭仓内，所有的连接节点做防水处理，并涂抹润滑剂。投入到泥浆池中时，保持仪

图4 润滑性测量模块Fig 4 Lubricity measurement module

2)塑性粘度器竖直朝上，并且固定。泥浆将仪器全部淹没，搅拌机充分搅匀。先开机预热，仪器自检正常的情况下软件数据采集。

粘度测量选取了粘度梯度降低的几种浆液配方，分别采用标准测量仪器标定，再采用设计仪器测量，得到了关于实验的数据结果，可见仪器能够反映出泥浆粘度的梯度变化。所有样品都是以0.5%比例配制而成，在温度6 ℃下水化16 h 所测数据。选取的提粘剂分别是魔芋(Konjac)，雷膨(LeiPng)，HEC，XC，聚阴离子纤维素(PAC)，羧甲基纤维素(CMC)，实验数据如图5 所示。