新型非核非接触密度计在固井和压裂作业中的应用

赵竹庭，木合塔尔·克力木，赵 辉，张 虎，乔增军

新型非核非接触密度计在固井和压裂作业中的应用

赵竹庭1，木合塔尔·克力木2，赵 辉3，张 虎4，乔增军4

（1．兰州非接触测量研究所，兰州730030；2．西部钻探固井压裂工程公司，新疆克拉玛依834000；3．兰州矿场机械有限公司，兰州730070；4．新疆油田公司工程技术三分公司，新疆克拉玛依834000）

准确的密度测量对于油田固井和压裂作业非常重要。固井水泥浆和压裂液都含有大量的颗粒物质，在高压液体的携带下，细小的颗粒具有很强的冲刷和切削力量，对接触式测量仪表的核心部件都具有很强的破坏性，甚至会损坏仪表。研制了一种新型的不用核材料的非接触测量装置，作为井口数据的终端测量装置应用于油田密度、砂比、流量的测量。介绍了该装置的结构原理及在油田现场的应用情况。

非核非接触；密度计；流量计；固井；压裂；直接测量

中石油在2009年颁布的《固井技术规范》中第九十七条要求：注水泥应按设计连续施工，水泥浆密度应保持均匀，平均密度与设计密度误差不超过0．025 g／cm3；第九十八条要求：应采用仪表计量和人工计量方式同时计量注替参数和数量并相互核对；第九十九条要求：应采用固井压力、排量、密度实时采集系统，连续监控施工过程，为固井过程质量评价创造条件［1］。但就目前的测量手段来说，暂时还没有能在井口直接测量泥浆密度的产品，只能把水泥车上的车载密度计测量值作为施工最终参数记录下来。假如有2台或2台以上水泥车同时往管汇里注水泥浆，那么井口最终水泥浆的密度就无法准确得知了。只有在井口进行最终的直接测量，才能获得直接的、准确的测量值。

密度计按照原理来分，可分为浮子式密度计、差压式密度计、科氏力密度计、放射性核密度计等。在石油行业中，差压式密度计、科氏力密度计、放射性核密度计在实际生产中都有应用，其中只有放射性核密度计能真正实现非接触测量。固井水泥浆和压裂液都含有大量的颗粒物质，在高压液体的携带下，细小的颗粒同样具有很强的冲刷和切削力量，这对接触式测量仪表的核心部件都具有很强的破坏性，甚至会损坏仪表。而且这些接触式测量仪表大都无法承受高压，所以基本不能作为终端测量仪表来使用。

放射性核密度计具有非接触、不受介质特性影响、可以承受高压、测量快速准确的特点，但是测量时必须依靠放射性同位素作为测量源，虽然辐射当量能满足环保要求，但目前已经基本不在油田现场使用了。

新疆油田公司和兰州非接触测量研究所联合，在兰州矿场机械有限公司的紧密配合下，经过近10 a的攻关，研制生产出“丹斯帝”系列非核辐射、非接触工业用（油田系列）高压密度计、流量计，具有不接触介质、承受压力高、结构简单的特点，完全能满足固井和小型压裂的终端测量要求。

1　技术分析

1．1测量原理［2-4］

不同密度的介质在流经一个固定电场时，会改变形成电场的电极之间的介电常数，介电常数的变化会直接反映在电极之间电容值的变化。依据Clausius-M ossotti方程，物质的密度ρ和相对介电常数ε之间的关系为

式中：M为该物质的极化率。

推导后为

研究表明，两相流或三相流混合液中固相和水的极化率均为常数。所以密度的变化会反映在介电常数的变化上。

电容电极间介电常数与电容值之间的关系为

式中：ATC为电容器的结构常数。两式联立得

由上可知，密度和传感器的电容值建立了对应关系，可以通过测量传感器的电场中电极电容值的变化得到流体的密度。

1．2 传感器结构［5］

传感器由不锈钢制成的多层同心圆构成，每层之间加有绝缘层，同心圆的单数层为1个电极，双数层为1个电极，中间为测量通道，电极引出线为多层屏蔽线。如图1所示。双层屏蔽线采用整体屏蔽联结，内屏蔽层相互联通与放大器电路板接地联通，构成等电位体，外层屏蔽层与传感器外部金属结构联通，并与传输电缆和二次表接地联通，以此尽量降低耦合容抗对监测的影响。

图1　传感器结构

由于制造工艺的特殊性，每个传感器最后形成的特性参数都略有不同，这就需要在出厂前进行标定。每个传感器的标定参数都不一样，所以每个传感器都有不同的部件号，以便在更换传感器后按照对应的标定参数调整二次表的系数。这样就保证了传感器具有互换性。

1．3 信号检出电路

为了尽量缩短电极输出线和前置放大器之间的距离，前置放大器电路集成在传感器结构内，这样既保证监测的灵敏度［6］，也可以最大限度地降低干扰。根据M c H aled的研究，对于在线电容值的测量，具

体电路原理如图2所示。

图2　信号检出电路原理

信号检出电路原理框图如3所示。

图3　信号检出电路原理

1．4 高抗噪滤波电路［7］

由于所能监测到的信号非常微弱，还有分布电容和外界的干扰，为了能保证测量的效果，所以采用目前先进的信号处理方法，即旋转电容滤波方式。

旋转电容滤波电路具有高速开关特性，它有很强的噪声抑制能力。滤波电路主要由高性能Bi-F E T运算放大器A D542和高速电子开关A D7510DIS Q构成。具体电路如图4所示。

图4　高抗噪滤波电路

1．5 采样整形电路［8］

经过上述旋转电容滤波后，信号就被整形成交流方波信号。为了便于测量和传输，需要把信号变成直流电压信号，同时进一步对信号进行抑制干扰处理。具体电路如图5所示。

图5　采样整形电路

2　现场应用

2．1 在固井水泥车上应用

兰州矿场机械有限公司制造的固井水泥车有二次回流混浆功能。利用“丹斯帝”密度计开发的自动混浆控制系统，把测得的密度信号反馈到控制系统中，参与二次混浆的密度自动控制，通过试验证明，密度计抗振动性能比进口的科氏力密度计还好，并且参数稳定，滞后小。

具体过程如下：将“丹斯帝”D S T-M-2F型法兰式密度计连接在回流管汇上，通径为D N50（2英寸），使用前先用平衡式密度计测量出水泥浆密度，根据“丹斯帝”密度计液晶屏显示数据，调整标定系数，使显示值和实际测量值一致，经过2次标定，“丹斯帝”密度计就可以正常投入使用了。经过一段时间的多台车的随车使用，“丹斯帝”密度计具有测量准确、无滞后现象、测量通道无障碍、不会堵塞、清洗容易的优点。根据其原理可知，这款密度计产品抗震性能好，免维护，得到了用户的肯定。

2．2 在压裂混砂车上应用

目前，大多数混砂车在测量砂比时都是采用计算法得到砂比，即用涡轮流量计测得清水流量，用脉冲计数法算出砂量，通过后台计算出砂比。利用“丹斯帝”密度计开发的混砂车砂比＋液位自动控制系统，在混砂车上使用，解决了目前混砂车砂比无法直接测量的难题，把砂比信号引入砂比自动控制回路，可以实现砂比自动跟踪及自动控制，加上液位自动控制系统，大幅度提高了混砂车的品质。

具体过程如下：在混砂车上，从混合罐用离心泵分离出混合液，通过“丹斯帝”密度计就可直接得到砂比读数。

3　扩展应用

“丹斯帝”非接触工业流量计是和密度计采用同一原理开发研制成功的，流量计和密度计可以轻松整合成一个产品，实现密度、瞬时排量、累计排量的同时测量。

4　结论

1） 新型非核非接触工业密度计突破目前的测量手段，实现了真正非接触高压介质流量的测量。

2） 系统解决了密度、砂比、粒度、流量的直接测量难题，具有测量通道无障碍、不会堵塞、清洗容易的优点。

3） 抗震性能好，免维护，可以承受高压，并可作为井口数据的终端测量装备。

［1］ 中国石油天然气集团公司．固井技术规范［S］．2009．

［2］ 李兴华．密度测量与应用［J］．中国计量，1999（3）：54-55．

［3］ 江芋叶，张鹏．浆态电容式密度计及液位计的实验研究［J］．低温与超导，2010，38（5）：19-23＋30．

［4］ M c H ale．Capacitively coupled magnetic flow meter：U S，451624［P］．1996-10-26．

［5］ 李斌，姚骏．一种集成式浆体浓度流量传感器：中国，02217816［P］．2002-05-30．

［6］ 曾庆勇．微弱信号检测［M］．杭州：浙江大学出版社，1994．

［7］ 万力．基于正弦波励磁的电容式电磁流量计的研制［D］．成都：电子科技大学，2008．

［8］ 张小章．基于流动电磁测量理论的流场重建［J］．计量学报，1998（1）：40-44．

New Non-nuclear and Non-contact Density M eter in Cementing and Fracturing Application

ZHAO Zhuting1，MUHETAER·Kelimu2，ZHAO Hui3，ZHANG Hu4，QIAO Zengjun4
（1.Lanzhou Institute of N on-contact M easurement，Lanzhou730030，China；2.Cementing and Fracturing Engineering Com pany，CCDC，K ara m ay834000，China；3.Lanzhou Oil Field M achinery Co.，Ltd.，Lanzhou730070，China；4.Engineering and Technology Third Branch，Xinjiang Oilfield Com pany，K ara m ay834000，China）

The accurate density measurements are very im portant for oilfield cementing and fracturing operations．Cementing slurries and fracturing fluids contain large a m ounts of particulate matter，in carrying liquid under high pressure，small particles with strong erosion and cutting power to the core co m ponents of the instru ment-contact measurement are highly destructive，even da mage the meter．A new type of nuclear materials without non-contact measurement device was developed，as the terminal data wellhead measuring device was used to measure the density of oil，sand ratio，and flow．T he principle structure of the device and application in the field Oilfield is introduced in this paper．

non-nuclearandnon-contact；densito meter；flow meter；cementing；fracturing；direct measurement

T E937

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．021

1001-3482（2015）01-0089-04

2014-10-12

赵竹庭（1940-），男，教授级高级工程师，主要从事非接触测量研究。