一种可测挥发性液体的耐腐蚀黏度计的设计与研究

2017-03-02高通王琪赵建刚魏瑞贺云超刘斌

地质装备 2017年1期

高通,王琪,赵建刚，魏瑞，贺云超，刘斌

高通1,王琪1,赵建刚1，魏瑞1，贺云超1，刘斌2

(1.北京探矿工程研究所，北京 100083；2.青海油田诚信服务公司，甘肃敦煌 736202)

黏度计广泛应用于测量钻井液、完井液和压裂液等样品的黏度。由于钻井液、压裂液等样品成份复杂，有些样品含有可挥发的腐蚀性成份，如用于对压裂液进行破胶测试时，样品中常会含有盐酸、土酸等腐蚀性比较强的成份。在测试这类样品的黏度时，现有的常规黏度计，包括进口仪器在内，都没有设计防腐功能，导致包括弹簧、轴承在内的测试系统部件在测试过程中受腐蚀而损坏，造成仪器使用寿命极短，无法正常使用。为了克服这一技术性难题，有必要研制可以测试含挥发性腐蚀气体样品黏度的耐腐蚀性黏度计。本文介绍了我们研制的一款可以测试含挥发性腐蚀气体样品黏度的耐腐蚀性黏度计的工作原理和性能指标，经过实验和对比验证，证明该耐腐蚀性黏度计具有耐腐蚀性良好和测量精度高等优点。

腐蚀；密封；黏度计；单片机；挥发性

1 概述

随着常规油气田开采的不断深入，非常规油气领域的开采越来越受到人们的广泛关注，为了提高致密油气井等低产油气井的产量，需要对生产井段进行压裂，有的需要进行分段压裂。对生产段进行压裂后，需要向压裂段注入破胶液进行破胶，以便清除滞留于裂缝中的黏稠的压裂液，破胶液中多含有盐酸等具有挥发性的腐蚀成份。要测定破胶液对压裂液的破胶效果，需要使用黏度计测定压裂液在加入破胶液后黏度的变化过程，常规黏度计无法完成这类样品的黏度测定。首先，会腐蚀测试部分，如外筒和内筒；其次，测试液体(尤其是易挥发的样品)有可能腐蚀仪器测试黏度系统的精密弹簧和轴承，导致测试结果误差大，并且导致黏度计很快损坏而无法使用。

所以，设计一种耐腐蚀黏度计，可以解决测定腐蚀性样品黏度时易损坏测试仪器的问题，拓宽了黏度计的使用领域，具有很高的科研价值和很好的市场前景。本文介绍的耐腐蚀黏度计，是一款耐腐蚀、智能化、高精度、重复性好的黏度计，主要用于测量具有比较强腐蚀性样品的黏度测定，也可用于常规钻井液、黄原胶等添加剂的黏度测量，测量准确度与美国进口的Fann 35A型和OFI 900型黏度计一致。

2 设计思路和研究内容

2.1 测试工艺和整机结构的设计

本黏度计按照相关的行业标准[1-2]，设计成同轴旋转体传感系统的黏度计。当外筒以一定转速旋转时，带动位于外筒和内筒之间的样品一起旋转，样品具有一定的黏度，就会带动内筒旋转。由于内筒与特殊设计的扭力弹簧相连，所以内筒在转过一定角度后，旋转样品传给内筒的扭矩与扭力弹簧提供的反扭矩相平衡，内筒就停在某一角度不动了。通过与内筒相连接的刻度盘及指针即可读出样品的黏度，也可通过角位移传感器，将旋转角度转换成数字信号传给以单片机为核心的控制系统，进行数字显示或记录，单片机控制系统可以控制外筒以不同的速度旋转，从而测量样品在不同转速下的黏度特性。该设计具有外观小巧，便于携带，且有独特的防样品爬杆结构设计优点。

1.放大视窗；2.扭矩弹簧；3.指示盘；4.耐腐蚀轴承；5.迷宫式密封；6.内筒；7.外筒；8.底盘；9.电机；10.皮带轮。

2.2 高精度转速驱动控制

与普遍使用的传统黏度计相比较，该黏度计选用集成式微步进驱动一体化电机(见图2)，极大地提高了速度的可选范围、速度的精度和可调速度的分辨率。该电机具有20种微步分辨率，既可以进行低速控制，最低转速0.01 r/min，也可以进行最高1000 r/min的平滑运转；电源范围宽可在+12～+75 VDC之间任意选择；脉冲时钟频率可以从0～5 MHz设定，并且最低可以0.59 Hz的增量变化。该电机的电机运行/保持电流、微步分辨率、加速/减速、初始速率和最大速率、保持电流延迟时间/电机稳定延迟时间、输入时钟信号滤波器等参数都可以通过一条专用电缆与计算机通讯，由专用软件进行设置。

图2 微步进驱动一体化电机

控制电机转动的电机时钟信号源采用高精度DDS技术进行设计，其主要基于ADI公司AD9850高速直接数字频率合成芯片，设计高精度信号源，实现转速控制。控制电路板见图3，技术参数见表1。

2.3 防腐蚀迷宫式外筒设计

为了防止在测试时挥发性液体挥发，对外筒进行了封闭式设计，样品经由注射孔注入，外筒上部设计有非接触式油封，可以杜绝挥发性气体和液体的上升，避免其对传动部分造成的腐蚀破坏。迷宫式的整体结构设计具有易于安装、防水防尘、密封效果好、使用寿命长的特点，见图4。

图3 DDS硬件电路板

最高工作频率/MHz125输出频率范围/MHz0～60频率控制字/bit32频率分辨率/Hz0 029(125MHz时钟)功耗/mW155输出模拟正弦波温度范围/℃-40～+85

1.迷宫式密封；2.注液孔。

2.4 硬件电路的设计

黏度计的硬件控制电路需要在以单片机为控制核心的小型微电脑系统上实现对电机的速度控制、速度值LED显示等功能，其中速度控制包括扫频电路的设计、键盘扫描电路设计和数字开关的识别电路设计，见图5。

图5 速度显示和数字开关电路

3 样机实验测试与结果

为了验证仪器的重复性和准确度，按照相关测试标准，对样机进行了实验测试，测试环境为标准实验室配置，环境温度26℃；测试材料为标准硅油、多种泥浆样品和压裂液；其他实验器具：量杯、天平、标准温度计、秒表、高速搅拌机、光电转速表等。由实验测试数据和结果表明，该黏度计不仅可以满足测试挥发性液体的要求，在测量的准确度和精度上也完全达标，表2、表3为部分测试数据。

表2 300 mPas标准硅油测试

转速/r∙min-1直读值计算黏度值/mPa·s32 9290 03029 5295 06059 5297 510099 0297 0200197 5295 0300296 5296 5600超出量程—

注：测温度24.5 ℃，对应标准黏度296.2 mPa·s。

4 结论

本文介绍的耐腐蚀黏度计是能自动测量流体黏度的数显黏度计。该仪器不仅能够测量含可挥发腐蚀性成份样品的黏度，同时转速控制精度高，黏度测量误差小，相对误差在0.5%以内，可自校准，有12个固定转速，也可手动无级调速；表盘黏度直读，使用方便、快捷，数据可以同进口仪器相比对；设计简单易用，便于维护，测量结果稳定，测试量程宽，应用范围广泛，值得进行大范围推广和使用。