几种流量传感器在钻井液测量上的应用探讨

郭利

摘 要：泥浆流量传感器在钻井过程中具有非常重要的作用，它主要用于实时监测钻井液出口流量，对于预防地层垮塌、钻井液漏失、卡钻、掉钻具、刺钻具等工程事故的发生，具有直观的判断效果。随着电子技术的发展，流量传感器也在不断更新，文章主要探讨几种适于泥浆测量的流量传感器方案，具有一定的应用参考价值。

关键词：流量传感器；挡板式；电磁式；超声波；非满管

随着勘探技术的不断发展及电子技术的不断进步，新型流量传感器将被引用到勘探领域中，目前在钻井和录井现场都安装有流量传感器，泥浆流量的监控对于安全钻井、防止工程事故的发生具有非常积极的作用。

由于钻井泥浆自身的特性：粘度大、密度大、非牛顿流体、低雷诺系数等，使我们对流量传感器的选择有很大的局限性，在国内以及国际钻井现场常用的流量传感器基本有两种，一种是传统的挡板式流量传感器，还有一种就是电磁流量传感器。随着超声波技术的发展进步，利用超声波原理制造的流量传感器也逐渐成熟，在许多领域都有应用，尤其在污水处理方面早有应用，我们探讨将其引入到钻井液流量的测量。

下面对几种测量方案进行比较，列出各自的优缺点，供大家参考。

1 挡板式流量传感器

我们所用的挡板式流量传感器主要指电位计式的，是根据钻井液流体连续性原理和伯努利方程以及挡板受力的分析，得出流量与传感器挡板之间的函数关系，并以电阻值线性变化反映挡板的角位移，测得钻井液流量的相对变化，这种传感器俗称挡板式流量传感器。它是目前应用最多、价格最低廉的流量传感器，主要测量泥浆的相对变化量，我们通常用占出口满管的百分比表示，满管流量标定为100%，根据流量的变化情况来判断泥浆循环系统的工作是否正常。这样测得的流量是相对流量，只能定性地反映泥浆的变化情况，不能定量测量。在国外，钻井监督总是要求我们定量测量出口流量，受老式传感器的局限性影响我们只能给出定性的结果，导致监督很不满意，这也是我们探讨新型流量传感器的一个原因。

这种挡板式传感器要根据泥浆的实际情况来选择适当的配重块，以达到最佳测量的目的，配重块选大了，灵敏度低，选小了又不回零，在实际应用中其挡板也很容易被泥浆和岩屑所粘附，直接影响测量结果。

另外，由于泥浆一直对挡板有冲击，通过齿轮带动相连的电位计不停转动，电位计内部是靠接触摩擦来改变阻值大小的，金属触点和碳膜的直接摩擦将导致碳膜的损坏，所以在现场要经常更换电位计，这非常影响钻井工作的正常进行。

2 电磁流量计

常见的电磁流量计有两种，一种是插入式的，一种是管道式的。

插入式电磁流量计是在直杆上面有两个电极，直杆伸到管道内部，优点是体积小巧，法兰式安装。缺点是测量精度不够高，电极易磨损，不耐用。

管道式电磁流量计通常是采用不同直径大小的管段，内敷聚四氟乙烯、氯丁橡胶、聚氨酯橡胶、耐酸橡胶等材料做衬里，主要适合满管流体的测量。其优点是耐磨损、精度高，反应灵敏。缺点是体积较大，通常和管道直径一样大，适合满管泥浆测量，而钻井现场泥浆出口管线基本都是非满管的，需要在管道上人为制造一段下凹段进行安装，容易造成岩屑堆积、甚至堵塞管道。

3 超声波流量传感器

超声波流量传感器是一种非接触式的仪表，主要用于不易接触和观察的流体以及大管径流量流体的测量。

超声波流量传感器的特点：

（1）不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力。

（2）可管外安装、非接触测流。

（3）测量准确度不易受流体参数的影响，因为是非接触式测量，所以能够解决具有强腐蚀性、非导电性、放射性、易燃易爆性流体的流量测量问题。

下面重点介绍两种适于泥浆测量的非满管型超声波流量计，此两种设计方案，均采用多普勒速度传感器和液位传感器相结合进行非满管测量，一种是压差式液位计，另一种是超声波液位计。

（1）压差式液位计

压差式液位计测量液位时，将传感器放置在水区底部附近，通过水静压传感器将大气压作为水静压传感器测量参考压力，测量流体压力，从而计算出液位的高度。同时，为减小流体的速度对压力传感器的影响，压力传感器采用独特的形状。此种传感器把流速和液位传感器集成于一体，主要采用管道内抱箍安装法。

（2）超声波液位计

超声波液位计的工作原理是采用收发合一的陶瓷超声波换能器发出高频超声波脉冲，声波的发射和接收都由同一个探头完成。探头向被测液面发射超声波信号，超声波由探头经传播介质传播至被测液面，在液面上形成反射，反射波沿原路径传播至探头，被探头接收并转换成电信号。此种传感器测量液位高度，流速传感器采用外夹式安装方式，非接触式测量，无磨损，效果好。

4 結束语

流量传感器虽然种类较多，但是对于泥浆测量都有一定的局限性，泥浆属于非牛顿流体，其成分又相对复杂，对于流量传感器的选择有一定的难度，传统的挡板式流量传感器因其测量精度低，只能定性地判断出口流量的变化情况，处于被淘汰的边缘，电磁流量计又不适合非满管流量的测量，新型的超声波流量传感器从原理上适合钻井泥浆的测量，是一种新技术，后期还需经过一系列的现场试验证明其可行性。随着科技的发展和微电子技术的进步，更加新型的流量传感器将被不断地引入到勘探领域中来，对于钻井工程事故的准确预报起到非常重要的作用。

参考文献

[1]迪纳声超声流量计产品使用说明书（适用于DTFX1020非满管）[Z].

[2]电磁流量计工作原理（来自网络）[Z].