浅析压差式密度传感器的稳定性设计

明晓峰��

摘 要： 油气勘探中，井筒环空中的流体是一种复杂的体系，其中包含了地层流体（油、气、水）、经钻头破碎后的岩屑固相颗粒及其它添加物等。按照流体密度的测量要求，通过压差式密度传感器检测的钻井液密度应当是单纯的液体密度，但由于被其它杂质干扰往往会影响实际密度值的测量，而钻井液密度值在井控工作中是项十分重要的参数，所以，如何能够利用压差式密度传感器准确地随钻检测钻井液密度，是综合录井技术应用发挥的关键。本文探讨的就是，如何实现压差式密度传感器的精准测量。

关键词： 钻井液；压差；传感器；测量

【中图分类号】 TE927 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）11-0227-01

0 引言

在油气勘探现场，钻井液密度的测量方式基本上有两种，一种是非在线机械式密度计（泥浆称）测量方式，另一种是在线式连续压差密度传感器测量方式，综合录井测量钻井液密度使用的就是压差式密度传感器。非在线机械式密度计（泥浆称）测量的是钻井液的静态密度，是有时间间断的；在线式连续压差密度传感器测量的钻井液的动态密度，无时间间断，是一种随钻连续测量方式。在实际应用中，压差式密度传感器需要根据密度计的测量值进行校验，以确保数据连续采集的准确性。但是，这种校验方式是不能随意进行的，因为任何随意的校验都会影响到密度采集的实际值，所以，必须需要一种更加科学的手段来确保密度传感器的准确连续性。依次为分析，必须从影响密度传感器采集数据准确性的硬件结构上分析解决。

1 压差式密度传感器的结构特点

压差式密度传感器有两个按照一定垂直间距排列的压力膜片组成，根据上下膜片的压差计算出钻井液密度。但是，由于钻井液中的固相颗粒及不同密度油气水的存在，这种纯钻井液压差往往得不到准确测量，从而造成非在线机械式密度计（泥浆称）和在线式连续压差密度传感器之间存在测量误差，而这种测量误差的存在会直接影响到钻探安全及对复杂情况的处理等方面的问题，根本原因就是动态固相颗粒对压力膜片产生了压迫干扰，同时，也受到了钻井液的冲击效应影响。所以，为了消除这种干扰，在压力膜片的外围通常加装一个孔盘，靠孔盘来阻隔固相颗粒承压到压力膜片上，但是，在实际应用中这种措施却没有解决根本问题，以至于存在密度测量误差的常态化，直接影响了日常工作质量和勘探效益。概括起来，钻井液密度测量存在的问题及产生的非积极效应主要有以下几个方面：

①密度测量误差会导致无法建立安全的钻井液体系，无法准确平衡井底压力，不利于钻井施工安全；

②无法真实反映钻井液密度，造成钻井液配置材料浪费，增加了勘探成本；

③密度测量不准，无法准确建立井底压力体系，难以维持井底液柱压力和地层压力的平衡关系；

④密度测量不准确不利于携带井底岩屑，洗井不徹底，易造成井下事故的发生；

⑤发生复杂事故后，没有准确的密度参考易造成处理问题决策上的失误，直接影响到勘探效益；

⑥为了维持准确的密度测量，操作人员需要经常用清水清洗维护密度传感器，增加了劳动强度，不利于职业健康保护也浪费了水资源；

⑦不利于专业部门在油气勘探中工作职能的发挥，降低了工作质量。

2 解决压差式密度传感器测量精度干扰的可行性措施

要解决压差式密度传感器受到的测量精度干扰，就必须要消除动态固相颗粒对压力膜片产生压迫和钻井液的扰动对其产生的冲击效应影响。

2.1消除动态固相颗粒对压力膜片压迫影响的硬件措施。

球体直径根据压力膜片尺寸而定，对半球体为两个独立的半球体，通过锁扣对接在传感器支杆上。对半球体的其中一个半球体为封闭式，在封闭式半球体的下方设计为鼻翼型开口，开口按球体下部某角度按切线方向展开，向下向外侧呈弧形翼展。对半球体的另一半球体上的中下部球面的部分面积设计为滤网结构，滤网为鼻翼开口，整个鼻翼开口滤网面斜向下与水平面呈角度排列，该球体下部为开口，开口按球体下部某角度按切线方向开口，向下向外呈弧形翼展。对半球体的两个长翼和短翼弧形开口的最窄处和最宽处弧形距离根据传感器实际结构设定，两翼非对称。

当钻井液以一定的流速按水平方向通过封闭式半球体时，球体的弧面引流作用为钻井液中的固相颗粒提供了运动加速度，减少了固相颗粒的滞留时间；当钻井液以一定的流速呈斜向上流动时，长翼的弧形结构可以向周围逸散固相颗粒，减少了固相颗粒进入对半球体的机率。

带鼻翼孔的对半球体用来进入钻井液，斜向下的鼻翼孔可以充分利用固相颗粒比重大会自然垂落的特点而减少固相颗粒进入球体的机率。当钻井液以一定的流速呈斜向上流动时，短翼的弧形结构可以向周围逸散固相颗粒，减少了固相颗粒进入对半球体的机率。

2.2 减少钻井液扰动对压力膜片冲击影响的措施。

实钻中，将该装置调整到使钻井液从该装置自左向右流动，固相颗粒在封闭式球面作用下沿球面切线方向运动，在流动趋势的作用下，固相颗粒在滤网处不易聚集。长翼和短翼弧面形成的空间会给固相颗粒产生向下部周围运动的势能，也不利于固相颗粒聚集。进入对半球体的固相颗粒在自身重力的作用下也会向下垂落，通过长翼和短翼形成的孔间流出球体，不会在球体体停留压迫传感器压力膜片。同时，长翼和短翼的非对称设计，充分利用了钻井液自左向右流动的势能，最大程度地减少了固相颗粒滞留的可能性，创造了以下性能和优点：

①消除了密度测量误差，为建立安全的钻井液体系提供了准确的密度数据，有利于钻井施工安全；

②真实地反映了钻井液密度，节约了钻井液配置材料应用，降低了勘探成本；

③密度测量可靠，可准确地建立井底压力体系，利于维持井底压力和底层压力的平衡关系；

④密度测量准确利于钻井液携带井底岩屑，洗井彻底，降低了井下事故发生机率；

⑤准确的钻井液密度测量有利于复杂问题处理决策的制定，提升了勘探效益；

⑥密度测量准确，作业人员无需经常用清水清洗维护密度传感器，降低了劳动强度，有利于职业健康保护，节约了水资源；

⑦有利于综合录井在油气勘探中的工作职能发挥，保证了工作质量。

3 结论

压差式密度传感器对钻井液密度的精准测量是一级井控的基础，专业职能部门的作用发挥必须建立在实时数据基础上。通过创新设计，钻井液压差式密度传感器在实际应用中所出现的问题得到有效解决。