可压缩流体密度测试系统的设计与应用

陈 铖, 赵素丽, 石秉忠

(中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院 北京 100101)

0 引 言

随着低压低渗地层的开发和欠平衡技术的发展，对类似低密度钻井液、低密度水泥浆等低密度流体的研究越来越多。由于大多数低密度流体都是将气体引入其中，如充气、泡沫、加入具有中孔结构的减轻剂等，因此该类型流体在高压下具有可压缩性，导致压力下密度的变化，从而影响钻井工程作业的准确性。

现有的流体密度测试主要多利用杠杆原理通过密度秤来测定，在常温常压下进行，不能反映流体在高温高压条件下的真实密度。秦积舜等[1]设计了一种泡沫钻井液密度测试仪，建立测定泡沫钻井液密度-压力-温度关系的方法，虽然测定和分析了泡沫钻井液密度与压力温度的关系，但是无法表征三者的共同作用，且这是一种完全手动的装置，无法保证每次测试的平行性，也不具备电脑记录数据的功能。因此自主开发了一种可压缩流体密度评价设备，该设备本着操作安全、方便、测试精度高等原则，可用于评价各种可压缩流体在压力0～60 MPa，温度0～150 ℃下密度的变化情况。

1 工作原理及设计

1.1 测试原理

该设备的原理是利用公式ρ=m/V，固定试样的质量，通过测试体积的变化量，计算出密度的变化，同时通过计算机绘制数据曲线，反映密度的变化情况。

1.2 设计思路

将测试流体装入固定的釜体当中，釜体下部密封，上部为可移动的活塞，通过活塞密封检测流体与加压介质。由于釜体内径不可变，当可压缩流体试样的体积在压力温度作用下发生变化时，活塞就会上下移动，活塞上连有活塞杆，内置位移传感器，活塞位移的变化通过位移传感器检测其数值，从而计算出釜体内液体的体积及密度，设备的工作原理如图1所示。

图1 可压缩流体密度测试系统工作原理

由于该设备是高温高压设备，需保证操作的安全性，所有管线、油路等封闭在抗压壳体中，使用时操纵壳体上的阀门即可完成相关实验，保证实验操作人员的安全；由于对设备的承压能力要求很高，釜体厚重，本设计采用固定釜体，方便操作的同时避免釜体变形。

传统的加压设备多采用外部对釜体加压，内外隔绝，传感器反映的是外部加压介质的压力。本设计的活塞杆不是实心的，有一通孔，通过这个通孔可以实现排气，保证实验时活塞与流体液面接触。活塞杆通孔上方连接压力传感器，从而保证测量的压力为内部试样压力，消除了由于活塞和釜体的摩擦对压力的影响，使测量的压力更准确。

釜体包裹两道管路，一路为电加热管，用于控制釜体温度；一路为水管线，可通冷凝水为釜体降温。釜体下方的开口是放液口，下釜盖可在需要的时候打开。釜体的组成结构如图2所示。

2 测试实例

2.1 玻璃中空微珠低密度钻井液密度测试

在配置低密度钻井液中，经常加入中空玻璃微珠作为减轻剂用于降低钻井液的密度[2-3],但是在实际钻进过程中，受高速剪切、碰撞等作用，中空玻璃微珠会发生破碎，内部的空气释放，从而造成密度改变。

2.1.1 测试样的配置

配制低密度钻井液，在基浆中加入美国3M公司的中空玻璃微珠HGS，试样配方为：

图2 釜体的结构示意图

(2%～3%)膨润土+ 0.2%NaOH + (1%～2%)CMC + (0.1%～0.2%)XC + 10%HGS

混合体系的初始密度由式(1)计算得出:

(1)

其中，ρ为终密度；m1，m2分别为基浆与中空玻璃微珠的质量；ρ1，ρ2分别为基浆与中空玻璃微珠的密度。

中空玻璃微珠的密度为0.63 g/cm3，基浆密度以1.00 g/cm3计，由(1)式计算得测试液的初始密度为0.95 g/cm3，同时利用密度秤测得密度为0.95 g/cm3，与计算结果相符。

2.1.2 测试步骤

1)将上述测试液体倒入釜体，放入活塞至接触页面，拧紧釜盖；

2)活塞上部连接压力传感器，拧紧；随后放置位移传感器；

3)打开仪器，设置加温程序；

4)开启计算机软件，输入样品的初始密度，开始测试；

5)打开加热开关，升至指定温度，并手动加压至指定压力。

2.1.3 测试结果

通过计算机观测密度变化曲线，获得液体在温度压力下的密度变化情况。测得的密度曲线如图3所示。

由曲线可以得出，温度从室温升高到100 ℃，压力从常压升高到55 MPa，在温度和压力变化过程中，密度曲线基本保持一条直线，有小幅上升，稳定在1.00 g/cm3，这说明在测试液中有部分的中空玻璃微珠发生破碎，按照密度变化，玻璃本体密度以2.6 g/cm3计，算出玻璃微珠破碎率为48.8%。

图3 玻璃中空微珠钻井液密度随温度压力变化曲线

2.2 充气流体密度测试

钻井中也会用在流体中充气，形成泡沫的的方法降低流体的密度[4]，但气体受压力作用非常敏感，且难以表征其密度变化。利用本仪器也可测试这一类型的流体密度变化情况。

2.2.1 测试样的配置

配制低密度泡沫钻井液，试样配方为：

4%膨润土 + 0.2%HV-CMC + 0.6%发泡剂 + (0.1%～0.2%)XC；混合体系的初始密度密度由密度秤测出，泡沫钻井液密度为0.54 g/cm3。

2.2.2 测试步骤

1)将上述测试液体倒入釜体，放入活塞至接触页面，拧紧釜盖；

2)活塞上部连接压力传感器，拧紧；随后放置位移传感器；

3)打开仪器，设置加温程序；

4)开启计算机软件，输入样品的初始密度，开始测试；

5)打开加热开关，升至指定温度，并手动加压至指定压力。

2.2.3 测试结果

通过计算机观测密度变化曲线，获得液体在温度压力下的密度变化情况。测得的密度曲线如图4所示。

由曲线可以得出，温度从室温升高到32℃，在温度小幅升高的情况下，压力从常压升高到1 MPa，由于泡沫的抗压性很差，在温度和压力变化过程中，密度曲线快速上升，在短时间内从0.54 g/cm3上升到0.98 g/cm3，稳定在0.98 g/cm3，这说明在测试液中绝大多数的泡沫发生破裂，说明泡沫的抗压能力远远差于玻璃微珠。

图4 泡沫钻井液密度随温度压力变化曲线

3 结 论

可压缩流体密度测试系统，可以测试在压力下体积可变流体的密度变化情况，与现有设备不同的是，该系统可测定高温高压下密度的实时变化情况。通过利用低密度钻井液体系进行测试，该设备可以准确的反应出密度的变化情况，并生成数据图表，在低密度钻井液体系高温高压下的密度测试方面，形成了一套准确快速的评价方法。