科氏质量流量计在固井平台应用

摘要：从科氏流量计的原理结合现场实验数据, 针对振动和压力两方面进行改进和尝试, 对科氏质量流量计在固井平台应用提供一种新的思路。

固井作业是通过固井设计, 应用配套的固井设备, 辅助设备及工具, 将油井水泥、水和添加剂按一定的比例混合后, 通过固井泵泵注入井, 并顶替到预定深度的井壁与套管的环形空间中, 使套管与井壁之间形成牢固粘接。

泥浆的流量是整个固井过程中重要参数, 但固井中泥浆的流量测量存在压力大、成分范围大, 现场环境恶劣等特点, 目前用的几种测量方式都有其各自的问题, 现在采用比较广泛的是涡轮流量计进行测量, 精度虽能满足要求但使用过程中容易被泥浆堵塞, 影响施工进度, 增加维护成本。科氏流量计具有精度高、同时实现流量和密度的测量, 但由于固井现场恶劣, 振动和压力问题一直是制约其在此方面应用的2个重要因素。

本文从科氏流量计的原理结合我公司现场实验数据, 针对振动和压力两方面进行改进和尝试, 对科氏流量计对此领域的应用提供一种新的思路。

当一个位于以P为固定点 (旋转中心) 作旋转运动的管子内的质点做朝向旋转中心或离向旋转中心的运动时, 将产生一惯性力, 原理如图1所示。

图1

图中质量为δm的质点以匀速υ在管道内向右运动, 而管道围绕固定点P以角速度ω旋转。此时这个质点将获得两个加速度分量:

(1) 法向加速度αr (向心加速度) , 其量值等于ω2r, 其方向朝向P点。

(2) 切向加速度αt (科里奥利加速度) , 其量值等于2ωυ, 方向与αr垂直。

由切向加速度产生的作用力称为科里奥利力, 其大小等于Fc=2ωυδm。在图1中流体δm=ρA×ΔX, 因此科氏力可以表示为:

式中, A为管道内截面积:

对于特定的旋转管道, 其频率特性是一定的, ΔFc仅取决于δqm。因此直接或间接测量科氏力就可以测量质量流量。科氏原理质量流量计就是根据上述原理工作的。

实际的流量传感器并非实现旋转运动, 而代之以管道振动。其原理示意如图2、图3、图4所示。一个弯管道的两端被固定, 在两个固定点的中间位置给管道施加振动力 (按管道的谐振频率) , 使其以固定点为轴以其自然频率ω振动。当管道内没有流体流动时, 管道只受外加振动力作用, 管道两个半段振动方向相同, 没有相位差。当有流体流动时受管道内流动的介质质点科氏力Fc的影响 (在管道的两个半段科氏力F1、F2大小相等、方向相反图2) , 管道的两个半段按相反的方向发生扭动, 产生相位差 (图3、图4) , 这一相位差同质量流量成正比。传感器的设计就是把科氏力的测量转为对振动管两侧相位时差的测量, 这就是科氏质量流量计的工作原理。

图2

图3

图4 

MTCMF-80G泥浆流量计是由科里奥利力质量流量计传感器、信号转换器、传感器安装支架以及控制箱等四部分组成。

科氏质量流量计传感器用于直接测量介质的质量流量及密度;信号转换器用于将传感器的测量信号进行放大运算转换为标准信号输出, 并用于显示所测流量参数及密度参数;传感器支架用于方便传感器的安装、使用、维护及运输保管;控制箱将流量、密度等测量参数进行记录保存。

根据现场提供的数据, 正常泥浆压力约为20MPa, 此次设计压力为35MPa, 流量计的传感器、信号转换器均进行的相应的调整, 传感器部分增加压力测量部分, 本体采用创新性锻件方式加工, 与以往的铸件相比耐压等级大大提高。测量振管也采用加厚处理, 驱动机构采取加大驱动力等方式以适应振管的改变。转换器针对压力进行大量的实验数据进行压力自动补偿。

由于科氏质量流量计的原理决定其对外界振动比较敏感, 而固井现场均为室外作业, 环境比较复杂, 管路的安装空间等均有限, 这就要求设计既要满足流量计对振动的要求, 又要满足现场工况。

原设计采用支架固定, 未加装固定和减震装置, 现场试验由于管道压力高冲击管路, 造成流量计大幅摆动, 流量无法正常完成测量。

此次设计的传感器支架由支架体、连接架、定位装置、减震垫等几方面组成。

图5

连接架采用十字结构, 方便现场运输、清洗、测量, 定位装置为传感器状态锁紧装置, 分为使用状态、清洗状态、运输 (存储) 状态。

减震垫采用橡胶隔振, 保证流量计正常工作使用。

控制箱采用交流和电池供电2种方式, 电池采用铅酸电池可满足流量计和其他记录设备6-8小时的正常使用, 信号采用RS485通讯方式上传至上位机软件汇总、分析、记录等。

现场采用的DN80管道, 泥浆由1号和2号泥浆车同时输出, 通过高压由壬接入流量计, 与原管道使用的两台涡轮流量计串联使用, 通过对比质量流量计与两台涡轮流量计总和的测量结果。现场泥浆密度1.75g/cm3, 流量约为95m3/h。结果如表1所示, 科氏质量流量计精度为-0.82%, 与清水实验数据 (表2) 出厂精度0.3%相比精度下降0.52%, 主要原因为现场管道震动影响测量流量计结果。实验证明科氏质量流量计在固井平台应用的可行性, 但由于现场环境的制约, 仍需对流量计的固定和抗震性能进行改进和提高。

表1    

表2

本文从科氏流量计的原理结合我公司的现场实验数据, 针对振动和压力两方面进行改进和尝试, 实验证明科氏质量流量计在固井平台应用的可行性, 但由于现场环境的制约, 仍需对流量计的固定和抗震性能进行改进和提高。对科氏流量计对此领域的应用提供一种新的思路。