振動管式鉆井液密度檢測系統(tǒng)的建立及其性能研究.pdf

1、鉆井過程中，鉆井液具有十分重要的作用，能否精確地檢測出鉆井液的密度以實現(xiàn)對鉆井液各組成成分的物料比進行控制關系到能否安全、高效地鉆井。
　　目前，市場上存在多種用于液體密度檢測的設備和裝置，如浮子式密度計、靜壓式密度計、電容式流體密度計以及放射性同位素密度計以及振動管式液體密度計等。然而，上述各種用于檢測液體密度的設備和裝置均有其使用的局限性，此外，又由于鉆井現(xiàn)場較為惡劣的環(huán)境因素，所以，上述各種密度檢測設備和裝置均不能很好地滿足

2、對鉆井液的密度進行精確、安全、高效檢測的要求。
　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)對鉆井液的密度進行精確、安全、高效檢測的要求，在設計液體密度計時，應充分考慮鉆井現(xiàn)場的振動條件和溫度條件，同時，結(jié)合鉆井液的流速條件、壓力條件以及鉆井液的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)等，最終，提出并建立了振動管式鉆井液密度檢測系統(tǒng)，并在此基礎上，對檢測系統(tǒng)的核心部件——振動管式液體密度計進行了設計，開發(fā)出一種懸臂梁式鉆井液密度計，并對該密度計的各項性能進行了有限元分析。完成的主

3、要工作如下：
　　(1)總結(jié)并分析了國內(nèi)外液體密度檢測設備和裝置的研究現(xiàn)狀，確定了選擇振動管式液體密度計來實現(xiàn)對鉆井液密度進行檢測的方案。結(jié)合鉆井現(xiàn)場的振動條件和溫度條件以及鉆井液的壓力條件和流速條件等各項限制條件，提出并建立了振動管式鉆井液密度檢測系統(tǒng)。
　　(2)綜合考慮振動管式鉆井液密度檢測系統(tǒng)中各組成模塊的功用，可知該鉆井液密度檢測系統(tǒng)的各項性能可由振動管式鉆井液密度計的各項性能表征。結(jié)合鉆井液的物理和化學性質(zhì)，提出

4、了一種新型的振動管式液體密度計——以懸臂梁和測量管組成的部件為敏感元件的懸臂梁式鉆井液密度計，同時，完成了該密度計的設計計算。
　　(3)對懸臂梁和測量管組成的敏感元件S2進行了模態(tài)分析，得出了敏感元件S2的第一階振型及其對應的固有頻率，確定了激振頻率的下限值為1591.0Hz，上限值為1691.0Hz，步長為0.01Hz。對該密度計的殼體進行了模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，殼體不會與懸臂梁和測量管組成的敏感元件 S2產(chǎn)生共振，驗證了懸

5、臂梁式鉆井液密度計結(jié)構(gòu)和尺寸設計的合理性。
　　(4)對敏感元件S2進行了諧響應分析，分析結(jié)果表明，在激振力的作用下，敏感元件S2的等效應力和等效應變均主要集中在懸臂梁的a端和b端相過度的位置附近，即當懸臂梁式鉆井液密度計工作時，懸臂梁的a端與b端相過度的位置附近容易發(fā)生破壞。
　　(5)對敏感元件S2進行了受鉆井現(xiàn)場外界振動作用時的諧響應分析，分析結(jié)果表明，外界振動引起的敏感元件S2產(chǎn)生的沿z軸方向的位移很小，可近似認為外

6、界振動對懸臂梁式鉆井液密度計的振動性能不產(chǎn)生影響：外界振動引起的懸臂梁式鉆井液密度計的質(zhì)量流量測量誤差為0.0011％，該值遠小于密度計質(zhì)量流量的測量精度要求2%；此外，外界振動不影響敏感元件 S2的固有頻率，可知外界振動對懸臂梁式鉆井液密度計的質(zhì)量流量和密度的測量影響很小，振動性能優(yōu)好，能夠適應鉆井現(xiàn)場的振動條件。
　　(6)對懸臂梁式鉆井液密度計進行了溫度場作用下的模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，鉆井現(xiàn)場的極限溫度引起的懸臂梁式鉆井液

7、密度計的密度測量誤差為0.0075g/cm3，該值滿足密度計密度的測量精度要求0.01g/cm3，可知，鉆井現(xiàn)場的溫度變化引起的密度測量誤差很小，懸臂梁式鉆井液密度計的溫度性能優(yōu)好；
　　(7)對懸臂梁式鉆井液密度計進行了熱－結(jié)構(gòu)耦合分析，分析結(jié)果表明，鉆井現(xiàn)場的極限溫度引起的左側(cè)懸臂梁和右側(cè)懸臂梁上拾振點處對應的節(jié)點產(chǎn)生的沿z軸方向的位移相同，即鉆井現(xiàn)場的溫度條件不會對左側(cè)懸臂梁和右側(cè)懸臂梁的振動造成位移差，可知，溫度對懸臂梁式

8、鉆井液密度計的質(zhì)量流量測量影響很小，溫度性能優(yōu)好，能夠適應鉆井現(xiàn)場的溫度條件。
　　(8)對敏感元件S2進行了壓力作用下的模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，當鉆井液的壓力為設計極限時，極限壓力引起的懸臂梁式鉆井液密度計的密度測量誤差為0.0022g/cm3，該值滿足密度計密度的測量精度要求0.01g/cm3，可知，鉆井液的壓力變化引起的密度測量誤差很小，懸臂梁式鉆井液密度計的壓力性能優(yōu)好。
　　(9)對懸臂梁式鉆井液密度計進行了流－固

9、耦合分析，分析結(jié)果表明，當鉆井液的壓力達到設計上限時，敏感元件 S2產(chǎn)生的沿各方向位移均極小，極限壓力引起的懸臂梁式鉆井液密度計的質(zhì)量流量測量誤差為0.0003%，該值遠小于密度計質(zhì)量流量的測量精度要求2%，可知，懸臂梁式鉆井液密度計的質(zhì)量流量測量受壓力影響很小，壓力性能優(yōu)良，能夠適應極限工作壓力條件。此外，敏感元件 S2產(chǎn)生的最大等效平均應力遠小于所用材料的最大許用應力。
　　(10)綜合考慮密度計本身的系統(tǒng)誤差、外界振動、溫度