振動(dòng)管式鉆井液密度檢測(cè)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(cè)出鉆井液的密度以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井液各組成成分的物料比進(jìn)行控制關(guān)系到能否安全、高效地鉆井。
　　目前，市場(chǎng)上存在多種用于液體密度檢測(cè)的設(shè)備和裝置，如浮子式密度計(jì)、靜壓式密度計(jì)、電容式流體密度計(jì)以及放射性同位素密度計(jì)以及振動(dòng)管式液體密度計(jì)等。然而，上述各種用于檢測(cè)液體密度的設(shè)備和裝置均有其使用的局限性，此外，又由于鉆井現(xiàn)場(chǎng)較為惡劣的環(huán)境因素，所以，上述各種密度檢測(cè)設(shè)備和裝置均不能很好地滿足

2、對(duì)鉆井液的密度進(jìn)行精確、安全、高效檢測(cè)的要求。
　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉆井液的密度進(jìn)行精確、安全、高效檢測(cè)的要求，在設(shè)計(jì)液體密度計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮鉆井現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)條件和溫度條件，同時(shí)，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(xué)性質(zhì)等，最終，提出并建立了振動(dòng)管式鉆井液密度檢測(cè)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件——振動(dòng)管式液體密度計(jì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，開發(fā)出一種懸臂梁式鉆井液密度計(jì)，并對(duì)該密度計(jì)的各項(xiàng)性能進(jìn)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(guó)內(nèi)外液體密度檢測(cè)設(shè)備和裝置的研究現(xiàn)狀，確定了選擇振動(dòng)管式液體密度計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井液密度進(jìn)行檢測(cè)的方案。結(jié)合鉆井現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)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(xiàng)限制條件，提出并建立了振動(dòng)管式鉆井液密度檢測(cè)系統(tǒng)。
　　(2)綜合考慮振動(dòng)管式鉆井液密度檢測(cè)系統(tǒng)中各組成模塊的功用，可知該鉆井液密度檢測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能可由振動(dòng)管式鉆井液密度計(jì)的各項(xiàng)性能表征。結(jié)合鉆井液的物理和化學(xué)性質(zhì)，提出

4、了一種新型的振動(dòng)管式液體密度計(jì)——以懸臂梁和測(cè)量管組成的部件為敏感元件的懸臂梁式鉆井液密度計(jì)，同時(shí)，完成了該密度計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。
　　(3)對(duì)懸臂梁和測(cè)量管組成的敏感元件S2進(jìn)行了模態(tài)分析，得出了敏感元件S2的第一階振型及其對(duì)應(yīng)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(zhǎng)為0.01Hz。對(duì)該密度計(jì)的殼體進(jìn)行了模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，殼體不會(huì)與懸臂梁和測(cè)量管組成的敏感元件 S2產(chǎn)生共振，驗(yàn)證了懸

5、臂梁式鉆井液密度計(jì)結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)的合理性。
　　(4)對(duì)敏感元件S2進(jìn)行了諧響應(yīng)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(yīng)力和等效應(yīng)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(dāng)懸臂梁式鉆井液密度計(jì)工作時(shí)，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(duì)敏感元件S2進(jìn)行了受鉆井現(xiàn)場(chǎng)外界振動(dòng)作用時(shí)的諧響應(yīng)分析，分析結(jié)果表明，外界振動(dòng)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(rèn)為外

6、界振動(dòng)對(duì)懸臂梁式鉆井液密度計(jì)的振動(dòng)性能不產(chǎn)生影響：外界振動(dòng)引起的懸臂梁式鉆井液密度計(jì)的質(zhì)量流量測(cè)量誤差為0.0011％，該值遠(yuǎn)小于密度計(jì)質(zhì)量流量的測(cè)量精度要求2%；此外，外界振動(dòng)不影響敏感元件 S2的固有頻率，可知外界振動(dòng)對(duì)懸臂梁式鉆井液密度計(jì)的質(zhì)量流量和密度的測(cè)量影響很小，振動(dòng)性能優(yōu)好，能夠適應(yīng)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)條件。
　　(6)對(duì)懸臂梁式鉆井液密度計(jì)進(jìn)行了溫度場(chǎng)作用下的模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，鉆井現(xiàn)場(chǎng)的極限溫度引起的懸臂梁式鉆井液

7、密度計(jì)的密度測(cè)量誤差為0.0075g/cm3，該值滿足密度計(jì)密度的測(cè)量精度要求0.01g/cm3，可知，鉆井現(xiàn)場(chǎng)的溫度變化引起的密度測(cè)量誤差很小，懸臂梁式鉆井液密度計(jì)的溫度性能優(yōu)好；
　　(7)對(duì)懸臂梁式鉆井液密度計(jì)進(jìn)行了熱－結(jié)構(gòu)耦合分析，分析結(jié)果表明，鉆井現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)處對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的沿z軸方向的位移相同，即鉆井現(xiàn)場(chǎng)的溫度條件不會(huì)對(duì)左側(cè)懸臂梁和右側(cè)懸臂梁的振動(dòng)造成位移差，可知，溫度對(duì)懸臂梁式

8、鉆井液密度計(jì)的質(zhì)量流量測(cè)量影響很小，溫度性能優(yōu)好，能夠適應(yīng)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的溫度條件。
　　(8)對(duì)敏感元件S2進(jìn)行了壓力作用下的模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，當(dāng)鉆井液的壓力為設(shè)計(jì)極限時(shí)，極限壓力引起的懸臂梁式鉆井液密度計(jì)的密度測(cè)量誤差為0.0022g/cm3，該值滿足密度計(jì)密度的測(cè)量精度要求0.01g/cm3，可知，鉆井液的壓力變化引起的密度測(cè)量誤差很小，懸臂梁式鉆井液密度計(jì)的壓力性能優(yōu)好。
　　(9)對(duì)懸臂梁式鉆井液密度計(jì)進(jìn)行了流－固

9、耦合分析，分析結(jié)果表明，當(dāng)鉆井液的壓力達(dá)到設(shè)計(jì)上限時(shí)，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(jì)的質(zhì)量流量測(cè)量誤差為0.0003%，該值遠(yuǎn)小于密度計(jì)質(zhì)量流量的測(cè)量精度要求2%，可知，懸臂梁式鉆井液密度計(jì)的質(zhì)量流量測(cè)量受壓力影響很小，壓力性能優(yōu)良，能夠適應(yīng)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(yīng)力遠(yuǎn)小于所用材料的最大許用應(yīng)力。
　　(10)綜合考慮密度計(jì)本身的系統(tǒng)誤差、外界振動(dòng)、溫度