Аналитический обзор методов определения плотности буровых растворов

Калёнов Сергей Андреевич

аспирант, ТюмГНГУ ИКИС, г. Тюмень

E-mail:

Рассматриваемые методы широко применяются в промышленных датчиках для измерения плотностей жидкостей с различными характеристиками, в том числе и плотности бурового раствора. При бурении скважин достоверность и оперативность получаемых данных от таких измерителей влияют на решения, принимаемые инженерно-технологическими работниками буровой бригады, что напрямую влияет на качество бурения ствола скважины. В полевых условиях контроль над параметрами бурового раствора ведется как непрерывно с помощь датчиков, так и дискретно, посредствам отбора и анализа проб лаборантом или инженером по растворам. Обзор и анализ широко применяемых методов определения плотности жидкости позволит выделить их преимущества и недостатки при работе с буровым раствором.

Дискретные методы определения

Весовые методы

Для определения объема применяют мерные колбы (пикнометры), мерные цилиндры, пипетки или бюретки. Погрешность при измерении объема градуированными мерными колбами обычно не превышает 0,5 %. Пустую и заполненную контролируемой жидкостью мерные колбы взвешивают на прецизионных или лабораторных весах. Часто применяют пикнометры, представляющие собой сосуды известного объема с нанесенной на горле шкалой или отметкой, до которой следует производить их заполнение. Так как при разогреве пикнометр расширяется, при точных измерениях следует предварительно проверять зависимость его объема от температуры. Точные измерения производят в пикнометрах объемом 30 мл. Измерения, допускающие среднюю точность 0,1 %, выполняют в пикнометрах объемом до 5 мл [1]. Так как погрешность при определении веса не должна превышать нескольких миллиграммов, взвешивание производят на лабораторных весах.

Для измерения плотности веществ, находящихся под давлением, например, аэрозолей, существуют герметичные пикнометры, наполняемые непосредственно из упаковки аэрозоля [2].

Для измерения плотности пастообразных веществ преимущественно применяют металлические пикнометры. При правильном заполнении пикнометра исследуемая среда должна вытесняться через отверстие, предусмотренное в крышке прибора. Так как объем пикнометра и объем исследуемой среды зависят от температуры, часто в пикнометр встраивают термометр. Целесообразно использовать автономный термометр с ценой делений шкалы не более 0,2°С. [2]

Ареометрический метод

При взвешивании тела известного объема Vв воздухе p_l,а затем в исследуемой жидкости p_fразность весов р_l— p_fчисленно равна весу вытесненной жидкости:

Применяемый при этом метод «гидростатических весов» подлежит градуировке. Для экспрессного определения плотности применяют ареометры, представляющие собой заполненную грузом ампулу с тонкой удлиненной верхней частью, градуированной в единицах плотности. Отсчет плотности или концентрации раствора в процентах производят по делению, до которого ареометр погружается в контролируемую среду. Погрешность хороших ареометров составляет несколько десятитысячных [2, 5].

Вибрационный метод

Стеклянный капилляр диаметром 2 мм заполняют исследуемым веществом. Электромеханическая система возбуждает собственные колебания капилляра, частота которых служит мерой плотности находящегося в нем вещества. Продолжительность измерения зависит от продолжительности установления теплового равновесия между помещенным в термостат держателем и заполненном средой капилляром. Температура задается уставкой термостата и может автоматически поддерживаться в диапазоне (-10)÷(+70)°С. Погрешность определения плотности обычно составляет ±2,5×10^-4 г/см³. Необходимое для измерения количество исследуемого вещества около 1 мл [2].

Применение дискретных способов измерения (весового и вибрационного) в полевых условиях требует больших затрат времени на доставку раствора с буровой и ожидание его выхода в требуемый температурный режим. После проведения измерений также необходима чистка приборов, что требует больших затрат времени и чистой воды, доставка которой в лабораторию может представлять значительные трудности. По этой причине, на практике предпочтение отдается ареометрическому методу определения плотности, обладающему достаточно высокой точностью, большей оперативностью и меньшими затратами времени на обслуживание приборов.

Непрерывные методы измерения плотности.

Весовые методы.

Непрерывный метод измерения плотности основан на непрерывном взвешивании протекающей через сосуд постоянного объема контролируемой среды. Таким образом, конструкция прибора должна обеспечивать свободное перемещение сосуда (U-образной трубки 1) при непрерывном поступлении и вытекании контролируемой среды и одновременно его подвижность для непрерывного взвешивания.

Рисунок  SEQ Рисунок \* ARABIC 1. Плотномер непрерывного действия с U-образной трубкой:

1 — измерительная трубка; 2 — гибкие соединения; 3 — коромысло весов; 4 — уравновешивающий груз; 5 — устройство изменения диапазона измерения; 6 — измерительный преобразователь

На рисунке 1 показано устройство с U-образной трубкой, концы которой гибко соединены с источником и приемником контролируемой среды. В средней части (в центре тяжести) трубка подвешена к весоизмерительному устройству с пневматическим или индуктивным преобразователем в зависимости от требований к взрывоопасности прибора. Так как часть веса трубки передается на линии подвода и отвода среды, то необходима эмпирическая градуировка [3]. Вместо U-образной трубки можно использовать непрерывно взвешиваемый прямой участок трубопровода (рисунок 2). Для подвода и отвода среды могут применяться гибкие гофрированные шланги (сильфоны), обеспечивающие подвижность измерительного участка в вертикальном направлении.

Рисунок  SEQ Рисунок \* ARABIC 2. Измерение плотности взвешиванием подвижного участка трубопровода: 1 — контролируемая среда; 2 — эталонная жидкость (например, вода) для компенсации веса измерительной системы; 3 — эластичное соединение с трубопроводом; 4 — диффереициально-трансформаторный преобразователь; 5 — железный якорь; 6 — компенсирующая усилие обмотка магнита; 7 — трубопровод

На рисунке 3 представлен третий вариант прибора, в котором измерительный сосуд подвешен между двумя спиральными подводящими среду трубками.

Рисунок  SEQ Рисунок \* ARABIC 3- Измерительная емкость со спиральными подводящими трубками: 1 — спиральные трубки; 2 — подводящая трубка; 3 — отводящая трубка; 4 — присоединение к весоизмерительному устройству

При повышенных требованиях к точности измерения для непрерывного взвешивания применяют силовую компенсационную систему [3, 6, 7].

Гидростатические методы

Рисунок  SEQ Рисунок \* ARABIC 4- Устройство для измерения плотности с барботажиой (пьезометрической) трубкой

Принцип измерения основан на использовании зависимости между плотностью жидкости р и ее гидростатическим давлением рна определенной глубине Н, измеряемой от поверхности жидкости р=Нрg,где g— ускорение силы тяжести.

При постоянной высоте столба жидкости Н его гидростатическое давление служит мерой плотности среды. Давление столба жидкости измеряют с помощью непрерывного барботажа через среду не взаимодействующего с ней газа (воздуха), давление которого пропорционально давлению столба жидкости.

На рисунке 4 показана схема дифференциального гидростатического плотномера. Исследуемая жидкость непрерывно протекает через сосуд 1, в котором поддерживается постоянный уровень. Сосуд2заполнен до постоянной отметки эталонной жидкостью с известной плотностью. Поступающий через трубку 3в сосуд 1 газ барботирует через контролируемую жидкость и выходит в атмосферу; одновременно, газ через трубку 4 поступает в сосуд 2 и, пройдя через слой эталонной жидкости, направляется по трубке 5 в сосуд 1, где барботирует через небольшой слой контролируемой жидкости и также выходит в атмосферу. При известных глубине погружения трубки и плотности эталонной жидкости показания дифманометра 6 служат мерой плотности исследуемой жидкости.

Поплавковый метод

В устройствах, в качестве чувствительного элемента которых используется поплавок определенной формы и постоянного веса, мерой плотности служит глубина его погружения в контролируемую среду.

Рисунок  SEQ Рисунок \* ARABIC 5. Устройство для измерения плотности жидкостей с поплавком

Такое устройство (рисунок 5) состоит из измерительного стакана 1с помещенным в него металлическим поплавком 2. Контролируемая среда подается через штуцер 3 и отводится через штуцер 4; дроссель 5 ограничивает скорость поступления жидкости. Экраны 6 исключают возможность завихрений потока контролируемой среды. Изменение плотности контролируемой среды обусловливает изменение высоты подъема поплавка и перемещение соединенного с ним плунжера 7 трансформаторного преобразователя.

Температурная компенсация может осуществляться термометром сопротивления, включенным в измерительную схему вторичного прибора или при помощи второго поплавка, помещенного в стакан с эталонной жидкостью, имеющей ту же температуру и одинаковый с контролируемой средой температурный коэффициент плотности. При использовании данного метода определения плотности погрешность измерения составляет примерно ±1 % [6, 7].

Измерение плотности радиоизотопными методами

Основным преимуществом радиоизотопных плотномеров является бесконтактный характер измерения, что облегчает определение плотности агрессивных и вязких сред, особенно, находящихся при высоких температурах и давлениях.

В устройстве для измерения плотности, показанном на рисунке 6, в качестве приемника излучения применена ионизационная камера; β-излучение радиоактивного источника ослабляется контролируемой средой в зависимости от ее плотности и, поступая в ионизационную камеру, вызывает изменение ионизационного тока. Рабочее изменение тока ионизационной камеры обычно незначительно по сравнению с его номинальным значением, что требует использования компенсационного метода измерения. Компенсирующий сигнал подается второй ионизационной камерой, в которую поступает неослабленное контролируемой средой излучение того же источника. Такое устройство обеспечивает независимость показаний от изменения активности источни­ка, исключает необходимость постоянной корректировки нуля. Как указывалось ранее, температурная компенсация может быть обеспечена при помощи термометра сопротивления, включенного в схему вычислительного устройства.

Рисунок  SEQ Рисунок \* ARABIC 6. Радиоизотопный измеритель плотности: 1 — показывающий прибор; 2 — измерительная ионизационная камера; 3 — контролируемая среда; 4 — источник излучения; 5 — клин для ослабления компенсационного излучения; 6 — компенсационная камера; 7 — сопротивление; 8— усилитель; 9— термометр для температурной компенсации; 10— вычислительный блок температурной компенсации

Чувствительность прибора составляет примерно 0,01 г/см³, погрешность ±2 %. [7]

Измерение плотности бурового раствора с помощью весового и гидростатического методов является затруднительным ввиду применения вязких растворов и возможности наличия шлама и частей упаковки химических реагентов, что может привести к засору чувствительных элементов приборов. Чаще используются поплавковый и радиоизотопный методы. Поплавковый метод позволяет измерять плотность бурового раствора в приемных емкостях, однако при эксплуатации датчиков основанных на нем необходимо постоянное слежение за достоверностью показаний в виду налипания на погруженный металлический поплавок присутствующих частиц глины и хим. реагентов. Данного серьезного недостатка лишен датчик, основанный на радиоизотопном методе измерения, но его применение в приемных емкостях не представляется возможным, поскольку отсутствует постоянный линейный поток жидкости.

Косвенные методы измерения плотности

В особых случаях, например в бумажной промышленности, плотность определяют косвенными методами, в частности путем измерения срезывающего усилия.

На рисунке 7 показан принцип действия подобного устройства. Протекающий снизу вверх поток контролируемой среды создает на преобразователе 1 направленное вверх срезающее усилие, передающееся через вялую мембрану 2 на рычаг весового устройства. С помощью пневматического преобразователя положение рычага преобразуется в пневматический унифицированный сигнал. Мембрана 4 обеспечивает компенсацию колебаний давления контролируемой среды.

Известны такие измерители плотности, в которых в качестве естественного параметра, являющегося мерой плотности контролируемой среды, используется крутящий момент, возникающий на вращающейся в ней крыльчатке.

Плотность некоторых чистых жидкостей определяют по диэлектрической проницаемости среды, которая может изменяться в зависимости от температуры и давления. При использовании этого метода контролируемая жидкость непрерывно протекает через цилиндрический конденсатор, емкость которого непрерывно измеряется при помощи компенсационной мостовой схемы. Это устройство позволяет контролировать изменение плотности со среднеквадратичной погрешностью ±0,005 % [6, 7].

Рисунок  SEQ Рисунок \* ARABIC 7. Измеритель плотности c чувствительным элементом, воспринимающим срезывающее усилие: 1 — чувствительный элемент; 2— вялая мембрана; 3, 4— мембраны; 5 — настройка диапазона измерения; 6— регулировка нуля

В частотных плотномерах в качестве чувствительного элемента используют камертон, частота колебаний которого зависит от плотности окружающей среды. Стабильность характеристик камертонных генераторов обусловливает хорошую воспроизводимость измерений. При возрастании истинной плотности среды собственная частота генератора колебаний уменьшается. Зависимость между собственной частотой камертона и плотностью среды нелинейна. Как показано на рисунке 8, прибор состоит из изготовленного из стали с большой магнитной проницаемостью камертона 2, укрепленного при помощи хвостовика 3 в измерительной камере 1, постоянных магнитов 5 и катушек 4, связанных через усилитель, возбуждающих незатухающие колебания камертона, подаваемые на вторичный прибор. Так как зависимость собственной частоты колебаний камертона нелинейно связана с плотностью среды, то частотная характеристика подлежит линеаризации. С помощью кварцевого эталонного генератора этот сигнал преобразуется в возрастающий с увеличением плотности вторичный частотный сигнал. Информация может выдаваться в аналоговой или дискретной форме. Погрешность определения плотности, достигаемая при измерениях в промышленных условиях, составляет ±1 % [4, 8].

Рисунок  SEQ Рисунок \* ARABIC 8- Схема камертонного измерителя плотности газов

В настоящий момент развитие косвенных методов измерения позволяет получать все новые способы нахождения плотности буровых растворов. Это позволяет контролировать плотность различных сред там, где раньше это не представлялось возможным, либо вызывало трудности. [1] Так, применение косвенных методов измерения позволило создать вибрационный датчик плотности буровых растворов, имеющий высокую точность и мобильность, что немаловажно при необходимости его оперативного монтажа. Применение емкостных способов измерения плотности жидкостей также является перспективным направлением разработок в этой области, поскольку применение емкостных измерителей технологических параметров в промышленности показало их высокую точность, неприхотливость, надежность и низкую стоимость.

Список литературы:

1. Измерения в промышленности Справ, изд. В 3-х кн. Кн. 2, Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем./Под ред. Профоса П. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1990. 384 с.
2. Baumgarten. D., Тrapp. W. Dichtebestimmung bei flüssigen, pastösen und pulverigen Erzeugnissen. Hamburg: Reihe Fertigungspraxis Nr 5, 1981. S. 115.
3. Harl H. Kontinuierliche Flüssigkeitsmessung. Braunschweig: Vieweg, 1969. S. 229.
4. Henning J. Neue Meßgerate zur Erfassung von Erdgasmengen in Verbindung mit Maßumformen für Dichte.: 1970. S. 195.
5. Kohlrausch F. Praktische Physik, Hand 1 und 3. Stuttgart: B. G. Teubner, 1968. S. 535.
6. Kulekow M. V. Geräte und Verfahren der Betriebsmeßtechnik. Berlin: VLB Verlag, Technik, 1969. S. 404.
7. Schink H. Fibel der Verfahrensmesstechnik. Munchen-Wien: R. Oldenbourg, 1968. S. 328.
8. Wolowaski E. Betriebsdichtegeber für reale Hochdruckgase // gwf-Gas/Erdgas 112. 1971. № 03. –S. 334.