钻井液出口流量的精确测量研究

王会永

钻井液出口流量的精确测量研究

王会永

（中原油田钻井工程技术研究院，河南 濮阳 457001）

钻井液出口流量的精确测量是钻井工程中一个难题，为解决这一问题，本研究避开了对流体物理特性和流动特性进行研究的传统方法，提出用谢才公式法对出口流量进行理论分析和计算。通过对管内流体液面的高度和管道内壁的粗糙度以及管道的坡度等参数进行测量，推导得出钻井液出口流量计算公式。在此公式中，管道坡度和粗糙度可以通过测量和计算得出，因此，流量计算公式中只有液面高度一个变量。理论验证表明，流量与液面高度成近似线性关系，这一近似的线性关系，为出口流量计算提供了理论依据，只要能够精确测量到管内的液面高度就可以实现出口流量的精确计算。

短管道；谢才公式；出口流量；精确测量；液面高度

钻井工程中，钻井液的组成特性不适合用常规流量计进行测量，同时钻井液从井口管道流入泥浆池，流动状态复杂，既有层流也有紊流，难以用常规流体测量手段进行测量。本文介绍的谢才公式法，避开了对流体组成成分和流动特性的研究和分析，实现了对钻井液流量的精确测量。

1　系统总体方案

钻井液中混杂着泥沙、石块等固态物质，成分复杂，流动特性不稳定，不能使用接触式流量计对流量进行精确测量。为此，采用谢才公式法对流体进行分析研究，通过测量管道坡度H、管道长度L、管道半径r、管内壁粗糙度n、液体在管道内的液面高度h等参数，计算得出管道内的流体流量。在现场应用中，管道长度、管道半径、管道坡度、管道内壁粗糙度等这几个参数属于常量，因此，只要能测得液体在管内高度这一变量，就能测得液体在管内的流量。基于上述分析，笔者提出了如图1所示测量方案。本方案用超声波传感器测量管内液位高度，通过计算机软件实现传感器数据的读取和计算，实现对钻井液出口流量的精确测量，图中H是管端高度差，L是管的长度。

图1　测量方案示意图Fig.1 Schematic diagram of the measurement scheme

2　系统原理

钻井液从井口经过管道流入泥浆池，流入管道时属于溢流状态，流入速度可以假设为零，流体在管内能够流动的能量，来自于重力势能，因此可以适用明流渠（短管道）流体的方法来分析。在管道内流体的流动存在沿程损失hf和局部损失hw，工程界习惯采用谢才经验公式计算沿程水头损失。谢才公式是法国工程师谢才（A.de Chézy）在1769年对明渠均匀流进行研究得出的断面平均流速v与水力坡度的经验公式。其公式为：

式中v为断面平均流速 （m/s）；R=A/PW为水力半径（m），A为过水断面面积，Pw为湿周（水流与固体边界接触部分的周长）；J=hf/L为水力坡度，hf为流段L内的沿程水头损失；C为谢才系数（m/s）。以上公式可推导出谢才公式的另一形式为：

曼宁公式（R.Manning）为：

C=（1/n）R（1/6）

R为水力半径；n为衡量壁面粗糙情况的综合性系数，称为糙率或粗糙系数。

巴普洛夫斯基公式为：

C=（1/n）Ry

对于一般管道和人工渠道，糙率n主要决定于壁面粗糙突起物的大小、形状和分布，应经实测并计算确定.计算公式为：

对于均匀流，测出某一流段的R、J、v值，即可确定该流段的n值。对于缓变非均匀流，n值可用流段的R、J、v的平均值来确定。

式中：K为校正系数；C为管道的谢才系数；A为过流面积；T为计时时间，R为水力半径；J为水力坡度。

如果高架槽的内壁管径为r，流体在管内的高度为h，管内壁粗糙度为n，管子入口高度为H1，出口高度为H2，管长为L，则流量公式为：

3　数据分析

现场应用中，测得管道半径R=12cm，管道高度差H1-H2=4m，管道长度L=15m，管道内壁粗糙度n= 0.044，时间T=60s，根据流量公式计算出流量及其对应的相关参数值如表1所示。

表1　流量及相关参数值Tab.1 Flow and related parameter values

图2　参数曲线图Fig.2 Parameter curve

从上面的分析可以得出结论：流体的流量Q和液面高度h成近似的线性关系。

由于流体性质的变化，比如黏稠度的增大，会使得流体的速度减缓，而此时造成的现象就是流体拥堵，液面高度的增大。数据分析显示，液面高度增大到半管附

近值后，流体速度减小。流速的减小，造成单位时间内的流量减小，但由于流体的截面积也随之增大，从而又使得流体单位时间内流量变大。最终的变化结果，使流量的变化还是随着流体高度的变化近似线性变化［6］。

4　结语

通过上面的理论数据分析，我们发现流量Q和液面高度h成近似的线性关系。该方案避开了密度的参数测量、温度的影响及高架槽内流体的不稳定性等因素，通过准确测量流体高度h和管壁的粗糙度n，用公式准确计算出流体流量Q。

在钻井工程中，我们能够根据泥浆泵参数准确计算出流体的入口流量，因此可以用入口流量的值对出口流量进行线性校正，得到校正系数K，从而实现精准的钻井液出口流量的测量。这种测量方式避开了对钻井液本身的物理特性变化和流体流动复杂性的研究，为钻井液出口流量精确测量找到一种新的方法，为钻井工程师及时发现井涌、井漏提供了技术支持。

［1］ 清华大学水力学教研组.水力学［M］.北京：人民教育出版社，1980.

［2］ 天津大学水力学及水文学教研室.水力学［M］.北京：人民教育出版社，1975.

［3］何文学.水力学［M］.北京：中国水利水电出版社，2013.

［4］ 日本机械学会.机械技术手册［K］.北京：机械工业出版社，1984.

［5］李家星赵振兴.水力学［M］.南京：河海大学出版社，2001.

［6］ 杨章伟.office 2013应用大全［M］.北京：机械工业出版社，2013.

Precise measurement of drilling fluid outlet flow

WANGHui-yong
（DrillingEngineeringTechnologyInstitute ofZPEB，Puyang457001，China）

The precise measurement of drilling fluid outlet flow is a difficult problem in drilling engineering.In order to solve this problem，this paper avoided the traditional method to study the fluid physical properties and flow characteristics，proposed using Chézy formula method for theory analysis and calculation on the outlet flow. According to measure the height of the liquid and pipe roughness and the pipe slope and other parameters，we can deduce the calculation formula of drilling fluid outlet.In this formula，the pipeline slope and roughness can be obtained by measurement and calculation，therefore，the liquid height is the only variable in this formula.The theory shows that，flow and liquid level height have approximate linear relationship，which provided a theoretical basis for the calculation of the outlet flow.As long as to accurately measure the height of the liquid level in the flow tube，we can performance a precise calculation ofliquid export flow.

Short pipeline；Chézyformula；The outlet flow；Accurate measurement；The height ofliquid level

TE242

A

1674-8646（2015）04-0006-03

2015-03-19

王会永（1974-），男，山东莱芜人，硕士，工程师，从事钻井仪表研究。