考虑重晶石沉降速率影响的钻井液密度测量装置及方法

1.一种考虑重晶石沉降速率影响的钻井液密度测量装置，其特征是：包括泥浆罐（2）、搅拌器（3）、增粘剂罐（4）、粘度仪（5）、内筒旋转电机（6）、第一密度计 （7）、第二密度计（8）、第四密度计（10）、第一电子阀门（12）、第三密度计（13）、井筒角度旋转电机（15）、井筒（16）、数据采储处理及控制中心（18）、螺杆泵（19）、第二电子阀门（20）和井筒安装架（21），所述泥浆罐（2）的下端通过第二电子阀门（20）连接螺杆泵（19），泥浆罐（2）的内腔安装搅拌器（3），泥浆罐（2）的上侧通过管线连接增粘剂罐（4），所述泥浆罐（2）的中部通过管线连接粘度仪（5）；在泥浆罐（2）的一侧安装井筒安装架（21），所述井筒安装架（21）上安装井筒（16），所述井筒（16）的中部通过安装井筒角度旋转电机（15）调整倾斜角度，在井筒（16）的内腔安装用于模拟钻柱的内筒（16.1），且内筒（16.1）的顶部安装内筒旋转电机（6），在内筒（16.1）的底部一侧安装第一电子阀门（12），第一电子阀门（12）的出口通过管线连接泥浆罐（2），内筒（16.1）的顶部通过管线连接到螺杆泵（19）的输出端，内筒（16.1）由上到下等间距安装第一密度计（7）、第二密度计（8）、第三密度计（13）和第四密度计（10）；所述的增粘剂罐（4）、粘度仪（5）、内筒旋转电机（6）、井筒角度旋转电机（15）和螺杆泵（19）分别通过控制线连接数据采储处理及控制中心（18）。 2.根据权利要求1所述的考虑重晶石沉降速率影响的钻井液密度测量装置，其特征是：所述的内筒（16.1）的内腔底部安装搅拌桨叶（11），搅拌桨叶（11）的一侧设为出口，且在出口处安装第一电子阀门（12）。 3.根据权利要求2所述的考虑重晶石沉降速率影响的钻井液密度测量装置，其特征是：所述的井筒（16）的轴向方向安装垂直刻度尺（17），径向方向安装水平刻度尺（14），且水平刻度尺（14）安装在水平刻度尺滑轨（9）上。 4.根据权利要求3所述的考虑重晶石沉降速率影响的钻井液密度测量装置，其特征是：所述的水平刻度尺滑轨（9）轴向安装在井筒（16）的外壁上，所述水平刻度尺（14）的外端套装在水平刻度尺滑轨（9），并沿着水平刻度尺滑轨（9）上下移动位置。 5.根据权利要求4所述的考虑重晶石沉降速率影响的钻井液密度测量装置，其特征是：所述的井筒安装架（21）的中部安装井筒角度旋转电机（15），且井筒角度旋转电机（15）的输出端连接井筒（16）的中部，通过井筒角度旋转电机（15）的旋转带动井筒（16）出现一定的倾斜角度，用于模拟不同倾斜角度的斜井。 6.根据权利要求5所述的考虑重晶石沉降速率影响的钻井液密度测量装置，其特征是：所述的螺杆泵（19）的输出端与内筒（16.1）之间的管线上安装电磁流量计（1）。 7.根据权利要求6所述的考虑重晶石沉降速率影响的钻井液密度测量装置，其特征是：在井筒（16）的内筒（16.1）上等距布置四个测点测量重晶石样液密度变化来获取重晶石沉降速率数据，并建立关于不同密度、黏度、重晶石粒度的重晶石样液在某一深度处密度的数学模型，具体如下： （1.1）式中：ρ表示重晶石样液密度,g/cm 3 ;ρ 0 表示样液初始密度，g/cm 3 ；μ表示流体动力度，mPa·s；t表示时间，min；d表示固体颗粒直径，10 -5 m；h表示距管口深度，m；a,b表示拟合得到的相关系数，无因次。 8.根据权利要求7所述的考虑重晶石沉降速率影响的钻井液密度测量装置的测试方法，其特征是包括以下步骤：S1、清洗实验装置：通过循环系统采用清水将整个管线及泥浆罐（2）清洗2-3次；S2、配制实验样液：先计算实验大概需要的水以及重晶石重量，将水注入泥浆罐（2）后，设定最高转速打开搅拌器（3）以及螺杆泵（19）；随后将重晶石与增粘剂匀速添加至泥浆罐（2）中，待最高转速下搅拌及循环足够时间后，在数据采储处理及控制中心（18）读出样液密度及粘度，通过读出样液密度与粘度控制进行下一步调配，加水或者加重晶石与增粘剂，直至到达设定密度与粘度；S3、沉降实验：通过数据采储处理及控制中心（18）控制实验需要的井筒倾斜角度、内筒的旋转速度、泥浆循环流量，在静态沉降实验时，数据采储处理及控制中心（18）控制第一电子阀门（12）或第二电子阀门（20）的闭合以及循环系统的停止；看到各个密度计的读数随时间变化的曲线，同时各个密度计实时读数通过信息采集卡传输至模型建立系统；S4、计算重晶石含量下降速率：通过各测点在不同时间下测得的密度数值ρ i,t ，可计算得到相应测点i处的重晶石含量η i，t ，计算公式如下所示： （1.2）式中：ρ i,t 表示各测点在不同时间下测得的密度数值,g/cm 3 ; η i，t 表示测点i处的重晶石含量;ρ 重晶石 表示配置重晶石样液的初始密度,g/cm 3 ；S5、实验结束，将泥浆罐（2）中实验样液排出后注入清水，使用清水将管线及井筒（16）中实验样液驱替出来，如此反复清洗3-5次，关闭电源。 9.根据权利要求8所述的考虑重晶石沉降速率影响的钻井液密度测量装置的测试方法，其特征是：步骤S4中，继续通过重晶石颗粒在静止或流动液体中沉降速度与管柱长度的关系，式（1.2），来计算充分沉降所需的理论时间，对比理论时长与实际沉降时长可对实验进行验证； （1.3）式中：u t 表示沉降速度，m/s；L表示管柱长度，m；T表示预测沉降时长，min；对液体中的固体颗粒进行受力分析可知，固体颗粒受自身的重力和液体对其的浮力作用，经分析得到在静止液体中颗粒的沉降速度计算公式，如式（1.3）所示； （1.4）式中：u t 表示沉降速度，m/s；C d 表示阻力系数，无因次；V表示液体的重度，N/cm 3 ；V S 表示固体颗粒的重度，N/m 3 ；当雷诺数Re小于1时，颗粒与液体之间的相对运动属于层流, 层流区沉降时球形固体颗粒的阻力系数C d 及固体颗粒的自由沉降速度公式，分别为： （1.5） （1.6）式中：u t 表示沉降速度，m/s；C d 表示阻力系数，无因次；ρ表示流体密度，kg/m 3 ；ρ s 表示固体颗粒密度，kg/m 3 ；μ表示流体动力度，mPa·s；d表示固体颗粒直径，m；当雷诺数为1<Re<1000时，称为过渡区沉降，表示在固体颗粒运动中逐渐发展的紊流，阻力系数为 （1.7）式中：u t 表示沉降速度，m/s；C d 表示阻力系数，无因次；ρ表示流体密度，kg/m 3 ；μ表示流体动力度；将式（1.6）代入式（1.4）中，通过计算便可求出过渡素流区中球形颗粒的自由沉降速度u t ，当雷诺数为 1000<Re<2x10'时，称为紊流区沉降，描述的是除边界层外完全发展的素流，球形固体颗粒在作紊流沉降时其阻力系数接近一常数C d ≈0.45，将C d ≈0.45带入式（1.4）中，计算得出固体颗粒的自由沉降速度如式（1.7）所示： （1.8）式中：u t 表示沉降速度，m/s；d表示固体颗粒直径，m；V表示液体的重度，N/cm 3 ；V S 表示固体颗粒的重度，N/m 3 。