固井水泥浆绝对密度的测量计算方法

专利名称：固井水泥浆绝对密度的测量计算方法
技术领域：
本发明涉及一种测量、计算方法，特别是固井水泥浆绝对密度的测量计算方法。
背景技术：
有的固井水泥浆都夹带有空气，而夹带有空气的水泥浆会影响混浆作业时水泥 浆密度的测量精度。
尽管现有的密度计可以精确地测量水泥浆的密度，然而它所测得的水泥浆密度 也包括了水泥浆中夹带的空气。当这种夹带有空气的水泥浆被泵送到井底以后， 水泥浆的压力往往会变得很高，通常可高达数千psi.。这种高压使水泥浆中夹带
的空气受到压縮，从而使得水泥浆中不再存在空隙。在大气压力下，这将导致井 底夹带有空气的固井水泥浆的密度要大于其在井口时的密度。固井水泥浆在井底 的密度和其在井口的密度之间的这种差异会引起井底较高的流体静压力，并导致 水泥浆的粘度较高，从而影响固井作业的质量。
井底的水泥浆中所夹带的空气受到压縮后，水泥浆中水的比例就会相应地变少， 水泥浆的粘度也随之增高。水泥浆的粘度越高，泵送水泥浆时的虚拟压力就越高。 为了获得更高的井底泵送压力就需要进一步增加流体静压力，然而过高的压力容 易造成水泥浆循环损失，并可能导致固井作业失败。
固井水泥浆中包含三种物质:水、空气、 一定量的具有平均绝对密度的添加剂和 固井水泥灰的干粉混合物，这进一步增加了水泥浆密度测量、计算的复杂程度。
如果固并水泥浆中只包含两种成份，如空气和液体，则可以通过两种方法测量 出这种液态混合液中所夹带的空气含量。
方法一即美国专利号为6， 598， 457的美国专利所公布的测量方法。该方法采取
7取样法测量只包含空气和液体的固井水泥浆中所夹带的空气含量。然而，固井水 泥浆通常由三种成份构成，其中的清水量和夹带的空气含量均可改变水泥浆的视 密度。由于清水和夹带的空气含量都能够改变水泥浆的密度，因此，如果只测量 水泥浆的密度，就无法知晓固井干灰混合物(干水泥灰+添加剂)与水之间的真实 比例。例如如果在低压或者大气压下测量第一种固井水泥浆密度的话，就有可能 测得其正确的水粉比。如果第二种固井水泥浆的密度与第一种固井水泥浆的密度 相同，而仅仅由于第二种固井水泥浆中所夹带的空气含量不同，就会导致第二种 固井水泥浆的水粉比发生差错。
为此，业界已经发明了三种方法来解决固井水泥浆水粉比差错问题，目前这三 种方法仍在广泛应用。
第一种方法:在用来向井底泵送水泥浆的高压柱塞泵侧面的下游安装一个高压 井口密度计。
第二种方法:用承压泥浆杯测量水泥浆密度。 第三种方法:采用平均补偿法。
上述第一种方法是在用来向井底泵送水泥浆的高压柱塞泵侧面的下游安装一个 高压井底密度计。
尽管该高压井口密度计的压力足以消除水泥浆中所夹带的空气含量对于测量水 泥浆密度所产生的大多数不良影响，然而，这种能够在高压下测量水泥桨密度的 密度计却是放射源型密度计，其测量精度不高，需要频繁校准，而且响应速度慢。 另外，由于放射性物质及仪器使用管理规定的限制，这种放射源型井口高压密度 计在市面上也很难获取。由于这种放射源型井底高压密度计被安装在远离混浆系 统的下游，其数据采集响应时间会进一步滞后，因此，这种放射源型井底高压密 度计并不适合用于连续混桨作业时测量水泥浆的密度。
上述第二种方法是用一个承压泥浆杯测量水泥浆的密度。
81972年美国AIME石油工程师协会SPE 4092号期刊上公布了标题为"一种用 来测量夹带有空气的流体密度的装置"的论文。该论文的作者是美国哈里伯顿石 油技术服务公司的S. K. Nickles。"一种用来测量夹带有空气的流体密度的装 置"就是用承压泥浆杯提取混浆槽中的水泥浆样品，然后在压力下测量水泥浆样 品的密度。由于承压泥浆杯的测量精度受制于操作者的经验和操作方法，而且每 次用承压泥浆杯取样和测量水泥浆密度都至少需要3分钟，因此，承压泥浆杯也 不适合用于连续混浆作业时测量水泥浆的密度。承压泥浆杯仅仅适合用来测量混 浆作业过程中某个阶段的水泥浆密度。
上述第三种方法是采用平均补偿法。
通常情况下，在固井混桨作业过程中，用放射源型密度计或者非放射源型密度 计在水泥浆再循环管线中测量泥浆密度。
众所周知，固井水泥浆中通常都夹带有空气，因此，固井操作工通常会用一个 估算的平均补偿值来补偿由于水泥浆中所夹带的空气造成的密度误差。这个平均 补偿值既可以是一个估算值，也可以将从再循环管线中测得的水泥浆密度值与承 压泥浆杯取样测得的水泥浆密度值进行比较，再得出较为准确的密度值。即使这 种估算的平均补偿值源于承压泥浆杯取样测得的水泥浆密度值，但是，由于该平 均补偿值不是实时的，加之油井固井作业时混浆条件总是处于不断变化之中，因 此，平均补偿法也不适合用于连续混浆作业时测量水泥浆的密度。

发明内容
本发明的目的在于提供固井水泥浆绝对密度的测量计算方法。它不仅测量精度 高而且不影响固井作业质量，且测量时所需装置属于常规测量装备，容易取得。 实现本发明目的的技术方案是:一种固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征 在于:包括以下步骤，
1. 1.在初始压力下测量水泥浆的初始密度；
91. 2.在与初始压力不同的压力下再次测量水泥浆的密度；
1. 3.应用源于可压縮性空气多次方曲线方程公式计算水泥浆的绝对密度，
Dabs 二 D1/(卜((D1/D2—l)/((Pl/P2)'/n-l)))， 式中
Dabs:绝对密度， Dl:密度1， D2:密度2，
Pl:测量密度1时的绝对压力， P2:测量密度2时的绝对压力，
n:压力-容积多次方曲线方程指数，Pl x Vln = P2 x V2n。 在恒温条件下，假设"n":l.O，则该公式可以简化成 Dabs 二 Dl/(卜((D1/D2-1)/(P1/P2-1))) o 而且在实施步骤1. 1之前采取以下步骤，
2. l.使水泥浆平行流进两个并联安装的用来连续测量水泥浆初始密度和二次密度 的密度计中；
2.2.水泥浆流入两只密度计时，控制其流入其中一个密度计时的流量，使这两只 密度计在不同的压力下工作。
而且控制两只密度计中一只密度计下游部位的水泥浆流量，测量夹带有空气的 固井水泥浆绝对密度的方法。
而且控制两只密度计中一只密度计上游部位的水泥浆流量，测量夹带有空气的 固井水泥浆绝对密度的方法。
而且测得的密度数据和测得的压力数据被不间断地传输到连续、实时计算水泥 浆绝对密度的计算机系统中。
而且水泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得出的。
而且水泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的输送管线中测量得出 的。
而且水泥浆流入两只密度计的其中一个密度计时，其流量由密度计上游部位的 调节阀控制。
而且水泥浆流入两只密度计的其中一个密度计时，其流量由密度计下游部位的 调节阀控制。
而且测得的密度数据和测得的压力数据被不间断地传输给连续、实时计算水泥 浆绝对密度的计算机系统。
而且水泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到 的。
而且水泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的输送管线中测量得到 的。
而且从步骤1. 1到步骤1. 2之间还包括以下步骤， 使水泥浆停止流入两只密度计中的某一个，关闭该密度计下游部位的蝶阀，在其上
游部位安装一台增压泵，分别测量密度计中水泥浆的密度Dl和密度D2。
而且测得的水泥浆密度和密度计压力被传输到连续、实时计算水泥浆绝对密度 的计算机系统中。
而且水泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到 的。
而且水泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到 的。
一种固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于在等温条件下，包括以 下步骤
ii17. 1.在密度计的压力为Pl时测量水泥浆的密度Dl; 17. 2.在压力P2不同于压力PI时测量水泥浆的密度D2;
17. 3.在PI不同于P2时测量水泥浆密度D2，并用以下公式计算水泥浆的绝对密 度。该计算公式合并了可压縮空气的等温过程模型，
Dabs 二D1/(1-((D1/D2 -1)/ (Pl/P2-l)))。
而且在实施步骤:使水泥浆停止流入两只密度计中的某一个，关闭该密度计下游 部位的蝶阀，在其上游部位安装一台增压泵，分别测量密度计中水泥浆的密度D1 和密度D2之前还包括以下步骤，
18. 1.连续测量水泥浆密度Dl和D2时，使流入并联安装的两只密度计中的水泥浆 隔开；
18. 2.控制一只密度计中水泥浆的流量，以便使两只密度计的工作压力Pl和P2不 相同。
而且在密度计的下游部位控制水泥桨的流量。
而且在密度计的上游部位，控制流入两只密度计的其中一个的水泥浆流量。 而且测得的水泥浆密度和密度计压力数据被不间断地传输到连续、实时计算水
泥浆绝对密度的计算机系统中。
而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到的。 而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到的。 而且在密度计的上游部位控制流入两只密度计的其中一个的水泥浆流量。 而且在两只密度计的其中一个的下游部位控制水泥浆的流量。 而且测得的水泥浆密度和密度计压力数据被不间断地传输到连续、实时计算水
泥桨绝对密计的计算机系统中。
而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到的。 而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到的。
12而且从步骤17. 1到步骤17. 2之间还包括以下步骤， 关闭密度计下游部位的调节阀，在密度计上游部位安装一台增压泵，使水泥浆不
再流入正在测量密度Dl和密度D2的密度计中。
而且测得的水泥浆密度和密度计压力数据被传输到连续、实量计算水泥浆绝对 密度的计算机系统中。 而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到的。 而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到。
本实用新型的优点在于l.测量精度高。2.不影响固井作业质量。3.测量时所需 装置属于常规测量装备，容易取得。


图1是采用本发明第一种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对
密度示意图。
图2是采用本发明第二种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对 密度示意图。
图3是采用本发明第三种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对 密度示意图。
图4是采用本发明第四种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对 密度示意图。
图5是采用本发明第三种实施方式和第四种实施方式测量、计算夹带有空气的 固井水泥桨的绝对密度时产生的正弦压力曲线及其密度曲线示意图。
图6是采用本发明第三种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对 密度时，在压力上升、下降的循环周期中产生的压力曲线及其密度曲线示意图。
图7是采用本发明第五种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对 密度示意图。
13图8是采用本发明第六种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对 密度示意图。
图9是采用本发明第六种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对 密度时的理论压力曲线。
图10是采用本发明第六种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对 密度时的密度曲线示意图。
具体实施例方式
参见图1 10，以下将结合实施例对本发明做进一步的说明。 本发明涉及一种测量、计算方法，特别是一种固井水泥浆绝对密度的测量计算
方法，其独到之处在于:包括以下步骤，
1. 1.在初始压力下测量水泥浆的初始密度；
1. 2.在与初始压力不同的压力下再次测量水泥浆的密度；
1. 3.应用源于可压縮性空气多次方曲线方程公式计算水泥浆的绝对密度，
Dabs = Dl/(1-((Dl/D2-l)/((Pl/P2)1/n-l)))，
式中
Dabs:绝对密度，
Dl:密度l，
D2:密度2，
Pl:测量密度1时的绝对压力， P2:测量密度2时的绝对压力，
n:压力-容积多次方曲线方程指数，Pl x Vln 二 P2 x V2n。 在恒温条件下，假设"n"二l.O，则该公式可以简化成 Dabs = D1/(1-((D1/D2-1)/(Pl/P2-l))) o 而且在实施歩骤1. 1之前采取以下步骤，2. 1.使水泥浆平行流进两个并联安装的用来连续测量水泥浆初始密度和二次密度 的密度计中；
2.2.水泥浆流入两只密度计时，控制其流入其中一个密度计时的流量，使这两只 密度计在不同的压力下工作。
而且控制两只密度计中一只密度计下游部位的水泥浆流量，测量夹带有空气的 固井水泥浆绝对密度的方法。
而且控制两只密度计中一只密度计上游部位的水泥浆流量，测量夹带有空气的 固井水泥浆绝对密度的方法。
而且测得的密度数据和测得的压力数据被不间断地传输到连续、实时计算水泥 浆绝对密度的计算机系统中。
而且水泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得出 的。
而且水泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的输送管线中测量得出 的。
而且水泥浆流入两只密度计的其中一个密度计时，其流量由密度计上游部位的 调节阀控制。
而且水泥浆流入两只密度计的其中一个密度计时，其流量由密度计下游部位的 调节阀控制。
而且测得的密度数据和测得的压力数据被不间断地传输给连续、实时计算水泥 浆绝对密度的计算机系统。
而且水泥衆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到 的。
而且水泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的输送管线中测量得到 的。
15而且从步骤1. 1到步骤1. 2之间还包括以下步骤， 使水泥浆停止流入两只密度计中的某一个，关闭该密度计下游部位的蝶阀，在其上 游部位安装一台增压泵，分别测量密度计中水泥浆的密度Dl和密度D2。
而且测得的水泥浆密度和密度计压力被传输到连续、实时计算水泥浆绝对密度 的计算机系统中。
而且水泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到 的。
而且水泥桨的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到 的。
一种固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其独到之处在于在等温条件下，包 括以下歩骤
17. 1.在密度计的压力为Pl时测量水泥浆的密度Dl; 17. 2.在压力P2不同于压力Pl时测量水泥浆的密度D2;
17. 3.在Pl不同于P2时测量水泥浆密度D2，并用以下公式计算水泥浆的绝对密 度。该计算公式合并了可压縮空气的等温过程模型，
Dabs =D1/(1-((D1/D2 -1) / (Pl/P2-l)))。
而且在实施步骤:使水泥浆停止流入两只密度计中的某一个，关闭该密度计下游 部位的蝶阀，在其上游部位安装一台增压泵，分别测量密度计中水泥浆的密度m 和密度D2之前还包括以下步骤，
18. 1.连续测量水泥浆密度Dl和D2时，使流入并联安装的两只密度计中的水泥浆 隔开；
18. 2.控制一只密度计中水泥浆的流量，以便使两只密度计的工作压力Pl和P2不 相同。
而且在密度计的下游部位控制水泥浆的流量。而且在密度计的上游部位，控制流入两只密度计的其中一个的水泥浆流量。 而且测得的水泥浆密度和密度计压力数据被不间断地传输到连续、实时计算水 泥浆绝对密度的计算机系统中。
而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到的。 而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到的。 而且在密度计的上游部位控制流入两只密度计的其中一个的水泥浆流量。 而且在两只密度计的其中一个的下游部位控制水泥浆的流量。
而且测得的水泥浆密度和密度计压力数据被不间断地传输到连续、实时计算水 泥浆绝对密计的计算机系统中。
而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到的。
而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到的。
而且从步骤17. 1到步骤17. 2之间还包括以下步骤， 关闭密度计下游部位的调节阀，在密度计上游部位安装一台增压泵，使水泥浆不
再流入正在测量密度Dl和密度D2的密度计中。
而且测得的水泥浆密度和密度计压力数据被传输到连续、实量计算水泥浆绝对
密度的计算机系统中。 而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到的。 而且水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到。 利用本发明方法测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对密度时，可以有多
种实施方式。 第一种实施方式
参见图1以下将进行详细说明。采用第一种实施方式测量、计算夹带有空气的
固井水泥浆的绝对密度时，需要给系统配置2只密度计和2只压力传感器。 这2只密度计应从同一水泥浆源中汲取水泥浆，但是其工作压力又各不相同。
17一般情况下，密度计1安装在与混合器相连接的水泥浆循环管线上，密度计2 安装在与柱塞泵吸入口相连接的输送管线上。不管是否测量水泥浆的密度，这种 双密度计和双压力传感器的方法都上非常典型和常用的。
在进行油井固井作业时，干水泥灰12和清水14在混合器16中进行混合，混
合好的水泥浆从混合器16进入水泥浆罐18。水泥浆罐18安装有一个搅拌器20， 用于进一步充分搅拌水泥浆；水泥浆罐还配置有一个离心循环泵22 ，该泵用来 再次搅拌来自水泥浆罐18的水泥浆；水泥浆通过再循环管线24被注入混合器16 中进行再次混合。排出管线26将水泥浆罐18中的水泥浆输送到离心泵28中， 再由离心泵28通过输送管线29将水泥浆输送至柱塞泵30注入井下。驱替液罐 32A和32B通过驱替液管线34与输送管线26连接，用于固井作业驱替阶段时， 将驱替液输送至柱塞泵30注入井下。
第一只密度计36安装在再循环管线24上，第二只密度计38安装在输送管线 29上，驱替液管线34将驱替液输送到传输管线26中。
采用本发明第一种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对密度时， 应分别给密度计36和密度计38压力传感器40和压力传感器42，以便于系统同 时测量密度D1 (由密度计36测得)、密度D2 (由密度计38测得)和其相对应的 压力Pl和P2。
如果采用本发明第一种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对密 度，要求系统同时使用两只密度计36和38，密度计可选用Micro Motion D300密 度计或F300密度计(密度精度+/-. 001)，系统还应配置相应的两只压力传感器 40和42。
实施本发明第一种方法测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对密度时，要 求密度计36和38既要采集同一水泥浆源中的水泥桨密度，又要在不同压力下工 作。密度计36和38以及相对应的压力传 器40和42，通过电子反馈回路44、46、 48和50向计算机52中连续提供采集到的密度Dl、 D2和压力Pl、 P2，计算 机52则根据接收到的密度D1、 D2和压力P1、 P2连续计算水泥浆的绝对密度。当 然，也可以人工记录密度D1、 D2和压力P1、 P2，以及人工计算水泥浆绝对密度。
尽管图1中没有反映出来，但是，为了获得设定的水泥浆密度，在固井混浆作 业时，计算机52通常也可以用来控制向混合器16中输送干水泥灰的下灰阀12 的干灰输送量和清水泵14的清水流量。
油田现场固井混浆作业中采用2只密度计36和38的这种配置较为常见，但是 通常都没有配置相应的压力传感器Pl和P2，也没有利用计采集到的密度值Dl、 D2和压力值Pl、 P2通过计算机或人工计算水泥浆的绝对密度。
在这种情况下，密度计36被安装在与混合器16连接的再循环管线24上，密度 计38则被安装在与柱塞泵30的吸入口相连接的传输管线29上。不论是否测量水 泥漿密度，这种布置方案是非常典型的。
第二种实施方式
参见图2以下将进行详细说明。采用第二种实施方式测量、计算夹带有空气的 固井水泥浆的绝对密度时，需要将系统的2只密度计和其相应的2只压力传感器 串联安装在一起。
为了经济和实用，在各自不同的工作压力下，这2只密度计应每豪秒测量一次 流入密度计中的同 一水泥浆的密度。
密度计1工作时会引起压力下降，因此，密度计2的工作压力比密度计l的工 作压力要略低一些。
采用本发明第二种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对密度时， 要求将系统的2只可以互换的密度计36'和38'串联安装，同时将其相应的2只 可以互换的压力传感器40，和42'也进行串联。这2只可以互换的密度计36， 和38'要么串联安装在再循环管线24上，要么串联安装在离心泵28的输送管线
1929上，再或者串联安装在与输送管线26相连接的驱替液输送管线34上。作业时， 这2只串联安装在一起的、可以互换的密度计36'和38'在其各自不同的压力 Pl和P2下，每一微秒钟测量一次流入其间的同一固井水泥浆的密度。当密度计 36'转换成密度计38'时，其压力P2往往会略有下降，因为密度计36'转换成 密度计36'时具有压力降的特点。
本发明实施方式一和实施方式二都可以被用来测量、计算固井水泥桨的绝对密 度。
只要流入密度计36和密度计38中的水泥桨是具有典型特性的夹带有空气的水 泥浆，而且密度计36和密度计38的压力Pl、 P2各不相同，即使水泥浆没有流动， 采用本发明第一种实施方式也可以测量、计算水泥浆的绝对密度。而在实际固井 作业中，通常都有可供测量的水泥桨流入这2只密度计36和密度计38中。
采用本发明第二种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对密度时， 应该注意的是，如果密度计36'转变成密度计38'，当水泥浆流入密度计中时应 该能够测量得到由此导致的压力降。
不管采用哪种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥桨的绝对密度，在进 行固井作业时，测量、计算固井水泥浆的绝对密度可以极大地提高固井作业质量 和作业成功率。
采用本发明第一种实施方式和第二种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水 泥浆的绝对密度时，可以通过控制水泥浆的流量来获得两个不同的压力值Pl和 P2。
采用本发明第二种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥桨的绝对密度时， 可以将密度计36'转换成密度计38'，引起压力下降从而控制水泥浆的流量。 第三种实施方式和第四种实施方式
参见图3 6以下将进行详细说明。无论是采用第三种实施方式还是采用第四种
20实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对密度，系统都只需要配置1 只密度计和1只压力传感器。具体方法是周期性地间歇或连续改变密度计的压力， 测量每个循环周期内该密度计的最大压力和最小压力，以及与密度计的最大压力 和最小压力相对应的水泥浆的最大密度值和最小密度值，再由计算机系统利用这 些测得的数据计算水泥浆的绝对密度。
采用第三实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥桨的绝对密度时，可以通 过控制密度计的下游管线上的调节阀来周期性地间歇或连续改变密度计的压力。 打开、关闭该调节阀即可间歇性地改变密度计的压力或者使密度计内产生正弦曲 线性压力变化。
采用第四种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对密度时，可以 通过1台脉冲泵(气动隔膜泵)来连续地改变密度计的压力。该脉冲泵用来向密 度计提供水泥浆。
第五种实施方式
参见图7以下将进行详细说明。采用第五种实施方式测量、计算夹带有空气的 固井水泥浆的绝对密度时，要求给系统配置2只密度计。将这2只密度计并联安
装在一起。其中密度计l与其下游的节流阀串联安装在一起，密度计2与其上游 的节流阀串联安装在一起。节流阀及其相应的密度计的安装位置应保证这2只密 度计在其各自不同的工作压力下从同一水泥浆源中汲取水泥浆。
一般情况下，密度计1和密度计2都安装在与混合器相连接的水泥浆循环管线 上，或者安装在与柱塞泵吸入口相连接的输送管线上。采用这种方法可以连续测 量、计算固井水泥浆的绝对密度。前提条件是流入这2只密度计中的水泥浆的流 量必须是相同的，并且流入这2只密度计的水泥浆是同一水泥浆，而且这2只密 度计的各自压力随着测得的水泥浆密度的不同而不同。
采用本发明的第五种实施方式测量、计算水泥浆的绝对密度时，密度计102和密度计104是可以互换的。要求将密度计102和密度计104与其相应的压力传 感器106和108并联安装在一起。
采用本实施方式时，最好将密度计102和104安装在再循环管线24上，也可以 将其安装在与泵28相连接的排放管线29上，或者将其安装在与吸入管线26相连 接的驱替液排放管线34上。
密度计102和104应在各自不同的压力Pl、 P2下同时测量流入其间的同一水泥 浆的密度。因为密度计102和密度计104各自都有一个串连安装的节流装置110 和112，所以它们的压力各不相同。节流装置IIO和112上均设有喷嘴。密度计 102的节流装置110安装在其下游部位，密度计104的节流装置112安装在其上 游部位。
采用本实施方式时，为了保证流入密度计102和密度计104中的水泥浆的流量 相同，密度计102和密度计104的尺寸及规格应该相同，并且其节流装置的规格 尺寸也要求相同。由于密度计102和密度计104各自节流装置的安装位置的不同， 其相应的压力传感器的压力Pl和P2也各不相同。因为密度计104的节流装置112 安装在其上游部位产生了压力降，所以密度计104的工作压力P2比密度计102的 工作压力Pl要略低一些。
本发明的第五种实施方式可以用来连续地测量和计算水泥桨的绝对密度。由于 密度计102的节流装置110安装在其下游部位，产生的工作压力Pl较高，因此 密度计102测得的密度值Dl也会大于密度计104测得的密度值D2。
利用前述中的计算公式Dabs 二 Dl/ (卜((D1/D2-1) / ((Pl/P2)1/n-1)))，计算机系 统通过采集到的密度值Dl、 D2和压力值Pl、 P2连续测量和计算流入密度计102 和密度计104中的水泥浆的绝对密度。
由于采用本发明的第五种实施方式测量、计算水泥浆的绝对密度时，密度计
22102和密度计104必须同时采集同一水泥浆的密度，且流入其间的水泥浆的流量 必须相同，因此，本发明的第五种实施方式比图1所示的本发明的第一种实施方 式更加可靠。
因为采用本发明的第一种实施方式测量、计算水泥浆的绝对密度时，系统需要
配置两台泵22和28。由于柱塞泵的泵送排量有可能发生变化，而柱塞泵28实际 上是一台变量泵，在这种情况下就有可能导致计算机系统计算出来的水泥浆的绝 对密度Dabs不太准确。
而采用本发明的第五种实施方式测量、计算水泥浆的绝对密度时，只要流入密 度计102和密度计104中的水泥浆通过再循环管线24流入到混合器16，混合器 16和泵22工作时，计算机系统就能够根据采集到的密度Dl、 D2和压力Pl、 P2 准确计算出水泥浆的绝对密度Dabs，并且极少发生绝对密度Dabs计算不准确的 情况°
第六种实施方式
参见图8 10以下将进行详细说明。采用第六种实施方式测量、计算夹带有空 气的固井水泥浆的绝对密度时，系统只需要配置1只密度计。在该密度计的下游 配置1只蝶阀，在密度计的上游配置1只泵。
打开密度计下游的蝶阀，测量流入密度计中的水泥浆的密度1和平均压力值； 关闭密度计下游的蝶阀，阻止水泥浆流入密度计，测量密度计中水泥浆的密度2 和平均压力。由于系统只需要配置1只密度计，所以，采用第六种实施方式比采 用第五种实施方式更加经济，其价格大约只是采用第五种实施方式的一半。
但是，第六种实施方式不能够用于连续地测量和计算固井水泥浆的绝对密度， 因此，第六种实施方式只适合用于局部测量固井水泥浆的绝对密度。
除此以外，采用第六种实施方式测量、计算夹带有空气的固井水泥浆的绝对密 度时，只能将密度计安装在已经停止供液的取样管线上，而采用第五种实施方式时密度计不受这种限制。
如图8所示:采用本发明的第六种实施方式测量、计算水泥浆的绝对密度时，只 需要给系统配置一只密度计120和一只与其配套的蝶阀122。
当关闭蝶阀122时，水泥浆不再流入密度计120中；当打开蝶阀122时，水泥 浆重新流入密度计120中。通常将蝶阀122安装在密度计120的下游部位。密度 计120配置有两个压力传感器124和126。
压力传感器124安装在密度计120的下游部位，压力传感器126安装在密度计 120的上游部位。密度计120工作时，两个压力传感器124和126测得的压力的 平均值可以更加准确地反应密度计120内部的真实压力。
如图8所示，虽然系统采用了两个压力传感器124和126，但是只用一个压力 传感器124时系统也仍然可以正常工作。
应该注意的是本发明的第六种实施方式只能够用来局部测量固井水泥浆的绝 对密度Dabs，不能够用它来连续测量固井水泥浆的绝对密度Dabs。
采用本方法局部测量固井水泥浆的绝对密度Dabs时，可以任意关闭蝶阀122 ， 阻止水泥浆流入密度计中，从而使系统中源自于泵28的压力达到最高压力值P1。
需要注意的是为了避免压力和密度波动，最好不要连续多次打开、关闭蝶阀 122。每次关闭蝶阀122时，最好将其保持在关闭状态6至10秒钟时间。
蝶阀122刚被关闭时，密度计中水泥浆的密度会出现短暂的瞬变，这种密度瞬 变需要数秒钟才能消除，从而导致此时水泥浆的密度不太稳定和均匀。为了获得 理想的水泥浆密度，最好在水泥浆的密度经过数秒钟的瞬变后再取其平均密度值。 关闭蝶阀122，并将其保持在关闭状态大约3秒钟，以便使水泥浆密度从波动转 为稳定。由于测量水泥浆的平均密度大约需要3秒钟时间，这样，蝶阀122处于 关闭状态的时间至少可以达到6秒钟。Dl是蝶阀122关闭之前测得的水泥浆的平 均密度，Pl是蝶阀122关闭之前测得的平均压力值。D2是蝶阀122关闭之后测得的水泥浆的平均密度，P2是蝶阀122关闭之后测得的平均压力值。
如图9和图10所示:采用本发明的第六种实施方式测量、计算水泥浆的绝对密 度时，流入密度计的水泥浆的流量为Q1、 Q2，密度计测得的密计值为D1、 D2，密 度计相应的压力是P1和P2。
当关闭蝶阀122，水泥浆的流量为零时，水泥浆的密度和压力上升；当打开蝶 阀122，水泥桨重新流入密度计120时，水泥浆的密度和压力下降。
Ql是蝶阀122关闭之前水泥浆的流量，Pl是蝶阀122关闭之前密度计的压力， Dl是蝶阀122关闭之前水泥浆的密度。蝶阀122被关闭之后，水泥浆的流量为0， 密度计内的压力上升至P2，水泥浆的密度上升至D2。
Pl' ， Dl'和Ql'分别是蝶阀122被重新打开之后密度计内的压力值、水泥浆 的密度值和水泥浆的流量值。Pl' ， Dl'和Ql'值通常不同于蝶阀122关闭之前 就存在的P1、 D1和Q1值，因为测量P1' ， Dl'和Ql'值的时间要晚一些，此 时流入密度计中的水泥浆密度会有轻微的变化。
关闭蝶阀122，阻止水泥浆流入密度计，以便获得密度计的最高压力P2和水泥 浆的最大密度D2。
蝶阀122关闭之前测得的压力Pl、密度Dl和蝶阀122关闭之后测得的压力P2、 密度D2之间的差值越大，计算机系统计算出来的固井水泥浆的绝对密度值就越精确。
如果只是部分关闭而不是完全关闭蝶阀122，那么压力Pl和P2之间的差值， 以及密度D1和D2之间的差值就会很小。当它们之间的差值趋于零时，计算机系 统计算出来的水泥浆的绝对密度精度就会随之下降。也就是说，水泥浆绝对密度 的计算要求Pl和P2之间以及Dl和D2之间存在一定的差值。
本发明的第六种实施方式与本发明的其它实施方式的最大不同点在于 采用本发明的第六种实施方式测量、计算水泥浆的绝对密度时，不是仅仅降低
25流入密度计120中的水泥桨的流量，而是完全关闭蝶阀122，使水泥浆完全不能
够流入密度计120中，以便获得Pl、 P2之间的最大差值以及Dl、 D2之间的最大 差值，从而最终获得更为精确的固井水泥浆的绝对密度值Dabs。
尽管如本文所述，本发明适用于油田油、气井固井水泥浆绝对密度的测量、计 算，然而本发明并不局限于此，本发明也可以用于测量和计算其它夹带有空气的 流体的绝对密度。
如前所述，本发明具有一定的特殊性，但是在不脱离本发明的宗旨和应用范围 的前提下，密度计的构造和安装位置允许有一定的变化。
本发明不局限于如前所述的各个例证中，本发明仅限于所附的发明权利要求， 包括各个权利要求所含盖的全部实施方式。
权利要求
1.一种固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于包括以下步骤，1.1.在初始压力下测量水泥浆的初始密度；1.2.在与初始压力不同的压力下再次测量水泥浆的密度；1.3.应用源于可压缩性空气多次方曲线方程公式计算水泥浆的绝对密度，Dabs＝D1/(1-((D1/D2-1)/((P1/P2)1/n-1)))，式中Dabs绝对密度，D1密度1，D2密度2，P1测量密度1时的绝对压力，P2测量密度2时的绝对压力，n压力-容积多次方曲线方程指数，P1xV1n＝P2xV2n。在恒温条件下，假设“n”＝1.0，则该公式可以简化成Dabs＝D1/(1-((D1/D2-1)/(P1/P2-1)))。
2. 根据权利要求1所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:在实 施歩骤1. l之前采取以下步骤，2. 1.使水泥浆平行流进两个并联安装的用来连续测量水泥浆初始密度和二次密度 的密度计中；2.2.水泥浆流入两只密度计时，控制其流入其中一个密度计时的流量，使这两只 密度计在不同的压力下工作。
3. 根据权利要求2所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:控制 两只密度计中一只密度计下游部位的水泥浆流量，测量夹带有空气的固井水泥桨 绝对密度的方法。
4. 根据权利要求3所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:控制 两只密度计中一只密度计上游部位的水泥浆流量，测量夹带有空气的固井水泥桨 绝对密度的方法。
5. 根据权利要求4所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:测得 的密度数据和测得的压力数据被不间断地传输到连续、实时计算水泥浆绝对密度 的计算机系统中。
6. 根据权利要求5所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法,其特征在于:水泥 浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得出的。
7. 根据权利要求5所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:水泥 浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的输送管线中测量得出的。
8. 根据权利要求2所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:水泥 浆流入两只密度计的其中一个密度计时，其流量由密度计上游部位的调节阀控制。
9. 根据权利要求8所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法,其特征在于:水泥 浆流入两只密度计的其中一个密度计时，其流量由密度计下游部位的调节阀控制。
10. 根据权利要求9所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:测 得的密度数据和测得的压力数据被不间断地传输给连续、实时计算水泥浆绝对密 度的计算机系统。
11. 根据权利要求10所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:水 泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到的。
12. 根据权利要求10所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:水 泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的输送管线中测量得到的。
13. 根据权利要求1所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法,其特征在于从 步骤1. 1到歩骤1. 2之间还包括以下步骤，使水泥浆停止流入两只密度计中的某一个，关闭该密度计下游部位的蝶阀，在其上 游部位安装一台增压泵，分别测量密度计中水泥浆的密度Dl和密度D2。
14. 根据权利要求13所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于测得的水泥浆密度和密度计压力被传输到连续、实时计算水泥浆绝对密度的计算 机系统中。
15. 根据权利要求13所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:水 泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到的。
16. 根据权利要求13所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:水 泥浆的密度和密度计的压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到的。
17. —种固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:在等温条件下，包括以 下步骤17. 1.在密度计的压力为Pl时测量水泥浆的密度Dl; 17. 2.在压力P2不同于压力Pl时测量水泥桨的密度D2;17. 3.在Pl不同于P2时测量水泥浆密度D2，并用以下公式计算水泥浆的绝对密 度。该计算公式合并了可压縮空气的等温过程模型，<formula>formula see original document page 4</formula>
18. 根据权利要求17所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于 在实施步骤:使水泥浆停止流入两只密度计中的某一个，关闭该密度计下游部位的 蝶阀，在其上游部位安装一台增压泵，分别测量密度计中水泥浆的密度D1和密度 D2之前还包括以下步骤，18. 1.连续测量水泥浆密度Dl和D2时，使流入并联安装的两只密度计中的水泥浆 隔开；18. 2.控制一只密度计中水泥浆的流量，以便使两只密度计的工作压力Pl和P2不 相同。
19. 根据权利要求18所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:在 密度计的下游部位控制水泥桨的流量。
20. 根据权利要求19所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:在 密度计的上游部位，控制流入两只密度计的其中一个的水泥浆流量。
21. 根据权利要求20所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:测 得的水泥浆密度和密度计压力数据被不间断地传输到连续、实时计算水泥浆绝对 密度的计算机系统中。
22. 根据权利要求21所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于水 泥桨密度和密度计压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到的。
23. 根据权利要求21所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:水 泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到的。
24. 根据权利要求18所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:在 密度计的上游部位控制流入两只密度计的其中一个的水泥浆流量。
25. 根据权利要求24所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:在 两只密度计的其中一个的下游部位控制水泥浆的流量。
26. 根据权利要求25所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:测 得的水泥浆密度和密度计压力数据被不间断地传输到连续、实时计算水泥浆绝对 密计的计算机系统中。
27. 根据权利要求26所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:水 泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到的。
28. 根据权利要求26所述的固井水泥桨绝对密度的测量计算方法,其特征在于:水 泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到的。
29. 根据权利要求17所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于:从 步骤17. 1到步骤17. 2之间还包括以下步骤，关闭密度计下游部位的调节阀，在密度计上游部位安装一台增压泵，使水泥浆不 再流入正在测量密度Dl和密度D2的密度计中。
30. 根据权利要求29所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于: 测得的水泥衆密度和密度计压力数据被传输到连续、实量计算水泥浆绝对密度的 计算机系统中。
31. 根据权利要求29所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于: 水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的再循环管线中测量得到的。
32. 根据权利要求29所述的固井水泥浆绝对密度的测量计算方法，其特征在于: 水泥浆密度和密度计压力是在固井混浆系统的传输管线中测量得到。
全文摘要
本发明涉及一种测量、计算方法，特别是固井水泥浆绝对密度的测量计算方法。包括以下步骤1.1.在初始压力下测量水泥浆的初始密度；1.2.在与初始压力不同的压力下再次测量水泥浆的密度；1.3.应用源于可压缩性空气多次方曲线方程公式计算水泥浆的绝对密度，Dabs＝D1/(1-((D1/D2-1)/(P1/P2)^1/n-1)))，在计算公式Dabs＝D1/(1-((D1/D2-1)/(P1/P2)^1/n-1)))中Dabs＝绝对密度D1＝密度1D2＝密度2P1＝测量密度1时的绝对压力P2＝测量密度2时的绝对压力n＝压力-容积多次方曲线方程指数，P1×V1ⁿ＝P2×V2ⁿ。在恒温条件下，假设“n”＝1.0，则该公式可以简化成Dabs＝D1/(1-((D1/D2-1)/(P1/P2-1)))。本发明的优点在于它不仅测量精度高而且不影响固井作业质量，且测量时所需装置属于常规测量装备，容易取得。
文档编号G06F19/00GK101556232SQ20081004728
公开日2009年10月14日 申请日期2008年4月9日 优先权日2008年4月9日
发明者托玛斯·艾伦 申请人:托玛斯·艾伦