新型高效定量脫氣器研制及試驗(yàn)研究

顏廷俊，姜豐華，胡中南，鄭奕挺，李三國(guó)，張 衛(wèi)

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

新型高效定量脫氣器研制及試驗(yàn)研究

顏廷俊1，姜豐華1，胡中南1，鄭奕挺2，李三國(guó)2，張 衛(wèi)2

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

新型高效定量脫氣器采用定量泵、電加熱器、脫氣箱、真空泵等設(shè)計(jì)，可對(duì)鉆井液進(jìn)行定量采集、加熱、高速攪拌以及負(fù)壓抽吸，且具有溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井液在線(xiàn)油氣分析；同時(shí)新型高效定量脫氣器按照井場(chǎng)防爆要求設(shè)計(jì)，防爆等級(jí)達(dá)到Ⅰ級(jí)，滿(mǎn)足油井使用要求。結(jié)果表明：新型高效定量脫氣器采液流量為0.5 L/min，能夠脫出C1～C8、苯、甲苯等氣體組分，并且其對(duì)C1的脫氣效率在50%左右，是同環(huán)境下電動(dòng)脫氣器的6～10倍。新型高效定量脫氣器工作可靠、性能穩(wěn)定，且其脫氣效率遠(yuǎn)高于同環(huán)境下的電動(dòng)脫氣器。

氣測(cè)錄井；定量脫氣器；高效；脫氣效率；鉆井液

氣測(cè)錄井技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外使用較為廣泛的一種用于石油鉆井在線(xiàn)油氣分析評(píng)價(jià)的方法。利用氣測(cè)錄井技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井過(guò)程中所鉆巖層的油氣含量情況。目前，國(guó)內(nèi)外氣測(cè)錄井都是在井底返回到地面的泥漿中實(shí)時(shí)提取所含有的烴類(lèi)氣體成分，以判斷井底油藏情況［1-5］。該過(guò)程主要包括泥漿中氣體采樣環(huán)節(jié)和氣體檢測(cè)分析環(huán)節(jié)。氣體檢測(cè)分析［6-11］環(huán)節(jié)采用技術(shù)上較為成熟的色譜儀，因此氣測(cè)錄井最為關(guān)鍵因素是對(duì)其測(cè)量結(jié)果精度影響最大的泥漿氣體采樣環(huán)節(jié)。目前中國(guó)在泥漿氣體采樣環(huán)節(jié)中普遍使用的是電動(dòng)脫氣器［12］。電動(dòng)脫氣器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只能脫出泥漿中所含烴類(lèi)氣體的C1～C5部分，對(duì)于C6～C8等無(wú)法脫出。C6～C8在原油中的相對(duì)含量最高，組分構(gòu)成最豐富，反映油層的信息也最多，用其評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層性質(zhì)更具說(shuō)服力［13-14］；此外，電動(dòng)脫氣器的脫氣效率較低，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試在10%以下，且無(wú)法做到脫氣時(shí)的泥漿定量。法國(guó)Geoservice公司研制的高效FLEX型定量脫氣器采用定量泵抽吸、電加熱器加熱、溫控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集檢測(cè)系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了鉆井液的定量采集，而且能夠脫離出泥漿中所含的C1～C8、甲苯、乙苯等氣體組分［15］。筆者研制適合于中國(guó)油井所需要的、方便攜帶的可脫出全烴的脫氣器。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 脫氣器結(jié)構(gòu)

新型高效定量脫氣器由采樣、加熱、攪拌部分和溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)系統(tǒng)組成。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 新型高效定量脫氣器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of new efficient quantitative degasser

1.2 工作原理

系統(tǒng)定量泵工作時(shí)，鉆井液樣品通過(guò)放置到泥漿池中的采樣頭進(jìn)入到管線(xiàn)中，并沿管線(xiàn)進(jìn)入加熱器，加熱器可以按工藝要求將其加熱到烴類(lèi)氣體沸點(diǎn)溫度，從而提高后續(xù)的脫氣效果。經(jīng)加熱后的鉆井液沿管線(xiàn)進(jìn)入脫氣箱進(jìn)行攪拌脫氣，脫氣箱中設(shè)置了兩塊擋板，用來(lái)將高速旋轉(zhuǎn)的液滴破碎，從而釋放氣體。整個(gè)脫氣環(huán)境采用負(fù)壓，以加快氣體脫出。經(jīng)脫氣箱脫出的氣體由真空泵送入氣體分析儀，進(jìn)而對(duì)其組分含量進(jìn)行檢測(cè)分析；脫氣后的鉆井液則通過(guò)脫氣箱右側(cè)的U型管道流出。脫氣器還設(shè)有可計(jì)量的補(bǔ)充氣體入口，以使真空泵抽汲氣體流量恒定。整個(gè)裝置不僅可以對(duì)鉆井液進(jìn)行定量采集、溫度控制，還可以對(duì)其溫度、壓力、流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

2.1 采樣頭

新型高效定量脫氣器采樣頭主要由泥漿刮削部分、攪拌及驅(qū)動(dòng)部分、液體出口部分組成。泥漿通過(guò)進(jìn)液孔徑向進(jìn)入，采樣頭圓腔內(nèi)外分別有攪拌片與刮刀，整個(gè)采樣頭的動(dòng)力由軟軸輸入。由于從井底返上來(lái)的鉆井液帶有大小不等的巖屑，為防止巖屑進(jìn)入到泵及攪拌箱中，采樣頭設(shè)計(jì)了過(guò)濾孔以過(guò)濾較大巖屑顆粒。

2.2 脫氣箱

新型高效定量脫氣器脫氣箱主要由進(jìn)液管、擋流板、密封支撐板、排液管等組成。脫氣箱是鉆井液進(jìn)行氣液分離的場(chǎng)所，鉆井液在攪拌槳的作用下高速撞擊在擋板上，從而達(dá)到破碎液滴的目的。此外，整個(gè)脫氣環(huán)境處于負(fù)壓狀態(tài)，這樣更有利于氣體析出。脫出的氣體通過(guò)脫氣箱頂部管線(xiàn)進(jìn)入到色譜儀中進(jìn)行分析檢測(cè)；脫氣后的泥漿沿脫氣箱上端傾斜管流出。

3 加熱及系統(tǒng)控制

新型高效定量脫氣器電加熱器采用10根功率為500 W的電加熱棒作為發(fā)熱元件，隨著接入電加熱棒根數(shù)的不同，電加熱器的接入功率可在0.5、1、1.5、…、5 kW之間變化，在滿(mǎn)功率的情況下，電加熱器足以使鉆井液溫升80℃。

新型高效定量脫氣器控制系統(tǒng)包括3個(gè)部分。第一，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由流量計(jì)、溫度傳感器、液位計(jì)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。第二，數(shù)據(jù)處理及控制輸出系統(tǒng)，由繼電器完成，當(dāng)液位低于某一值或溫度高于某一值時(shí)，液位傳感器與溫控器會(huì)向繼電器輸入一個(gè)信號(hào)，繼電器通過(guò)控制自身開(kāi)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)與加熱器的控制，以防止電機(jī)空轉(zhuǎn)與加熱器干燒。第三，反饋系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)對(duì)加熱器出口鉆井液溫度進(jìn)行了反饋設(shè)計(jì)，當(dāng)從溫度傳感器傳輸?shù)娇刂破髦械臏囟刃盘?hào)與所設(shè)定的溫度信號(hào)接近時(shí)，溫度控制器觸發(fā)可控硅，可控硅通過(guò)改變接入電路的電壓來(lái)改變電加熱器的實(shí)際功率，同樣，當(dāng)溫度高于某一警戒值時(shí)，溫控器會(huì)將信號(hào)傳輸給繼電器，繼電器斷開(kāi)，進(jìn)而使加熱器停止工作。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

新研制的新型高效定量脫氣器于2014年5～6月在勝利油田Y72井與T71井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。新型脫氣器在Y72井進(jìn)行了功能試驗(yàn)，在T71井進(jìn)行了脫氣效率試驗(yàn)，其中T71井試驗(yàn)井深為1873.8～3303.8 m，試驗(yàn)為期21 d。

4.1 試驗(yàn)方法

為檢測(cè)新型高效定量脫氣器在現(xiàn)場(chǎng)的脫氣效率以及驗(yàn)證與目前普遍使用的電動(dòng)脫氣器效果對(duì)比關(guān)系，采用在鉆井液進(jìn)入脫氣器之前采樣，借助熱真空蒸餾全脫儀對(duì)鉆井液進(jìn)行全脫實(shí)驗(yàn)，并以通過(guò)氣相色譜儀檢測(cè)出的氣體組分與真實(shí)含量作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)脫氣器本身無(wú)法定量采液，為方便計(jì)算其脫氣效率，近似認(rèn)為其進(jìn)液量恒定。脫氣效率［16］可由式（1）求得：

式中，η為脫氣效率；Ci為氣測(cè)儀測(cè)得某種烴組分的含量；S為色譜儀樣氣泵排量，mL/min；i為所檢測(cè)氣體的種類(lèi)；Vib為在脫氣器前取鉆井液樣作全脫分析所脫出的氣體體積，mL；Cib為在脫氣器前取鉆井液樣作全脫分析所測(cè)出的氣體濃度，%；Q為流經(jīng)脫氣器的鉆井液流量，L/min；q為熱真空定量全脫分析的鉆井液體積，L。

4.2 試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量

油井現(xiàn)場(chǎng)每次試驗(yàn)采樣后，分別對(duì)鉆井液黏度、溫度、密度以及脫氣器流量進(jìn)行測(cè)量。由于測(cè)量值較多，這里僅列鉆井深度未達(dá)油層和到達(dá)油層兩種情況下具有代表性的兩個(gè)井深（2714 m、3303 m）下的參數(shù)測(cè)量值，見(jiàn)表1。

表1 不同井深時(shí)各物理量測(cè)量值Table 1 Measured values of physical quantities at different well depth

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 定量脫氣器脫氣組分與脫氣效率

新型高效定量脫氣器在Y72井進(jìn)行了功能試驗(yàn)，為期5 d。試驗(yàn)表明，新型高效定量脫氣器工作穩(wěn)定、性能可靠。新型高效定量脫氣器在T71井進(jìn)行了脫氣效率試驗(yàn)，其與電動(dòng)脫氣器從井深1873.8 m開(kāi)始，對(duì)鉆井液實(shí)時(shí)采集分析，直到鉆井深度到達(dá)目的井深（3303.8 m）。由于測(cè)量數(shù)據(jù)量較大，并且各氣體組分的脫氣效率分別在未達(dá)油層和到達(dá)油層兩種情況下的不同井深時(shí)相差較小，因此這里僅列新型高效定量脫氣器在井深未達(dá)油層和到達(dá)油層兩種情況下，具有代表性的兩個(gè)井深（2 714、3 303 m）下的脫出氣體各組分的脫氣效率，如圖2所示。

由圖2可以看出，新型高效定量脫氣器可以脫出C1～C8、苯（Ben）和甲苯（TOL）等組分，并且其對(duì)C1的脫氣效率在45%～50%之間；此外，新型高效定量脫氣器對(duì)C2～C8組分的脫氣效率也比較高，在10%～35%之間。圖2中，兩個(gè)井深下C4～C8的脫氣效率差異較大，其原因是未達(dá)油層和到達(dá)油層兩種情況下地層中烴類(lèi)含量差異較大。

圖2 新型高效定量脫氣器脫出氣體各組分脫氣效率Fig.2 Degassing efficiency of gas components degassed by new efficient quantitative degasser

4.3.2 定量脫氣器與電動(dòng)脫氣器脫氣效率對(duì)比

新型高效定量脫氣器與電動(dòng)脫氣器在井深未達(dá)油層和到達(dá)油層兩種情況下，具有代表性的兩個(gè)井深（2714、3303 m）下的脫出氣體各組分的脫氣效率對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 不同井深時(shí)定量脫氣器與電動(dòng)脫氣器脫氣效率對(duì)比Fig.3 Comparison of degassing efficiency between quantitative degasser and electric degasser at different well depth

由圖3（a）可以看出，定量脫氣器對(duì)于氣體各組分的脫氣效率遠(yuǎn)高于電動(dòng)脫氣器，其對(duì)C1的脫氣效率達(dá)到48%，而電動(dòng)脫氣器對(duì)于C1的脫氣效率不到10%；對(duì)于C2～C5，定量脫氣器的脫氣效率在10%～35%之間，是電動(dòng)脫氣器的10～30倍。圖3（b）中，鉆井深度已達(dá)油層，該深度下鉆井液中含有豐富的烴類(lèi)氣體，尤其是重?zé)N組分。由圖3（b）可知，定量脫氣器對(duì)C1的脫氣效率為49%，是電動(dòng)脫氣的2倍；對(duì)C2～C4的脫氣效率在30%～35%之間，是電動(dòng)脫氣器的3～5倍。比較圖3（a）、（b）可知，定量脫氣器的脫氣效率相對(duì)比較穩(wěn)定，而電動(dòng)脫氣器的脫氣效率波動(dòng)較大。

為進(jìn)一步對(duì)比定量脫氣器與電動(dòng)脫氣器的脫氣效果，從井深未達(dá)油層和到達(dá)油層兩個(gè)方面，比較兩種脫氣器脫氣效率比值。圖4為不同井深下定量脫氣器與電動(dòng)脫氣器脫氣效率比值圖。

圖4 不同井深下定量脫氣器與電動(dòng)脫氣器脫氣效率比值Fig.4 Degassing efficiency ratio between quantitative degasser and electric degasser at different well depth

由圖4可以看出，在鉆井深度分別為2714、2853、2972 m（未達(dá)油層）時(shí)，定量脫氣器對(duì)于C1的脫氣效率是電動(dòng)脫氣器的6～10倍，對(duì)于C2～C4的脫氣效率，定量脫氣器是電動(dòng)脫氣器的13～32倍；在鉆井深度分別為3 244、3 289、3 303 m（到達(dá)油層）時(shí)，定量脫氣器對(duì)于C1的脫氣效率是電動(dòng)脫氣器的2～4倍，對(duì)于C2～C4的脫氣效率，定量脫氣器是電動(dòng)脫氣器的3～5倍。

井深未達(dá)油層與井深到達(dá)油層兩種情況下，新型高效定量脫氣器對(duì)于烴類(lèi)氣體的脫氣效率比較穩(wěn)定，其中對(duì)于C1的脫氣效率穩(wěn)定在50%左右。然而電動(dòng)脫氣器在井深未達(dá)油層和到達(dá)油層兩種情況下對(duì)于烴類(lèi)氣體的脫氣效率變化較大，其中對(duì)于C1的脫氣效率從8%升至25%。電動(dòng)脫氣器脫氣效率較低及升高的原因是：第一，電動(dòng)脫氣器泥漿出口未密封，并且空氣補(bǔ)充口離脫氣箱較近，當(dāng)攪拌箱中脫出烴類(lèi)氣體少時(shí)，會(huì)造成空氣吸入量較大，從而降低了烴類(lèi)氣體濃度；第二，井深到達(dá)油層后，鉆井液中含有豐富的游離氣，這些氣體正常情況下即可溢出。

5 結(jié) 論

（1）新型高效定量脫氣器能夠?qū)崿F(xiàn)定量連續(xù)采集鉆井液樣品、樣品加熱與溫度控制、高速攪拌脫氣、數(shù)據(jù)采集與控制、氣體收集與處理等功能。

（2）新型高效定量脫氣器工作安全穩(wěn)定，滿(mǎn)足油田現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。新型高效定量脫氣器脫氣范圍為C1～C8、苯和甲苯等組分，并且其脫氣效率較高，其中，新型定量脫氣器對(duì)于C1的脫氣效率在50%左右，相比于國(guó)內(nèi)油田標(biāo)配的電動(dòng)脫氣器（對(duì)于C1的脫氣效率不到10%），其脫氣效率大幅提升。

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（編輯 沈玉英）

Design and field test of a new efficient quantitative degasser

YAN Tingjun1，JIANG Fenghua1，HU Zhongnan1，ZHEN Yiting2，LI Sanguo2，ZHANG Wei2
（1.Mechanical and Electrical Engineering Institute，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2.Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China）

The new efficient quantitative degasser used the design of quantitative pump，electric heater，degassing tank and vacuum pump，can quantitatively collect mud，heat mud，stir mud with a high speed，and suck mud in negative pressure.In addition，it contains temperature control system and data acquisition test system，realizes the mud analysis of oil and gas online.Meanwhile，the degasser was designed in accordance with the well field of explosion-proof，and the level of explosionproof can reach grade 1.The results show that the rate of sample mud for the new efficient quantitative degasser is half a liter per minute，and C1-C8，benzene，toluene and so on gas composition can be degassed by it.Also，the degassing efficiency of the new efficient quantitative degasser is about fifty percent，which is 6-10 times higher than the degassing efficiency of electric degasser under the same environment.The performance of new efficient quantitative degasser is reliable and stable，and the degassing efficiency is much higher than electric degasser's under the same environment.

gas logging；quantitative degasser；high efficiency；degassing efficiency；mud

TP 272

A

顏廷俊，姜豐華，胡中南，等.新型高效定量脫氣器研制及試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，39（6）：124-128.

YAN Tingjun，JIANG Fenghua，HU Zhongnan，et al.Design and field test of a new efficient quantitative degasser［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（6）：124-128.

1673-5005（2015）06-0124-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.06.017

2015-06-22

中國(guó)石油化工股份有限公司科技部科研攻關(guān)項(xiàng)目（P12066）

顏廷?。?961-），男，教授，博士，研究方向?yàn)槭豌@采裝備。E-mail：yantj555@163.com。