井下鉆井液采集模擬裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

(中石化勝利石油工程有限公司 地質(zhì)錄井公司，山東 東營(yíng) 257061)

井下鉆井液采集模擬裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周建立

(中石化勝利石油工程有限公司 地質(zhì)錄井公司，山東 東營(yíng) 257061)

目前，井下氣體檢測(cè)技術(shù)研究存在的主要問題集中在井下高壓鉆井液的采集與壓力釋放方面，并且缺少相應(yīng)的模擬試驗(yàn)環(huán)境。針對(duì)這一難題，研制了一種井下鉆井液采集模擬試驗(yàn)裝置。闡述了其結(jié)構(gòu)和原理，并通過仿真模擬論證了采用該裝置完成井下鉆井液采集的可行性。將該模擬試驗(yàn)裝置接入氣液分離膜與微型氣體檢測(cè)器進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了井下氣體檢測(cè)錄井的功能。

井下取樣；鉆井液錄井；試驗(yàn)裝置

Abstract：At present，the main problems in the research of downhole gas detection technology are focused on the acquisition and pressure release of downhole high pressure drilling fluid，and lacking the corresponding simulation test environment.In order to solve this problem，a kind of downhole drilling fluid acquisition simulation test device is developed，and its structural design is expounded，the simulation results show that the device has the feasibility of drilling fluid acquisition.The simulation test device is connected with the gas-liquid separation membrane and the micro gas detector，realized the function of downhole gas detection.

Keywords：downhole sampling；drilling fluid logging；test equipment

井下隨鉆氣體檢測(cè)對(duì)于錄井行業(yè)具有重要的研究意義。相比傳統(tǒng)的地面氣測(cè)錄井，它可以快速發(fā)現(xiàn)油氣層、消除油氣上返帶來的滯后和干擾，實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井。隨著MWD、LWD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，井下氣體檢測(cè)成為錄井行業(yè)的一個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。但是，氣體檢測(cè)從地面延伸到井下，技術(shù)難度也大幅增加。目前，世界石油服務(wù)行業(yè)領(lǐng)先者，例如斯倫貝謝(Schlumberger)、哈利伯頓(Halliburton)、貝克休斯(Baker Hughes)等幾大公司均開展了井下隨鉆氣體檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究，并申請(qǐng)了多項(xiàng)原理設(shè)計(jì)專利[3-4]。但是，整體上處于技術(shù)研究階段，沒有涉及相應(yīng)的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)研究則是剛剛起步。氣體檢測(cè)技術(shù)向井下、隨鉆方向發(fā)展，需要在關(guān)鍵技術(shù)上取得重大突破。

井下隨鉆氣體檢測(cè)技術(shù)主要通過“鉆井液采集-氣液分離-氣體分析”的技術(shù)路線來實(shí)現(xiàn)。隨著膜分離技術(shù)和光電檢測(cè)技術(shù)及其他氣體分析技術(shù)的發(fā)展，井下隨鉆氣體檢測(cè)技術(shù)正日益成熟。目前，在膜分離技術(shù)、膜材料研制、膜組件制備方面取得了一定進(jìn)展[5]，通過紅外光譜技術(shù)進(jìn)行烴類氣體檢測(cè)也具有應(yīng)用于井下環(huán)境的可行性[6]。存在的問題主要集中在高壓鉆井液的采集與樣品壓力釋放方面，同時(shí)缺少相應(yīng)的模擬試驗(yàn)環(huán)境。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)井下高溫、高壓環(huán)境的模擬也是一個(gè)制約技術(shù)集成發(fā)展的瓶頸問題[7]。

本文提出了一種基于組合液壓缸原理實(shí)現(xiàn)井下鉆井液抽排樣品的技術(shù)思路，設(shè)計(jì)了一種井下鉆井液采集模擬試驗(yàn)裝置，并論證了在井下完成鉆井液采集的可行性。把該模擬試驗(yàn)裝置接入氣液分離膜與微型氣體檢測(cè)器進(jìn)行試驗(yàn)，證明該技術(shù)思路具有可行性，對(duì)井下氣體檢測(cè)原理樣機(jī)的研制具有指導(dǎo)意義。

1 井下鉆井液采集模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

井下鉆井液采集技術(shù)主要解決井下條件下鉆井液的采集和排出的問題，實(shí)現(xiàn)井下鉆井液的過濾、減壓，采集(采集得到的濾液再經(jīng)氣液分離及氣體分析完成井下氣體檢測(cè))，完成氣體檢測(cè)后的廢棄液體及氣體再外排出至環(huán)空的循環(huán)工作流程。

井下鉆井液采集模擬試驗(yàn)裝置主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1) 井下環(huán)空壓力的模擬，提供井下鉆井液采集的高壓環(huán)境。

2) 井下鉆井液需要從高壓降至能夠滿足氣液分離與氣體分析的目標(biāo)壓力(1 MPa以下)，實(shí)現(xiàn)采集。

3) 氣體檢測(cè)后的廢液廢氣需要增壓到環(huán)空壓力以上實(shí)現(xiàn)外排。

本文設(shè)計(jì)的井下鉆井液采集模擬試驗(yàn)裝置，主要包括井下環(huán)空壓力模擬裝置和抽排模擬裝置2部分，如圖1所示。

1.1井下環(huán)空壓力模擬裝置

為了在常壓條件下模擬井下高壓環(huán)境[8]，本文建立了一種基于氣囊式蓄能器原理的井下環(huán)空壓力模擬裝置(如圖1所示)，蓄能器是一種儲(chǔ)存壓力能的裝置，能將系統(tǒng)中多余的壓力液體以壓力能的形式儲(chǔ)存起來，當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)又可以將儲(chǔ)存的壓力能釋放給系統(tǒng)[9]。井下環(huán)空壓力模擬裝置主要包括增壓模塊和恒壓模塊，其中增壓模塊主要由手動(dòng)加壓泵、鉆井液容器(模擬井下環(huán)空)和鉆井液過濾器(模擬過濾井下破碎巖屑)組成，恒壓模塊主要由蓄能器、壓力表、單向閥、截止閥組成。為了便于進(jìn)行井下氣體檢測(cè)模擬試驗(yàn)，在蓄能器外部預(yù)留快換接頭，用于接入氣體注樣器。

1.2井下鉆井液抽排模擬裝置

根據(jù)井下鉆井液采集模擬試驗(yàn)裝置的功能要求[10]，井下鉆井液抽排模擬裝置需具備模擬環(huán)空鉆井液抽取、高壓樣液的減壓、減壓后的樣液輸送與回收和樣液增壓排入環(huán)空的功能。

根據(jù)圖1所示，井下鉆井液抽排模擬裝置主要通過組合液壓缸(圖1中序號(hào)8、9、10元件組成液壓缸A，序號(hào)16、17、18元件組成液壓缸B)實(shí)現(xiàn)井下鉆井液的抽排，其中柱塞缸A為鉆井液抽排樣腔，通過電磁閥A與環(huán)空相連，通過電磁閥A的開關(guān)完成井下鉆井液的抽排，柱塞缸B為廢氣廢液收集腔，用于檢測(cè)模塊完成檢測(cè)完成后廢液廢氣的收集，柱塞缸中均安裝有位移傳感器，能夠記錄柱塞桿的位移，通過調(diào)節(jié)位移變化量改變腔的體積，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腔內(nèi)壓力的控制，最終實(shí)現(xiàn)鉆井液的抽排功能?；钊诪橐簤河颓弧２杉玫降你@井液與完成檢測(cè)后的廢液廢氣通過電磁閥B的開關(guān)完成在兩液壓缸間的輸送。為了便于進(jìn)行井下氣體檢測(cè)模擬試驗(yàn)，在該裝置中管路中接入了檢測(cè)模塊，包括氣液分離膜與微型氣體檢測(cè)器。

該裝置按功能劃分為抽排執(zhí)行模塊、液壓動(dòng)力模塊和控制模塊[11]。抽排執(zhí)行模塊是將液壓系統(tǒng)中的液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，完成環(huán)空鉆井液的抽取、減壓、輸送、回收、增壓和外排動(dòng)作，它是抽排樣品模擬裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包括活塞缸、柱塞缸、連桿器和固定架及其它輔助元件；液壓動(dòng)力模塊將電能轉(zhuǎn)換為液壓能，為抽排執(zhí)行模塊提供動(dòng)力，主要包括液壓泵、電機(jī)、油箱、溢流閥、管路和過濾器等零部件；控制模塊主要功能是按程序有序地控制電磁閥的開啟與閉合，獲取、存儲(chǔ)及傳送信息，采用PLC控制器。

2 仿真分析與研究

為了驗(yàn)證井下鉆井液采集模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案的可行性，通過AMESim仿真軟件對(duì)裝置進(jìn)行建模并進(jìn)行仿真分析[12]。建立的井下鉆井液采集模擬試驗(yàn)裝置仿真模型如圖2所示。由于井下鉆井液采集受井下狹小空間的限制，采集體積有限，本文仿真參數(shù)的抽排容量設(shè)置為50 mL，位移傳感器最大位移量300 mm。在不同的井下環(huán)空模擬壓力條件下進(jìn)行了井下鉆井液采集工作流程仿真，仿真過程時(shí)序如表1所示。

表1 仿真過程時(shí)序

圖2 井下鉆井液采集模擬試驗(yàn)裝置仿真模型

2.1井下環(huán)空壓力仿真模擬研究

分別設(shè)置不同的井下環(huán)空模擬壓力，進(jìn)行井下鉆井液采集流程仿真模擬，得到的井下環(huán)空壓力模擬曲線如圖3所示。

圖3 不同模擬壓力抽排樣品時(shí)井下環(huán)空模擬壓力曲線

通過圖3可以看出，伴隨著鉆井液的抽取，井下環(huán)空壓力有所下降，當(dāng)開始增壓外排時(shí)，井下環(huán)空壓力又恢復(fù)到初始?jí)毫Γ颅h(huán)空壓力模擬裝置在整個(gè)采集流程中基本可以保持恒壓。

2.2井下鉆井液抽排仿真模擬研究

在井下鉆井液采集流程仿真模擬過程中，除了得到的井下環(huán)空壓力模擬曲線外，通過采集柱塞缸A的位移和壓力曲線，進(jìn)行抽排樣品的仿真模擬。不同井下環(huán)空模擬壓力下抽排樣品裝置仿真模擬時(shí)，柱塞缸A腔內(nèi)壓力變化如圖4所示。

結(jié)合仿真過程時(shí)序表1，通過圖4可以看出，柱塞缸A能夠完成減壓從而實(shí)現(xiàn)井下鉆井液的抽取，以及檢測(cè)完成后廢液廢氣能夠增壓從而實(shí)現(xiàn)外排至環(huán)空。

圖4 不同模擬壓力下柱塞缸A腔內(nèi)壓力曲線(仿真模擬)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證井下鉆井液采集技術(shù)方案的實(shí)際效果，加工了井下環(huán)空壓力模擬裝置、抽排樣品模擬裝置。由于井下鉆井液采集的主要目的是為了完成井下氣體檢測(cè)，因此在井下鉆井液采集模擬試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上接入檢測(cè)模塊(氣液分離膜與微型氣體檢測(cè)器)，三者通過相應(yīng)的電路、氣路、液路進(jìn)行連接，形成井下氣體檢測(cè)模擬試驗(yàn)裝置，如圖5所示。井下氣體檢測(cè)模擬試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)井下鉆井液采集、脫氣、氣體檢測(cè)、廢氣廢液排出的循環(huán)工作流程，實(shí)現(xiàn)井下氣體檢測(cè)各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而驗(yàn)證整個(gè)井下氣體檢測(cè)技術(shù)方案的可行性。

為了方便試驗(yàn)，并兼顧安全的需要，采用水模擬鉆井液進(jìn)行試驗(yàn)，井下環(huán)空壓力模擬試驗(yàn)最高壓力設(shè)置為12 MPa，井下氣體檢測(cè)模擬試驗(yàn)壓力設(shè)置在10 MPa。

圖5 井下氣體檢測(cè)模擬試驗(yàn)裝置

3.1井下環(huán)空壓力模擬試驗(yàn)

在不同井下環(huán)空模擬壓力下，分別進(jìn)行鉆井液抽排試驗(yàn)(不接入檢測(cè)模塊)，根據(jù)井下環(huán)空鉆井液抽取與外排時(shí)壓力傳感器獲取的井下環(huán)空模擬壓力數(shù)據(jù)，得到井下環(huán)空模擬壓力曲線如圖6所示。由圖6可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致；相同條件下，試驗(yàn)時(shí)的壓力波動(dòng)比仿真時(shí)的壓力波動(dòng)略大，分析認(rèn)為這是由于試驗(yàn)中存在的多種誤差以及液體的滲漏等影響因素引起的。

圖6 不同模擬壓力抽排樣品時(shí)井下環(huán)空模擬壓力曲線

3.2井下氣體檢測(cè)模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)開始，通過氣體進(jìn)樣口向蓄能器中注入甲烷氣體，然后關(guān)閉進(jìn)樣閥門。通過手動(dòng)加壓泵注水至10 MPa，使烴類氣體完全溶解于水中，模擬鉆井液烴類氣體飽和溶液，開啟試驗(yàn)裝置，完成鉆井液采樣—?dú)庖悍蛛x—?dú)怏w檢測(cè)循環(huán)工作流程，由壓力傳感器獲取的柱塞缸A腔內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，得到不同模擬壓力試驗(yàn)時(shí)柱塞缸腔A內(nèi)的壓力曲線如圖7所示。同時(shí)觀察微型氣體檢測(cè)器氣體濃度顯示值變化情況。

圖7 不同模擬壓力下柱塞缸A腔內(nèi)壓力曲線(現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn))

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到了與仿真模擬類似的試驗(yàn)結(jié)果，柱塞缸A腔內(nèi)的壓力隨著鉆井液的抽取能夠?qū)崿F(xiàn)減壓采集，10 MPa試驗(yàn)條件下，減壓后的鉆井液的最低壓力為0.07 MPa，最高壓力為0.27 MPa，能夠滿足井下氣液分離與氣體檢測(cè)的需要(1 MPa以下)，完成檢測(cè)后的廢液廢氣能夠增壓至10 MPa以上外排至環(huán)空，同時(shí)微型氣體檢測(cè)器能夠檢測(cè)到氣體濃度值。

4 結(jié)論

本文針對(duì)井下鉆井液采集特殊環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種基于組合液壓缸原理實(shí)現(xiàn)井下鉆井液采集的模擬試驗(yàn)裝置，能夠模擬井下環(huán)空壓力，并實(shí)現(xiàn)在常壓條件下模擬井下高壓鉆井液的抽排，同時(shí)該模擬試驗(yàn)裝置預(yù)留接頭，方便接入檢測(cè)模塊進(jìn)行井下氣體檢測(cè)試驗(yàn)。仿真模擬和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下鉆井液的采集，并能配合完成井下氣體檢測(cè)模擬試驗(yàn)，為研制井下高溫高壓條件下的氣體檢測(cè)裝置提供了一種技術(shù)思路。

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DesignandExperimentofDownholeDrillingFluidAcquisitionSimulateDevice

ZHOU Jianli

(GeologgingCompany，ShengliPetroleumEngineeringCo.，Ltd.，Sinopec，Dongying257061，China)

TE927.302

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.009

1001-3482(2017)05-0042-06

2017-04-20

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“錄井井下氣體檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2013AA064701)

周建立(1986-)，男，山東安丘人，工程師，現(xiàn)從事錄井工藝研究和錄井設(shè)備研發(fā)方面的工作，E-mail：jlzhousky@163.com。