井口色譜儀的研制與應用

李鐵軍 鄭周俊 崔子棋

(①上海神開石油科技有限公司；②美國俄勒岡州立大學電氣工程系)

0 引 言

頁巖氣勘探是目前非常規(guī)油氣開發(fā)的一個重點，國內(nèi)的頁巖氣區(qū)塊多采用在同一井場兩口井同時鉆探的雙井作業(yè)模式[1]。這種開發(fā)模式下，利用一臺錄井儀對兩口作業(yè)井同時開展氣測錄井服務，可以提高錄井效率，同時降低錄井成本[2-3]。在開展雙井錄井服務的過程中，錄井儀器房通常會按井場作業(yè)規(guī)范放置在一口井的錄井位置[4-5]。這時若采用常規(guī)的氣測分析儀對另一口井進行氣測錄井，會遇到井場兩口井物理分隔的問題：從遠端井口脫氣器到錄井儀器房的樣品氣管線受限于現(xiàn)場條件架設難度極大，樣品氣管線按照作業(yè)規(guī)范需布設百米以上，造成非常長的管線延遲，影響錄井氣測的時效性。如能對氣測分析儀進行改進升級，使其不依托于錄井儀器房獨立在危險區(qū)域工作，就可以將其就近設置于近井筒的振動篩附近，解決雙井錄井過程中的樣品氣管線架設難度大和氣路管線延時長的問題[6-8]。為此提出井口色譜儀的設計理念，通過防爆設計使氣測分析儀可以在危險區(qū)域獨立運行，從而將氣測點前移至近井筒的振動篩處，解決樣品氣管線架設困難和樣品氣管線延遲長的問題[9]。

1 井口色譜儀設計

1.1 總體設計

井口色譜儀的總體設計框圖如圖1所示，分為正壓防爆設計和色譜儀設計兩部分。通過對正壓防爆的電氣控制設計，使其能夠在危險區(qū)域獨立運行；對色譜儀的檢測器、色譜柱優(yōu)化，以及氣體流路設計，使之能夠在60 s內(nèi)實現(xiàn)C1-nC5氣體組分分離和檢測的同時，實現(xiàn)儀器的小型化和模塊化。

圖1 井口色譜儀設計框圖

1.2 正壓防爆設計

井口色譜儀須在近井筒的振動篩附近工作，從而降低氣樣管線的布設難度和樣品氣傳輸?shù)墓芫€延遲。因此，需要對井口色譜儀整體采用防爆設計，使之能夠不依托于錄井儀器房獨立運行。通常儀器在錄井現(xiàn)場會采用隔爆、本安、正壓防爆等方式實現(xiàn)在危險環(huán)境下的正常運行。儀器整體隔爆會額外增加儀器的重量，而本安防爆使色譜儀器的電路設計難度過大。因此，綜合考慮儀器現(xiàn)場安裝的便利性和防爆方案的可行性，井口色譜儀采用正壓防爆的設計形式。

如圖2所示，井口色譜儀采用隔爆控制單元和正壓工作單元的分體式設計，通過防爆快速接插件連接，方便現(xiàn)場拆裝和維護。類似于錄井儀器房的正壓防爆控制邏輯，隔爆控制單元使用隔爆箱體整體隔爆，內(nèi)置PLC控制元件，有正壓工作模式和旁路工作模式兩種工作方式供選擇。在正壓工作模式下，隔爆控制單元經(jīng)一次得電后對吹掃氣壓力和吹掃時間進行監(jiān)控。當達到預設要求后，隔爆控制單元為正壓工作單元提供二次電源，并在線監(jiān)控正壓工作參數(shù)。當在旁路工作模式下，正壓工作單元不經(jīng)吹掃即可得電工作，可用于檢修和調(diào)試。

圖2 井口色譜儀實物照片

1.3 檢測器設計

目前通用的色譜氣測儀多采用氫火焰離子檢測器(FID)，它具有檢測靈敏度高，測量量程范圍廣的優(yōu)點。但是，因為FID需要氫氣發(fā)生器來提供穩(wěn)定的氫氣作為氣源，所以很難滿足井口色譜儀的防爆設計要求。安捷倫490色譜儀所采用的熱導檢測器則是另一種常用色譜檢出物分析方法，基于熱導檢測器的特性，它對不同氣體組分的導熱系數(shù)變化都有比較靈敏的響應，不但能檢測天然氣等烴類組分，還能檢測氮氣、水等非烴組分。在氣測錄井的使用過程中，當色譜柱柱效下降，或者樣品氣干燥不徹底時，樣品氣中的氮氣和水的色譜峰極易對鄰近的甲烷和丙烷的檢測形成干擾，影響氣測的準確性。此外，熱導檢測多采用氦氣或氫氣作為載氣，現(xiàn)場一般配備高壓鋼瓶作為氣源，會增加額外的費用支出。綜合考慮經(jīng)濟性和可操作性，井口色譜儀選擇催化燃燒檢測器來對樣品氣中的天然氣組分進行測量，僅需要壓縮空氣作為載氣即可。表1是 FID、熱導、催化燃燒這3種檢測器的性能和技術參數(shù)對照表。

表1 FID、熱導、催化燃燒檢測器技術參數(shù)比較

如表1所示，催化燃燒檢測器的檢測靈敏度略低于FID和熱導檢測器，但能夠滿足現(xiàn)場氣測的需要。而且，催化燃燒檢測器所需的輔助設備較少，僅需要空氣壓縮機即可。在滿足現(xiàn)場防爆的同時，更便于維護和降低儀器運行成本。為解決催化燃燒檢測器在檢測高濃度樣品時易發(fā)生的測量信號飽和的問題，井口色譜儀采用了樣品氣組分高、低濃度自動切換的氣路設計，從而實現(xiàn)催化燃燒檢測器1×10-5～1的全量程范圍的快速響應和測量。

1.4 色譜柱設計

井口色譜儀采用壓縮空氣作為載氣，相較于氫焰色譜儀的氫氣載氣，其在相同條件下的載氣流速較低，僅為氫氣的1/3到1/2。為確保能夠在60 s內(nèi)完成對樣品氣中C1-nC57個組分的有效分離，井口色譜儀采用了雙色譜柱的氣路設計。2套獨立的色譜柱都具有預切柱和主柱，能夠對樣品氣中的重烴組分進行反吹，避免其進入主柱對下一個色譜分析周期的組分出峰造成影響，并延長主柱壽命。其中一套色譜柱專門用于分離C1、C2和C33個組分，另一套色譜柱則用于分離iC4、nC4、iC5、nC54個烴組分。針對天然氣組分和催化燃燒檢測器的特性，色譜柱擔體和固定液也做了進一步的優(yōu)化。

1.5 氣體流路設計

為配合催化燃燒檢測器和雙色譜柱的設計思路，并且盡可能地降低儀器整體的體積和重量，井口色譜儀采用了微流路控制的閥島流路分配設計，替代常用的色譜十通閥流路分配模式。

如圖3所示，色譜儀的氣路模塊采用了雙閥島/雙色譜柱的設計思路。一個閥島對應一套色譜柱，實現(xiàn)傳統(tǒng)十通閥流路分配的功能。整個氣路模塊結構緊湊，流路控制閥島、色譜柱、檢測器均被壓縮在不到20 cm空間內(nèi)。傳統(tǒng)的機械式穩(wěn)壓閥的控壓壓力會受到環(huán)境溫度的波動而改變，不能滿足露天場合的井口色譜儀的工作需要。所以井口色譜儀選用電子壓力控制器(EPC)對各流路的壓力進行穩(wěn)壓控制，可以實現(xiàn)各種環(huán)境溫度下的流路壓力的精確控制，確保檢測器基線和色譜保留時間的穩(wěn)定，圖4為EPC控壓的長期穩(wěn)定性測試結果[10]。

圖3 色譜氣路模塊示意

圖4 EPC長期穩(wěn)定性測試

1.6 氣體流路分析

圖5是整個氣路模塊的流路分析示意圖。與圖3的氣路模塊相對應，每個閥島均安裝了6個二位三通電磁閥。每個閥島上部的5個電磁閥為1組，可以實現(xiàn)十通閥的流路分配切換功能；2個閥島最下部的電磁閥為1組，實現(xiàn)樣品氣高低濃度切換，解決催化燃燒檢測器高濃度飽和的問題。每個電磁閥組各自獨立供電，控制氣路切換：電磁閥組通電時電磁閥的#1口與#3a口和#3b口連通，#2口關閉；電磁閥組斷電時電磁閥的#1口與#2口連通，#3口關閉。如圖5所示，閥島1和閥島2的樣品氣流路成串聯(lián)結構設計，確保兩套色譜流路在同一周期內(nèi)測量的是同一點的樣品氣的組分。

圖5 井口色譜儀氣體流路示意(反吹狀態(tài))

2 現(xiàn)場試驗

2.1 測試方法

研制的井口色譜儀樣機在四川威遠Wxx井開展了現(xiàn)場應用。圖6為頁巖氣雙井作業(yè)現(xiàn)場布局示意圖。井口色譜儀設置在遠離錄井儀的遠端井的振動篩下，開展近井筒氣測分析。為進行與常規(guī)氣測儀的對比測試，在井2位置又設置了一臺錄井儀，與井口色譜儀開展并測。

圖6 井口色譜儀現(xiàn)場布局及照片

2.2 總烴氣測結果

圖7是井口色譜儀和常規(guī)色譜儀的氣測總烴測試結果對比，其中紅色總烴曲線代表井口色譜儀的氣測結果值Tg(C)，黑色總烴曲線代表常規(guī)色譜儀的氣測總烴結果值Tg。如圖7所示，井口色譜儀與常規(guī)色譜儀的總烴氣測曲線的形狀和趨勢都保持一致，具有良好的可比性。

圖7 井口色譜儀Tg(C)和常規(guī)色譜儀Tg的氣測結果對比

2.3 甲烷氣測結果

圖8是井口色譜儀和常規(guī)色譜儀的甲烷氣測值的測試結果。紅色曲線代表井口色譜儀的甲烷氣測值C1(C)，黑色曲線代表常規(guī)色譜儀的甲烷氣測值C1，兩者的曲線形狀和大小也基本保持一致。與總烴的氣測值比較，甲烷曲線的形狀和大小與總烴曲線基本吻合，說明此井以頁巖氣甲烷為主要成分?？紤]到井口色譜儀和常規(guī)色譜儀采用兩套脫氣系統(tǒng)開展并測，其脫氣量和脫氣效率存在一定差異，也發(fā)現(xiàn)兩者的氣測顯示結果在4 850～5 050 m井段有一定的偏差。根據(jù)井口色譜儀和常規(guī)色譜儀的總烴和甲烷氣測值的比較，可以看出井口色譜儀和常規(guī)氣測儀的氣測結果基本一致，

圖8 井口色譜儀C1(C)和常規(guī)色譜儀C1的氣測結果對比

可以替代常規(guī)的氣測分析儀，作為近井筒的氣測分析儀，在線分析鉆井液氣測顯示。

3 結 論

井口色譜儀通過正壓防爆設計，可以不依托于錄井現(xiàn)場的儀器房獨立運行在近井筒的振動篩附近，解決頁巖氣雙井作業(yè)過程中樣品氣管線架設困難和管線延時長等問題。通過氣路和電氣結構優(yōu)化以及儀器的模塊化設計，提高了儀器的集成化程度，更方便現(xiàn)場的拆裝和維護。儀器采用催化燃燒傳感器替代常規(guī)氫焰色譜儀的FID檢測器，可以減少額外的輔助設備；與熱導檢測相比，催化燃燒不受樣品氣中氮氣和水分的影響，更適用于錄井現(xiàn)場。通過與常規(guī)氣測分析儀的現(xiàn)場使用對比結果表明，儀器能夠滿足現(xiàn)場氣測錄井的需要，進一步拓展色譜氣測儀在現(xiàn)場的使用范圍和方法。