自平衡式脫氣器的研發(fā)與應(yīng)用

武志超 李秀彬 解俊昱 李 晨 于 鐵 郭 鵬

(①新疆廣陸能源科技股份有限公司；②中國石油西部鉆探工程有限公司地質(zhì)研究院)

0 引 言

脫氣器是隨鉆氣測錄井儀的重要配套設(shè)備，其功能是將鉆井液中所含的混合氣部分地分離出來，為隨鉆錄井儀的色譜分析連續(xù)地提供樣品氣氣源[1]。目前，錄井中常用電動脫氣器的安裝高度需要人工進行調(diào)節(jié)，勞動強度大，且若調(diào)整不及時會造成脫氣不連續(xù)，影響氣測資料的完整性甚至損壞綜合錄井儀中的氣測儀器，給后續(xù)的測量帶來了很大的不便。為克服現(xiàn)有電動脫氣器缺陷，研發(fā)一款自動調(diào)整高度的脫氣器尤為必要，可實現(xiàn)脫氣器相對于鉆井液液面位置恒定，降低操作人員勞動強度[2-4]。自平衡式脫氣器有效地解決了常規(guī)脫氣器存在的技術(shù)問題。

1 自平衡式脫氣器的設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

脫氣器浮筒下部浸入鉆井液中，恒拉力裝置通過鋼絲繩提供給脫氣器筒體組件一個恒定的拉力，使脫氣器筒體組件在拉力、本身重力和浮力共同作用下達到平衡狀態(tài)，使脫氣器筒體組件相對于鉆井液液面相對位置恒定。當(dāng)鉆井液液面發(fā)生變化時，浮筒的浮力也發(fā)生變化，破壞脫氣器筒體組件的受力平衡，這時恒拉力裝置下放或拉起鋼絲繩，使浮筒下部浸入鉆井液中位置保持不變，脫氣器筒體組件的受力再次平衡。所以，自平衡式脫氣器可實現(xiàn)脫氣器筒體組件相對于鉆井液液面位置恒定，不需要人為調(diào)整[5]。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

自平衡式脫氣器的基本結(jié)構(gòu)主要包括脫氣器筒體組件、浮筒、恒拉力裝置、支架、滑動座、定滑輪、防護箱、導(dǎo)向桿、安裝卡等部件(圖1)。脫氣器筒體組件置于浮筒中，通過焊接等方式進行連接，恒拉力裝置位于防護箱里，防護箱固定于支架右側(cè)，恒拉力裝置通過鋼絲繩連接脫氣器筒體組件，恒拉力裝置的鋼絲繩通過定滑輪進行滑動導(dǎo)向，滑動座安裝在水平支架上可以左右滑動，實現(xiàn)位置調(diào)整，支架通過安裝卡固定到鉆井液緩沖罐上。脫氣器筒體組件上下移動時，導(dǎo)向桿防止脫氣器筒體組件發(fā)生偏轉(zhuǎn)。防護箱用于恒拉力裝置的防護，防止風(fēng)沙塵土侵入和鉆井液中水蒸氣造成的腐蝕破壞。

2 自平衡式脫氣器的關(guān)鍵技術(shù)

脫氣器自平衡的關(guān)鍵技術(shù)為電動脫氣器筒、支架、恒拉力組件的設(shè)計與實現(xiàn)，確保氣測錄井作業(yè)時，脫氣器相對于鉆井液液面的位置恒定，提高脫氣器的使用效率。

2.1 電動脫氣器筒體組件

電動脫氣器筒體組件主要包括脫氣器筒體部件、攪拌桿部件、防爆電機部件(圖2)。

圖2 脫氣器筒體組件

脫氣器筒體為圓柱形結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為不銹鋼，筒體上端設(shè)有出氣口和進氣口，筒體下端為鉆井液入口，右側(cè)為鉆井液出口，筒體內(nèi)設(shè)有擋板防止鉆井液濺入出氣孔內(nèi)，內(nèi)部設(shè)有攪拌桿與防爆電機輸出軸連接，攪拌桿高速旋轉(zhuǎn)，破碎鉆井液使氣體脫出。為了實現(xiàn)脫氣器筒體在恒拉力作用下自動升降的目的，在筒體周圍焊接了一個半圓形浮筒，以產(chǎn)生浮力。

通過測試，恒拉力器作出動作反應(yīng)的最小反應(yīng)質(zhì)量為0.3 kg，現(xiàn)場要求脫氣器相對鉆井液液面的變化量為±10 mm，根據(jù)現(xiàn)場使用的鉆井液緩沖罐的最小安裝寬度為250 mm,最終確定脫氣器浮筒的寬度為200 mm。鉆井液密度一般在1.1～2.0 g/cm3之間變化，脫氣器必須要滿足鉆井液密度最小工況下的浮力要求，為了計算和測試方便，選取鉆井液密度為水的密度。上述參數(shù)確定后，通過浮力計算確定浮筒的外徑尺寸(圖3)。

根據(jù)浮力原理計算:

ΔF=ρΔVg=ρgsΔh

式中：ΔF為脫氣器筒體因深度變化量所受的浮力變化量，取3 N;ρ為鉆井液密度，取1.0 mg/mm3;ΔV為鉆井液排出體積變化量，mm3;g為重力加速度;s為浮筒的底面積，mm2;Δh為脫氣器筒體浸入鉆井液的深度變化量,取10 mm。

當(dāng)ΔF>3 N時，需浮筒底面積>31 000 mm2，設(shè)浮筒寬度為200 mm，需浮筒外徑>260 mm，最終確定了浮筒外徑為300 mm。這樣的浮筒尺寸既可達到對所需浮力的要求，又可以適應(yīng)大部分鉆井液緩沖罐對脫氣器筒體的安裝尺寸要求[6-8]。

圖3 脫氣器浮筒設(shè)計圖

2.2 支架組件

脫氣器支架通過安裝卡固定到鉆井液緩沖罐上，安裝支架采用不銹鋼圓管焊接加工，既保證了強度又減輕了質(zhì)量。脫氣器筒體組件，恒拉力裝置和滑輪等的附件安裝固定在支架上，脫氣器筒體可沿著支架左右移動，也可將脫氣器筒體旋轉(zhuǎn)90°，以適應(yīng)現(xiàn)場的各種安裝要求。支架上配有防止脫氣器筒體組件發(fā)生偏轉(zhuǎn)的導(dǎo)向桿支架結(jié)構(gòu)，在脫氣器筒體上下滑動時起到導(dǎo)向的作用。

2.3 恒拉力組件的選型

要實現(xiàn)脫氣器筒體相對于鉆井液緩沖罐的液面相對位置恒定，就要有一個裝置提供給脫氣器筒體組件一個恒定的拉力，使脫氣器筒體組件在拉力、本身重力和浮筒的浮力共同作用下達到平衡狀態(tài)，實現(xiàn)自動調(diào)整高度的目的。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，彈簧平衡器是提供恒拉力的理想裝置。彈簧平衡器通常用于汽車模具、配件焊接、流水線及各種固定位置上工作量較集中、操作工具較笨重、使用工具持續(xù)時間較長的場合，凡是使用手動工具及吊攜設(shè)備的場合均可使用，也可作提升機具的輔助工具使用，達到減輕勞動強度的目的。彈簧平衡器主要借助于蝸卷彈簧蓄積的能量，使所懸掛的外載荷在空中處于“懸浮”狀態(tài)，其彈性勢能與重力達到平衡，這就是彈簧平衡器工作的基本原理[9]。彈簧平衡器通過鋼絲繩輸出一個恒定的拉力，根據(jù)胡克彈性定律：蝸卷彈簧在發(fā)生彈性形變時，卷簧的彈力F拉和卷簧卷曲的角度x成正比，即F拉=kx，其中k是卷簧彈性系數(shù)，它由材料的性質(zhì)決定，是一個常數(shù)。平衡器鋼絲繩拉在卷簧的外側(cè)終點上，卷簧中間的起始點上有個調(diào)節(jié)蝸桿，通過調(diào)節(jié)這個蝸桿來調(diào)節(jié)卷簧中間起始點的位置，即調(diào)節(jié)卷簧卷曲的角度；通過旋轉(zhuǎn)彈簧平衡器上的拉力調(diào)整蝸桿，可改變拉力輸出的大小，以適應(yīng)現(xiàn)場鉆井液密度的變化，使脫氣器筒體組件相對于鉆井液液面保持合適的高度。

根據(jù)脫氣器筒體的重力和浮筒產(chǎn)生的浮力，計算所需彈簧平衡的拉力范圍。

(1)根據(jù)浮力原理:F浮=ρVg=ρgsh

式中：F浮為脫氣器筒體所受的浮力，N;V為鉆井液排出體積，mm3;h為脫氣器筒體浸入鉆井液的深度，取68 mm。經(jīng)計算F浮約為28 N。

(2)根據(jù)三力平衡原理:F拉=G-F浮

式中：G為脫氣器重力，為135 N(稱重得到);F拉為彈簧平衡器的拉力;F浮為脫氣器受到的浮力，為28 N。

經(jīng)計算F拉為107 N，選用拉力范圍70～150 N的彈簧平衡器作為恒拉力裝置可滿足應(yīng)用要求。

現(xiàn)有的彈簧平衡器外形尺寸不便于安裝調(diào)整，為了縮小體積，將彈簧平衡器上部安裝吊鉤拆掉。改造后的彈簧平衡器安裝于防護箱內(nèi)，防護箱通過U型卡螺栓固定在支架的右側(cè)，彈簧平衡器的鋼絲繩通過定滑輪進行滑動導(dǎo)向后通過彈性卡扣與脫氣器電機尾部的吊環(huán)連接。整個結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整方便，且為純機械結(jié)構(gòu)無電氣結(jié)構(gòu)，故障率低，符合現(xiàn)場的防爆要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

在準(zhǔn)噶爾盆地的xx井上進行了自平衡式脫氣器氣測(快速色譜+自平衡脫氣器)與常規(guī)脫氣器氣測(快速色譜+常規(guī)脫氣器)平行錄井的氣測資料對比。從圖4可以看出，自平衡式脫氣器錄取氣測資料的基值在0.9%左右，峰值為2.015 6%。常規(guī)脫氣器氣測資料的基值在0.6%左右，峰值為1.230 1%。自平衡式脫氣器的氣測基值和峰值都明顯較高，反映其脫氣效率比常規(guī)的脫氣效率高。在2 892 m井深附近，工程施工有一個倒換鉆井液泵的行為，鉆井液泵停止工作時間約為30 s，從氣測錄井曲線中可以明顯地看出，在倒泵期間，自平衡式脫氣器的氣測曲線沒有明顯的變化，反映其錄取的氣測資料未受到倒泵工作的影響。而常規(guī)脫氣器氣測的錄井曲線呈現(xiàn)一處明顯的“凹槽”，反映其錄取的氣測資料受到了倒泵工作的影響。

從圖5可以看出，自平衡式脫氣器的氣測基值和峰值(與圖4相同)都明顯地較普通氣測高以外，在2 951 m井深處，有一個鉆井液緩沖罐液位調(diào)整的行為，與之相對應(yīng)，常規(guī)脫氣器的氣測錄井曲線處呈現(xiàn)一明顯的“凹槽”，反映其錄取的氣測資料受到了鉆井液緩沖罐液位變化的影響。而與之對應(yīng)的自平衡式脫氣器氣測錄井曲線則沒有明顯的變化，反映其錄取的氣測資料未受到鉆井液緩沖罐液位變化的影響。

圖4 自平衡式脫氣器與常規(guī)電動脫氣器氣測錄井資料對比圖(一)

圖5 自平衡式脫氣器與常規(guī)電動脫氣器氣測錄井資料對比圖(二)

在實際錄井工作中，由于工程施工的需要或是地下地質(zhì)情況發(fā)生了變化，類似于倒換鉆井液泵、鉆井液出口排量變化、人工調(diào)整振動篩鉆井液流量等引起的鉆井液液位變化的現(xiàn)象會經(jīng)常發(fā)生，普通氣測資料在短時間內(nèi)會出現(xiàn)降低甚至測量不到的現(xiàn)象。大量的實踐表明，自平衡式脫氣器在錄井過程中錄取的氣測資料不受緩沖罐鉆井液液位任何變化的影響。

目前，已有50套自平衡式脫氣器在新疆油田錄井技術(shù)服務(wù)現(xiàn)場投入使用，應(yīng)用效果良好，得到了現(xiàn)場操作人員的充分肯定。有望成為錄井儀的標(biāo)配，在國內(nèi)外更多市場推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

在鉆井過程中，鉆井液液面波動變化時，自平衡式脫氣器可實現(xiàn)脫氣器相對于鉆井液液面位置恒定，不需要人為調(diào)整，不會出現(xiàn)脫氣不連續(xù)，抽鉆井液現(xiàn)象，達到了對地層烴類氣體檢測的連續(xù)性、齊全性、準(zhǔn)確性的技術(shù)要求?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，自平衡式脫氣器有效提升了氣測錄井資料的質(zhì)量，其安裝方便，便于維護保養(yǎng)，且極大地減輕了錄井作業(yè)人員的工作強度。