氣動自升降脫氣器的研制與應用

鄭周俊 李東衡 張 良 吳振亞 謝 平 孔 軼

(上海神開石油科技有限公司)

0 引 言

氣測錄井通過對上返鉆井液中所裹挾的地層氣進行天然氣組分和全烴測量，獲取鉆進地層的含油信息，為儲層油氣評價提供第一手的現(xiàn)場資料[1-2]。脫氣器是部署在氣測錄井設(shè)備最前端的裝置，鉆井液脫氣采樣的穩(wěn)定性和準確性直接影響到氣測錄井解釋評價的真實可靠性。常規(guī)的脫氣采樣方式是將脫氣器安裝在出口緩沖槽內(nèi)，通過人工調(diào)節(jié)使脫氣器浸入鉆井液的深度始終維持在一個相對固定的位置，從而保證脫氣采樣的穩(wěn)定性。由于出口緩沖槽的鉆井液液面經(jīng)常會發(fā)生劇烈波動，錄井作業(yè)人員難以在第一時間發(fā)現(xiàn)并調(diào)整脫氣器高度，進而影響到氣測錄井數(shù)據(jù)的準確性[3-4]。為此提出氣動自升降脫氣器的概念，采用氣動肌腱、壓力感應放大器、先導執(zhí)行閥等氣動控制元件及技術(shù)，實現(xiàn)脫氣器對鉆井液液面高度變化的自適應，并能在滿足現(xiàn)場防爆要求的同時，大幅降低裝置的重量，方便現(xiàn)場安裝和維護[5]。

1 氣動自升降脫氣器設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

氣動自升降脫氣器采用純氣動控制的設(shè)計理念，可避免電控設(shè)備因現(xiàn)場防爆要求所導致的額外重量和體積[6-8]。如圖1所示，自升降支架整體重量約為6 kg，與常規(guī)脫氣器安裝支架重量相當。根據(jù)實際情況，自升降支架可搭配氣動或電動脫氣器，實現(xiàn)低成本的定量脫氣，滿足不同用戶和工況的需要。

圖1 氣動自升降支架照片(左)及三維示意(右)

1.2 氣動自升降原理

利用氣動肌腱、壓力感應放大器、先導執(zhí)行閥等氣動控制元件，采用氣動控制技術(shù)，可以實現(xiàn)脫氣器對鉆井液液面浸入深度的自適應調(diào)整。其中，壓力感應放大器和前級的壓力檢測筒是整套控制系統(tǒng)的核心。

壓力檢測筒與脫氣器主體固定，倒扣浸入鉆井液中。如圖2所示，當鉆井液液面上升時，壓力檢測筒內(nèi)壓力上升并傳導至壓力感應放大器，壓力感應放大器動作切換至向氣動肌腱充氣狀態(tài)，氣動肌腱收縮提拉脫氣器，使之與液面一同上升；當鉆井液液面下降時，壓力檢測筒內(nèi)壓力下降，壓力感應放大器切換回氣動肌腱放空狀態(tài)(氣動肌腱伸長)，脫氣器隨之下降。在整個脫氣器工作過程中，氣動自升降支架一直處于以上兩種狀態(tài)的動態(tài)平衡中，脫氣器浸入鉆井液中的深度和壓力檢測筒與脫氣器主體的初始固定位置相關(guān)，上下調(diào)整壓力檢測筒在脫氣器主體的固定位置，即可控制脫氣器浸入鉆井液液面的深度。

圖2 氣動自升降原理示意

1.3 壓力檢測筒設(shè)計

鉆井液液位檢測一般采用浮球液位開關(guān)，利用液面高低變化對浮球產(chǎn)生的不同浮力來控制開關(guān)的上下行程。在實際使用中，浮球開關(guān)容易附著鉆井液，影響液位檢測的準確性，并且為確保測量的準確性，浮球也不能設(shè)計的太小，這給現(xiàn)場安裝帶來不便。所以在氣動自升降支架的設(shè)計中，采用了壓力檢測的方式，避免鉆井液附著影響測量的準確性。

壓力檢測筒采用圓柱形設(shè)計，即直徑約100 mm的不銹鋼測量筒倒扣在鉆井液上。當鉆井液液面高度變化時，封閉在壓力檢測筒內(nèi)的空氣也會隨之壓縮或膨脹，進而控制壓力感應放大器的動作執(zhí)行，從而實現(xiàn)鉆井液液面高低變化的被動檢測。

為進一步避免鉆井液在壓力檢測筒內(nèi)壁附著，影響檢測筒容腔體積，經(jīng)過現(xiàn)場測試，對壓力檢測筒額外增加一路微量補充氣[9]，其目的是：即使在壓力檢測筒內(nèi)淤積鉆井液，影響鉆井液液面波動對壓力檢測筒的壓力響應時，通過補充氣的主動式測量方式，也可以及時反映出鉆井液液面的高低變化(是否沒過壓力檢測筒底，形成封閉容腔)，提高氣動自升降支架的反應靈敏度。

1.4 壓力感應放大器選型設(shè)計

壓力感應放大器是控制脫氣器自適應鉆井液液面的關(guān)鍵部件。如圖3所示，壓力感應放大器的先導端通過氣管連接壓力檢測筒，當先導端的壓力小于或等于作為參比的大氣壓力時，壓力感應放大器不動作，此時氣源為封閉狀態(tài)，負載端的氣動肌腱與放空相連；當先導端的壓力大于大氣壓力時，先導膜片推動閥芯動作，此時氣源連接負載端的氣動肌腱，氣動肌腱充氣收縮，提拉脫氣器。

圖3 壓力感應放大器動作示意

通過選型設(shè)計，壓力感應放大器的先導驅(qū)動壓力約為1 kPa，即當先導端壓力大于作為參比的大氣壓力1%時，壓力感應放大器就能響應動作，使脫氣器提升或下降。相應地，對一個高度約在200 mm的壓力檢測筒來說，當鉆井液液面有約1%，即2 mm左右的液位波動時，就能做出自適應調(diào)整。

1.5 氣動肌腱設(shè)計

在設(shè)計氣動自升降脫氣器時，選用氣動肌腱作為脫氣器提升或下放的執(zhí)行部件。氣動肌腱是一個采用復合材料制成的氣囊結(jié)構(gòu)，當充氣時氣囊膨脹呈收縮狀態(tài)，通過滑輪、鋼絲繩等連接件帶動脫氣器上升；當放氣時氣囊凹癟呈拉伸狀態(tài)，帶動脫氣器下放。與傳統(tǒng)的氣缸執(zhí)行元件相比，氣動肌腱沒有活塞等活動部件，對氣源潔凈度的要求更低，更耐磨損，使用壽命更長。

圖4為氣動肌腱的執(zhí)行示意圖，氣動肌腱長度為1 m，最大收縮行程約0.25 m，配合滑輪組放大，可實現(xiàn)脫氣器上下高度范圍0.75 m的調(diào)整，滿足大多數(shù)緩沖槽液面波動的需要。氣動肌腱的工作壓力約為0.6 MPa，采用普通空壓機或井場氣源供氣，可提供80 kg的工作負載，即使通過滑輪組放大，也可滿足氣動脫氣器(約5 kg)和電動脫氣器(約20 kg)的工作負載需要。

圖4 氣動肌腱執(zhí)行示意

2 現(xiàn)場試驗

2.1 測試方法

氣動自升降脫氣器在四川L 203區(qū)塊某井進行了現(xiàn)場應用測試。通過與常規(guī)的電動脫氣器并測作業(yè)，驗證氣動自升降脫氣器的脫氣效率、穩(wěn)定性以及鉆井液液面波動對脫氣的影響。氣動自升降脫氣器與常規(guī)電動脫氣器并行安裝在出口緩沖槽內(nèi)，分別布設(shè)樣品氣管線和氣測分析儀，進行氣測錄井記錄。為保證測試的一致性，現(xiàn)場采用同批次的鋼瓶標氣，在脫氣器側(cè)注樣，對氣測分析儀進行標定校正。

2.2 測試結(jié)果

圖5為氣動自升降脫氣器(藍色曲線)與常規(guī)電動脫氣器(紅色曲線)的總烴(Tg)和甲烷(C1)的氣測曲線對比。從井段4 100～5 700 m的氣測錄井曲線對比可以看出，氣動自升降脫氣器和常規(guī)電動脫氣器的Tg和C1的曲線形狀和變化趨勢都基本保持一致，兩者的絕對值也基本相當，說明氣動自升降脫氣器的脫氣效率基本達到常規(guī)電動脫氣器的水平。在井段4 320～4 340 m之間，常規(guī)電動脫氣器的氣測曲線明顯小于氣動自升降脫氣器的氣測曲線值，該段常規(guī)電動脫氣器Tg(均值4.458 9%)和C1(均值1.897 7%)的均值分別只有氣動自升降脫氣器的氣測均值的70.8%和33.4%。經(jīng)現(xiàn)場驗證分析認為：該段出口緩沖槽液位偏低，導致常規(guī)電動脫氣器浸入鉆井液的深度減小，鉆井液單位時間的排量也隨之下降；氣動自升降脫氣器能夠自適應緩沖槽液面的上下波動，鉆井液處理量始終保持在一個恒定的范圍，從而導致兩者在該段氣測數(shù)據(jù)的不同。

圖5 氣動自升降脫氣器與常規(guī)電動脫氣器氣測曲線對比

3 結(jié) 論

氣動自升降脫氣器通過純氣動控制元件實現(xiàn)脫氣器對出口緩沖槽的鉆井液液面上下波動的自適應調(diào)整。整個氣動自升降支架沒有電控元件，無需額外的防爆設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，體積小重量輕，更方便現(xiàn)場人員的安裝與維護。通過與常規(guī)電動脫氣器的現(xiàn)場使用對比，氣動自升降脫氣器可自行調(diào)整脫氣器浸入鉆井液的深度，確保鉆井液單位時間的處理量始終恒定，能夠更準確地反映地層氣測信息，提高氣測錄井解釋評價的可靠性。