機(jī)械自浮式脫氣器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

妥 紅 滿繼瓊 楊明清 彭俊民 陳玖國

（①中國石油西部鉆探錄井工程分公司（地質(zhì)研究院）；②中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司）

0 引言

脫氣器是氣測(cè)錄井最重要的設(shè)備之一，安裝在鉆井液緩沖罐位置，其作用為脫出鉆井液中的氣體，供給色譜分析儀、二氧化碳分析儀、H2S 檢測(cè)儀，用于檢測(cè)地層中的油氣含量和非烴、H2S含量，以實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)油氣顯示、H2S預(yù)警的目的[1-2]。對(duì)于傳統(tǒng)脫氣器，當(dāng)鉆井液出口排量變化時(shí)，需要人工頻繁調(diào)節(jié)脫氣器高度，若調(diào)節(jié)不及時(shí)，會(huì)發(fā)生液位過高或過低現(xiàn)象。液位過高則淹沒脫氣器，燒壞電動(dòng)機(jī)或鉆井液抽入管線，造成氣測(cè)資料失真；液面過低則脫氣失敗，造成資料缺失。此外，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員頻繁上下振動(dòng)篩還存在安全隱患。為此，設(shè)計(jì)了機(jī)械自浮式脫氣器，實(shí)現(xiàn)脫氣器高度自動(dòng)調(diào)節(jié)，其操作簡單，故障率低，可大幅減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，消除安全隱患。

1 機(jī)械自浮式脫氣器設(shè)計(jì)

機(jī)械自浮式脫氣器的設(shè)計(jì)原則如下：一是整體結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)脫氣器電動(dòng)機(jī)及供電方式相匹配；二是不改變傳統(tǒng)脫氣筒結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)脫氣器脫氣方式相同；三是安裝方式靈活，滿足不同類型緩沖槽、振動(dòng)篩三通槽，符合綜合錄井儀現(xiàn)場(chǎng)安裝技術(shù)規(guī)范[3]；四是操作簡單，故障率低，靈敏度高，維護(hù)方便。

1.1 整體設(shè)計(jì)

在脫氣器固定支架內(nèi)設(shè)置兩個(gè)定滑輪，滑輪一端為脫氣器，另一端配置標(biāo)準(zhǔn)配重塊，配重塊質(zhì)量與脫氣器接受浮力后的質(zhì)量大體相當(dāng)，使脫氣器液面保持最佳位置；當(dāng)鉆井液排量變化時(shí)，脫氣器會(huì)隨液面變化自動(dòng)升降；當(dāng)鉆井液密度變化時(shí)，人工配置相應(yīng)的調(diào)節(jié)配重塊，使滑輪兩端產(chǎn)生新的平衡，脫氣器始終保持在鉆井液槽內(nèi)最佳液面位置，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤液面的目的。該脫氣器采用不銹鋼材質(zhì)，結(jié)構(gòu)牢固，具有耐腐蝕性、體積輕、組裝方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。脫氣器整體結(jié)構(gòu)。主要由10部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 機(jī)械自浮式脫氣器結(jié)構(gòu)

1.2 固定支架設(shè)計(jì)

固定支架由兩部分組成：一是長方形固定支架（長460 mm、寬280 mm、高900 mm）；二是雙橫支撐桿（長1 000 mm、寬30 mm、高30 mm）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)緩沖罐規(guī)格，雙橫支撐桿可安置在長方形固定支架左右不同位置。長方形固定支架下部導(dǎo)軌與浮箱式脫氣筒架相連接；長方形固定支架上部兩側(cè)設(shè)有定滑輪，是配重塊與脫氣筒架連接的支點(diǎn)；定滑輪中間設(shè)有限位繩固定掛鉤，是限位繩與脫氣筒架的固定點(diǎn)，滿足脫氣器上下滑動(dòng)需求。

1.3 浮箱式脫氣筒設(shè)計(jì)

浮箱式脫氣筒采用不銹鋼材質(zhì)制作，如圖2所示。浮箱采用鏤空式設(shè)計(jì)[4-5]，上部與集氣筒鉆井液出口平行，下部與錐形底部平行，其橫截面積大于脫氣器殼體的橫截面積，當(dāng)鉆井液液面增加或減少時(shí)，浮箱式脫氣筒向上或向下移動(dòng)。脫氣筒設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)脫氣器一致，脫氣筒法蘭高度與傳統(tǒng)尺寸相同，電動(dòng)機(jī)及供電電源與傳統(tǒng)脫氣器相匹配，可滿足不同類型緩沖罐、架空槽或振動(dòng)篩安裝。脫氣筒底部為錐形，便于將吸入其中的大塊巖屑自動(dòng)排出，解決了大塊巖屑卡住攪拌棒燒毀電動(dòng)機(jī)的難題[6]，具有防碰、防磨、易清洗、體積小、浮力大、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)保養(yǎng)方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 浮箱式脫氣筒

1.4 配重塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)配重塊的基本思路是穿過定滑輪的承重繩兩端受力平衡，即：

式中：N為配重塊數(shù)量，個(gè)；mi為第i個(gè)配重塊質(zhì)量，kg；M為浮箱式脫氣筒總質(zhì)量，kg；F浮為浮箱式脫氣筒所受的浮力[7]，N；g為重力加速度，m/s2。

由上式可知，M為恒量，F(xiàn)浮隨鉆井液密度變化而變化，改變配重塊數(shù)量及質(zhì)量，就可以實(shí)現(xiàn)滑輪兩端受力平衡。配重塊由兩部分組成：一是標(biāo)準(zhǔn)配重塊，由兩只圓柱體組成（圖3）；二是調(diào)節(jié)配重塊，由若干直徑85 mm、高30 mm 的圓柱體組成，規(guī)格為150、300、450、600 g 等（圖4）。當(dāng)鉆井液密度發(fā)生變化時(shí)，放置不同的配重塊使之平衡，保持脫氣筒處在鉆井液的最佳位置，攪拌葉片處于鉆井液中最佳高度，以利于提高脫氣效率。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)配重塊

圖4 調(diào)節(jié)配重塊

1.5 承重鋼絲繩設(shè)計(jì)

承重鋼絲繩承載脫氣筒總重量，由鋼絲繩、“U”型卡頭、安全扣組成，如圖5 所示。采用直徑4 mm 包塑鋼絲繩，長度為1 200 mm，可承重886 kg；“U”型卡頭固定鋼絲繩兩端，形成掛鉤圈，與“O”型安全扣連接；承重鋼絲繩繞過定滑輪，一端為脫氣器，另一端為配重塊，使浮箱式脫氣筒浮在鉆井液液面上保持平衡。

圖5 承重鋼絲繩

1.6 安全扣設(shè)計(jì)

如圖6所示，安全扣位于承重鋼絲繩一端，用于連接配重塊，采用合金鋼材料，高110 mm、寬63 mm、開口16 mm，最大承重為2 500 kg，帶有固定掛鉤，確保設(shè)備在運(yùn)行過程中不滑扣，在調(diào)節(jié)、連接、拆卸、維護(hù)保養(yǎng)時(shí)操作方便、安全快捷。

1.7 限位繩設(shè)計(jì)

限位繩是防止浮箱式脫氣筒沉入緩沖罐底部，鉆井過程中，停泵接單根或起下鉆時(shí)，緩沖罐內(nèi)沒有鉆井液，如果沒有限位繩，浮箱式脫氣筒會(huì)與緩沖罐底部沉砂接觸，造成脫氣筒埋入沉砂里。限位繩為鋼鏈，長900 mm、直徑4 mm，如圖6所示。開單泵時(shí)，鉆井液出口流量較小，此時(shí)調(diào)節(jié)脫氣器高度，使排出口鉆井液量占口徑2/3為宜，開雙泵時(shí)，脫氣筒會(huì)自動(dòng)浮起，使脫氣筒始終處在最佳位置。

圖6 “O”型安全扣和限位繩

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將機(jī)械自浮式脫氣器安裝在緩沖罐水箱內(nèi)（鉆井液改用清水），測(cè)試不同液面高度時(shí)脫氣器自動(dòng)調(diào)節(jié)情況，如圖7所示。

圖7 機(jī)械自浮式脫氣器實(shí)驗(yàn)測(cè)試

首先配置標(biāo)準(zhǔn)配重塊，排出口鉆井液滿口排出；當(dāng)增加150 g 調(diào)節(jié)配重塊時(shí)，脫氣筒鉆井液排出口高出液面3 cm，相當(dāng)于排出口鉆井液量占口徑2/3；當(dāng)增加300 g 調(diào)節(jié)配重塊時(shí)，脫氣筒鉆井液排出口高出液面6 cm，相當(dāng)于排出口鉆井液量占口徑1/3；當(dāng)增加450 g 調(diào)節(jié)配重塊時(shí)，脫氣筒鉆井液排出口高出液面9 cm，脫氣器排出口無鉆井液排出。測(cè)試得知，調(diào)節(jié)配重塊質(zhì)量能夠?qū)崿F(xiàn)脫氣器高度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用

機(jī)械自浮式脫氣器在3 口井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用，正常運(yùn)轉(zhuǎn)670 d，共16 080 h，脫氣器能隨著液面變化自動(dòng)調(diào)節(jié)高度，始終處于有效脫氣范圍內(nèi)。

圖8 為傳統(tǒng)脫氣器采集氣測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖，1 號(hào)鉆井液泵和2 號(hào)鉆井液泵倒泵過程中，緩沖罐液面下降或升高，值班人員未能及時(shí)調(diào)節(jié)脫氣器，導(dǎo)致傳統(tǒng)脫氣器脫氣液面忽高忽低，脫氣效率不穩(wěn)定，氣測(cè)曲線呈鋸齒狀，不能真實(shí)反映鉆井液內(nèi)氣體含量。

圖8 傳統(tǒng)脫氣器采集氣測(cè)數(shù)據(jù)曲線

圖9 為機(jī)械自浮式脫氣器采集氣測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖，3：50-4：15 時(shí)間段內(nèi)，1 號(hào)鉆井液泵沖速從小到大逐漸增加，出口流量隨之不斷增大，脫氣器自動(dòng)升高，脫氣效率基本恒定，氣測(cè)實(shí)時(shí)曲線相對(duì)平滑，采集的氣測(cè)資料更加準(zhǔn)確，提高了氣測(cè)錄井解釋評(píng)價(jià)的可靠性[8-9]。

圖9 機(jī)械自浮式脫氣器采集氣測(cè)數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)論與建議

（1）在鉆井液排量、密度發(fā)生變化時(shí)，機(jī)械自浮式脫氣器能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證脫氣器處于最佳高度。

（2）與傳統(tǒng)脫氣器相比，機(jī)械自浮式脫氣器脫氣效率更加穩(wěn)定，減小了脫氣器對(duì)氣測(cè)值的影響，提高了氣測(cè)錄井資料質(zhì)量，有利于應(yīng)用氣測(cè)資料進(jìn)行解釋及評(píng)價(jià)。

（3）在不改變傳統(tǒng)脫氣器結(jié)構(gòu)的前提下，將傳統(tǒng)脫氣器進(jìn)行改進(jìn)，即可成為機(jī)械自浮式脫氣器。該脫氣器無須工作人員到振動(dòng)篩上調(diào)節(jié)脫氣器高度，能降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少安全隱患，其故障率低，維護(hù)方便，有利于在井場(chǎng)推廣。