隨鉆地層測(cè)試泵抽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鮑忠利,于會(huì)媛,支宏旭,宋禹澎,李京山,白曉煜

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院,河北三河065201)

0 引 言

2001年探路者能源服務(wù)公司開發(fā)了首支隨鉆地層測(cè)試器(Drilling Formation Tester,DFT)。隨后哈里伯頓、貝克休斯和斯倫貝謝等公司在2002—2003年相繼推出隨鉆地層測(cè)試器,此時(shí),上述4家公司的隨鉆地層測(cè)試器只能測(cè)量動(dòng)態(tài)地層壓力數(shù)據(jù),不具備隨鉆流體取樣和分析能力[1-2]。2009年哈里伯頓公司推出首支隨鉆地層流體識(shí)別和取樣工具(Fluid Identification and Sampling Sensor,GeoTapIDS)。2010年貝克休斯公司研發(fā)了隨鉆流體分析與取樣工具(Formation Fluid and Analysis Tool,FAS)。2017年斯倫貝謝公司將隨鉆流體測(cè)繪服務(wù)投入商業(yè)應(yīng)用[1-3]。2019年中海油田服務(wù)股份有限公司自主研發(fā)的隨鉆地層壓力測(cè)試儀(Instant Formation Pressure Tester,IFPT)開始在渤海投入商業(yè)應(yīng)用;2021年隨鉆地層取樣儀(Instant Formation Sampling Analysis,IFSA)井下實(shí)鉆測(cè)試成功。該文介紹的隨鉆地層測(cè)試泵抽系統(tǒng)是隨鉆地層取樣儀IFSA的重要組成部分。

1 隨鉆地層測(cè)試泵抽系統(tǒng)原理和基本結(jié)構(gòu)

隨鉆地層測(cè)試泵抽系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱泵抽系統(tǒng))的主要功能是從地層中連續(xù)抽出地層流體(包括液體和氣體,簡(jiǎn)稱樣品),并把抽取的樣品連續(xù)排出。因此,泵抽系統(tǒng)需同時(shí)具有泵抽、泵排功能。泵抽系統(tǒng)采用雙向往復(fù)缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),使用液壓閥控制缸內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng),并以液控閥切換泵抽、泵排功能,整體上泵抽系統(tǒng)屬于液壓控制系統(tǒng)。雙向往復(fù)缸可認(rèn)為是將增壓缸的2個(gè)活塞變?yōu)榈戎睆交钊Ｈ鐖D1所示,缸內(nèi)由活塞桿連接2個(gè)活塞,實(shí)現(xiàn)2個(gè)活塞聯(lián)動(dòng),聯(lián)動(dòng)活塞將缸體分隔成A、B、C、D這4個(gè)腔。B、C腔為抽吸、排出樣品的工作腔,A、D腔為液壓油腔。當(dāng)A腔體充入液壓油時(shí),聯(lián)動(dòng)活塞右移,B腔體積減小,樣品由2號(hào)口排出(泵排),同時(shí)C腔體積增大,樣品由3號(hào)口吸入(泵抽);同理D腔充入液壓油時(shí)C腔泵排,B腔泵抽。以此實(shí)現(xiàn)同時(shí)泵抽和泵排功能[3]。

圖1 雙向往復(fù)缸結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際的泵抽系統(tǒng)除雙向往復(fù)缸外還包含多種液壓閥和傳感器。如圖2所示,1號(hào)、2號(hào)電磁閥控制雙向往復(fù)缸活塞運(yùn)動(dòng)方向,1號(hào)、2號(hào)壓力傳感器分別監(jiān)測(cè)A、D油腔的壓力,1號(hào)、2號(hào)梭閥保障A、D油腔回油暢通。a、b、c、d,e為5個(gè)液控閥,液控閥a、b一端連接B腔2號(hào)口,液控閥a另一端連接樣品進(jìn)口管路,液控閥b另一端連接樣品出口管路;同樣液控閥c、d分別控制C腔進(jìn)、出口管路。根據(jù)聯(lián)動(dòng)活塞的移動(dòng)方向,配合a、b、c、d這4個(gè)液控閥的開閉,即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)泵抽、泵排,3號(hào)、4號(hào)電磁閥控制這4個(gè)液控閥。e閥是樣品進(jìn)口控制閥,在泵抽系統(tǒng)前端控制樣品進(jìn)口的開閉,由5號(hào)電磁閥控制。

圖2 泵抽系統(tǒng)液壓原理圖

2 泵抽系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

設(shè)計(jì)隨鉆地層取樣儀時(shí),將泵抽系統(tǒng)作為獨(dú)立模塊,以嵌入方式固定于鉆鋌外表上。要求泵抽模塊盡量小,以保證鉆鋌強(qiáng)度。由于泵抽系統(tǒng)包含多種閥和傳感器,結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,如何將復(fù)雜結(jié)構(gòu)集成為一個(gè)空間有限的外部安裝模塊,是主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)。另外,泵抽系統(tǒng)涉及大量電氣線路、液壓油路和樣品管路,如何協(xié)調(diào)這3種通路,保障系統(tǒng)的可靠性和易用性是另一設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

2.1 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊劃分是模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通常以功能或結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為依據(jù),將系統(tǒng)進(jìn)一步劃分為多個(gè)子模塊,各子模塊相對(duì)獨(dú)立,把復(fù)雜問題分解[4-5]。泵抽系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為模塊劃分標(biāo)準(zhǔn)將系統(tǒng)分為3個(gè)子模塊:雙向往復(fù)缸模塊、液控模塊和控制閥座模塊,模塊間以電氣線路、液壓油路和樣品管路連接。各模塊包含的主要零部件:①雙向往復(fù)缸模塊包括雙向活塞、往復(fù)缸缸體、1個(gè)位移傳感器;②液控模塊包括5個(gè)液控閥;③控制閥座模塊包括往復(fù)缸控制閥座(包含2個(gè)電磁閥和2個(gè)梭閥)、液控閥控制閥座(包含3個(gè)電磁閥)、2個(gè)壓力傳感器。

泵抽系統(tǒng)涉及電氣線路、液壓油路和樣品管路3類通路。如何排列子模塊是優(yōu)化通路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。從圖3可見,每個(gè)子模塊均涉及至少2類通路,兩兩模塊間至少有一類通路相連。由于3個(gè)子模塊需在鉆鋌上軸向排列,位于中間的子模塊必須有足夠的空間令通路穿過。經(jīng)過嘗試和優(yōu)化,確定雙向往復(fù)缸模塊居中,液壓油路穿過雙向往復(fù)缸模塊(見圖4)。模塊劃分的結(jié)果是控制閥座模塊包含全部電氣和液壓元件,不接觸樣品,液控模塊則不含電氣元件?？刂崎y座模塊和液控模塊分置系統(tǒng)兩端,電氣線路遠(yuǎn)離樣品管路,便于泵抽系統(tǒng)測(cè)試和維修保養(yǎng)。

圖3 模塊連接示意圖

圖4 模塊排列模型圖

2.2 回油池設(shè)計(jì)

液壓控制閥座含有5個(gè)電磁閥、2個(gè)梭閥和2個(gè)壓力傳感器,這些元件均需接通回油油路?；赜统卦O(shè)計(jì)是將回油管路放大為工作池,所有元件浸泡在油池座中,在閥座任意方向打孔,將元件接通回油。

如圖5所示,控制閥座模塊中,往復(fù)缸控制閥座、液控閥控制閥座、2個(gè)傳感器浸泡在回油池內(nèi)。如圖6所示,往復(fù)缸控制閥座中,電磁閥和梭閥的回油油路容易實(shí)現(xiàn),閥座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,管路清晰。

圖5 控制閥座模塊

圖6 往復(fù)缸控制閥座

2.3 復(fù)雜管路設(shè)計(jì)

復(fù)雜管路設(shè)計(jì)需兼顧鉆孔加工工藝,通常需要反復(fù)嘗試,先找到解決方案,再基于此方案,不斷局部改進(jìn)或整體優(yōu)化。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循:①平行設(shè)計(jì)深孔,可實(shí)現(xiàn)一次裝卡完成全部深孔加工,定位準(zhǔn)確;②深孔間距盡量拉大,避免短孔加工時(shí)相互干涉;③短孔加工應(yīng)盡量平直,避免斜孔,便于加工和圖紙表達(dá)。圖7為液控模塊,其管路設(shè)計(jì)遵循上述原則。

圖7 液控模塊

3 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)了隨鉆地層測(cè)試泵抽系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了地層樣品同時(shí)泵抽、泵排功能。

(2)利用模塊化設(shè)計(jì)理念將模型問題分解,通過關(guān)鍵子模塊的劃分決定泵抽系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣。

(3)提出回油池設(shè)計(jì)理念,可在任意方向加工回油管路,簡(jiǎn)化了閥座結(jié)構(gòu)。

(4)總結(jié)了復(fù)雜管路的設(shè)計(jì)原則,提高深孔、短孔加工的工藝性。