李開榮 陳俊男 宋金鑫 杜 曉

(中國石油西部鉆探吐哈錄井工程公司)

0 引 言

目前錄井作業(yè)現(xiàn)場基本采用傳統(tǒng)人工操作的機(jī)械脫氣器，受出口緩沖罐鉆井液頻繁波動(dòng)及人工操作存在差異的影響，導(dǎo)致氣體采集連續(xù)性和準(zhǔn)確度存在一定誤差，從而影響油氣顯示的發(fā)現(xiàn)，其AC 380 V供電模式在現(xiàn)場易燃易爆環(huán)境下也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過改變傳統(tǒng)脫氣器供電方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于自動(dòng)化控制、磁性感應(yīng)技術(shù)和阿基米德浮力原理設(shè)計(jì)出一款安全防堵自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器[1-9]，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)感應(yīng)鉆井液液面位置，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，可滿足氣體快速、準(zhǔn)確采集和分析的要求。

1 現(xiàn)狀分析

目前國內(nèi)外采用的傳統(tǒng)機(jī)械式電動(dòng)脫氣器，主要存在依靠人工判斷液位、定點(diǎn)脫氣方式、脫氣設(shè)備結(jié)構(gòu)、供電模式4方面的局限[10-12]。

1.1 人工判斷液位局限

傳統(tǒng)脫氣器完全依靠人工進(jìn)行液位變化判斷和脫氣器高低的調(diào)節(jié)。判斷鉆井液液位的方法分為兩種：一是通過出口流量數(shù)值變化判斷液位的高度變化；二是通過氣測值突降或樣品泵運(yùn)行壓力變化來判斷液位的變化。易導(dǎo)致出口鉆井液液位變化的工況有：鉆遇油氣水層、測后效氣、循環(huán)活動(dòng)鉆具、變排量、調(diào)整鉆井液密度、調(diào)整振動(dòng)篩、井漏、溢流等。影響準(zhǔn)確判斷脫氣器集氣筒最佳吃水深度(脫氣器有效脫氣液位)的因素有兩種：一是微氣泡鉆井液或鉆井液受其他因素影響產(chǎn)生氣泡，人工肉眼無法準(zhǔn)確判斷真實(shí)液位；二是夜晚照明不佳或冬季霧氣大的環(huán)境造成的人工判別誤差。在錄井現(xiàn)場，若調(diào)節(jié)集氣筒吃水深度不及時(shí)，液位過高會(huì)導(dǎo)致淹沒脫氣器集氣筒及電機(jī)，易造成電機(jī)無法散熱而燒壞、鉆井液進(jìn)入集氣倉甚至氣路管線等后果；而液位低于有效脫氣范圍則可能造成脫氣失敗，地層氣體漏失。同時(shí)，錄井作業(yè)人員頻繁上下緩沖罐調(diào)節(jié)脫氣器，還存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 定點(diǎn)脫氣方式局限

為判斷鉆井液液位的變化，需要人工爬到緩沖罐上觀察液位，再手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)脫氣器絲杠調(diào)節(jié)高低，使集氣筒達(dá)到有效脫氣范圍，人工停止操作后脫氣器位置處于定點(diǎn)狀態(tài)。理想中最佳脫氣位置是集氣筒三分之一處淹入鉆井液，而錄井現(xiàn)場緩沖罐鉆井液受工況和其他因素影響，一直處于波動(dòng)狀態(tài)。因此無論緩沖罐液位波動(dòng)大與小，都會(huì)對油氣顯示發(fā)現(xiàn)造成不同程度的影響。

1.3 脫氣設(shè)備結(jié)構(gòu)局限

脫氣器最關(guān)鍵部位是集氣筒，而傳統(tǒng)脫氣器集氣筒底部和集氣倉隔板都設(shè)計(jì)成平面型，使用和維護(hù)保養(yǎng)存在局限性。在使用中，因集氣筒吸入大塊巖屑或異物，卡住攪拌棒，導(dǎo)致脫氣器電機(jī)損壞進(jìn)而失去脫氣動(dòng)力；而當(dāng)鉆井液飛濺或液面沒過集氣筒集氣隔倉時(shí)，易形成泥餅，堵住集氣倉，導(dǎo)致氣路不暢，采氣失敗。

1.4 供電模式局限

傳統(tǒng)脫氣器采用三相三線制AC 380 V異步電機(jī)，在運(yùn)行過程中，從錄井儀器房直接將AC 380 V電供給脫氣器電機(jī)，當(dāng)電壓、電流、頻率不穩(wěn)定時(shí)容易造成脫氣器電機(jī)燒壞，而且異步電機(jī)轉(zhuǎn)速隨電壓波動(dòng)而變化，使脫氣器脫氣效率不穩(wěn)定。該供電模式相對簡單，存在漏電、短路、過載不跳閘等隱患，對使用人員存在一定的觸電風(fēng)險(xiǎn)。

2 自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器主體結(jié)構(gòu)及功能

2.1 總體方案

安全防堵自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器由設(shè)備主體、供電單元、液位檢測單元、執(zhí)行單元、中央控制單元和進(jìn)樣脫氣單元組成。其執(zhí)行單元的一部分和中央控制單元固定安裝在防爆機(jī)箱內(nèi)部，配套有室內(nèi)開關(guān)電源配置箱和相關(guān)參數(shù)配置PC程序。使用前，可根據(jù)需求鏈接計(jì)算機(jī)設(shè)置相關(guān)配置參數(shù)，也可在脫氣器出現(xiàn)故障時(shí)鏈接計(jì)算機(jī)進(jìn)行故障檢測和修復(fù)。在供電單元正常供電情況下，將液位檢測單元檢測的液位信號，通過中央控制單元計(jì)算處理，由命令執(zhí)行單元帶動(dòng)進(jìn)樣脫氣單元完成相應(yīng)的移動(dòng)，在移動(dòng)過程中受預(yù)設(shè)行程限位而停止，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣脫氣單元始終保持在最佳位置(脫氣器與鉆井液液位形成固定位置)進(jìn)行進(jìn)樣脫氣。

2.2 主體結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)現(xiàn)場不同型號緩沖罐，設(shè)計(jì)了塔式(圖1)和桿式(圖2)安全防堵自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器，塔式和桿式除外形和安裝方式不同外，其余部分完全相同。塔式主要安裝應(yīng)用于中小型緩沖罐，可調(diào)范圍為0～1 000 mm，能適應(yīng)大部分鉆井型號的緩沖罐；桿式主要安裝應(yīng)用于較大型緩沖罐和入口循環(huán)罐，可調(diào)范圍為0～1 500 mm，可滿足差分色譜[13]入口循環(huán)罐安裝使用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(差分色譜：通過在鉆井液出口和入口分別安裝脫氣器，采用雙色譜同時(shí)采集氣測數(shù)據(jù)，扣背景值并求出地層氣真實(shí)含量)。

圖1 塔式脫氣器主體結(jié)構(gòu)

圖2 桿式脫氣器主體結(jié)構(gòu)

2.3 供電單元

脫氣器供電單元按國際持續(xù)接觸安全用電要求設(shè)計(jì)，采用DC 24 V直流無刷防爆脫氣電機(jī)，自動(dòng)化控制單元供電電壓同樣為DC 24 V，因此供電電壓總體設(shè)計(jì)為DC 24 V。將AC 220 V電源變換為DC 24 V安全電壓，經(jīng)過集成保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，供給電機(jī)和自動(dòng)控制單元。室內(nèi)開關(guān)電源功率選型為30 A,其中電機(jī)額定功率設(shè)計(jì)為300 W，自動(dòng)控制單元額定功率設(shè)計(jì)為150 W。

2.4 液位檢測單元

通過現(xiàn)場觀察緩沖罐液位變化情況，結(jié)合脫氣器的外部結(jié)構(gòu)，在集氣筒外部設(shè)計(jì)一只浮球接觸液面，在浮球桿上端40 cm處設(shè)計(jì)一只三防磁性感應(yīng)器(該感應(yīng)器利用阿基米德浮力原理與磁性技術(shù)研制)[14]，浮球隨液位的變化帶動(dòng)連接桿，使磁性感應(yīng)器磁場變化，產(chǎn)生相應(yīng)的電阻變化并傳輸給中央控制單元處理。

2.5 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元主要包括動(dòng)力部分和行程控制部分。

動(dòng)力部分：由步進(jìn)電機(jī)、絲杠螺母、豎直錐齒輪、水平錐齒輪和絲杠等部件組成，構(gòu)成動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，執(zhí)行由中央控制單元所發(fā)出指令，帶動(dòng)脫氣器集氣筒向上或向下移動(dòng)。

行程控制部分(圖3)：為防止脫氣器與緩沖罐發(fā)生機(jī)械觸碰，并滿足各種不同的緩沖罐安裝使用，確保脫氣器自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)，在絲杠的上端和下端分別設(shè)置一只可以移動(dòng)的感應(yīng)磁片，機(jī)箱內(nèi)部頂端和底端各設(shè)置一個(gè)磁性感應(yīng)點(diǎn)[14]。絲杠向上移動(dòng)過程中，上限磁性感應(yīng)片在靠近機(jī)箱時(shí)，使機(jī)箱內(nèi)部底端磁性感應(yīng)點(diǎn)受到磁性片感應(yīng)時(shí)，停止絲杠向上移動(dòng)，其向下移動(dòng)不受影響；反之亦然。

圖3 行程控制示意圖

2.6 中央控制單元

中央控制單元主要由單片機(jī)、內(nèi)植程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、無刷電機(jī)控制和保護(hù)部件組成，集成在小型電路板上。其功能為：接收三防磁性感應(yīng)器和上限、下限行程控制器傳來的模擬信號，通過單片機(jī)內(nèi)部固化程序進(jìn)行計(jì)算后，由晶振產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為角位移，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)做不同方向和不同速度的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)對無刷直流防爆電機(jī)起到穩(wěn)壓、穩(wěn)流、短路、過載保護(hù)功能，避免脫氣電機(jī)在運(yùn)行過程中因電壓、電流不穩(wěn)定和過載短路造成損壞，提高脫氣電機(jī)的使用壽命和安全性。

2.7 進(jìn)樣脫氣單元

該脫氣器進(jìn)樣脫氣單元主要由錐形集氣筒(圖4)和分體式攪拌器組成。

圖4 錐形集氣筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錐形集氣筒根據(jù)斜面滑落力學(xué)原理設(shè)計(jì)而成。將脫氣器底部設(shè)計(jì)成錐形，當(dāng)有大塊巖屑被吸入集氣筒時(shí)，大塊巖屑會(huì)沿集氣筒底部錐形壁自動(dòng)滑落，解決了大塊巖屑卡住脫氣器攪拌棒的問題。將脫氣器集氣筒的集氣隔板設(shè)計(jì)成雙層錐形隔板，以防止鉆井液飛濺或漫過隔板進(jìn)入集氣倉，當(dāng)液位低于隔板時(shí)，鉆井液會(huì)自動(dòng)流出隔板，不會(huì)滯留在隔板上形成泥餅堵住集氣空間。根據(jù)斜面滑落公式計(jì)算得出，集氣筒錐形底部和錐形隔板與水平面夾角為45°最佳。分體式攪拌器采用304不銹鋼材質(zhì)，能防止鉆井液中化學(xué)藥品的腐蝕，使用中拆開不銹鋼螺桿，攪拌器與電機(jī)連接處可分為兩半，解決了傳統(tǒng)脫氣器攪拌棒被鉆井液腐蝕后生銹，無法拆卸保養(yǎng)等問題。

進(jìn)樣脫氣單元工作原理：脫氣器最佳脫氣位置是鉆井液淹沒集氣筒由下而上三分之一處，當(dāng)脫氣器電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)攪拌器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌器帶動(dòng)進(jìn)入集氣筒的鉆井液旋轉(zhuǎn)，形成錐形面，擴(kuò)大鉆井液在集氣筒內(nèi)部的表面積，從而使鉆井液中的氣泡更好地從鉆井液中脫離并上升至集氣倉。當(dāng)鉆井液跟隨攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生吸力，將集氣筒外部的鉆井液連續(xù)吸入集氣筒進(jìn)行脫氣，脫氣后的鉆井液隨吸入鉆井液體積增加從集氣筒鉆井液出口處自動(dòng)排出。而隨鉆井液進(jìn)入的大塊巖屑或異物，受到重力的作用，沿錐形底部自動(dòng)滑落而脫離集氣筒。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 W 1501井

W 1501井進(jìn)入西山窯組地層后發(fā)生間斷性井漏，液面不穩(wěn)定。井段3 220～3 415 m采用的是傳統(tǒng)機(jī)械式電動(dòng)脫氣器采集氣測數(shù)據(jù)，由于傳統(tǒng)脫氣器依靠人工調(diào)節(jié)，不能實(shí)時(shí)跟蹤，采集氣測數(shù)據(jù)忽高忽低，不連續(xù)；井段3 415～3 510 m更換為自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器后，采集氣測數(shù)據(jù)平滑連續(xù)，恢復(fù)正常(圖5)。

3.2 W 256井

在W 256井同時(shí)安裝傳統(tǒng)機(jī)械式電動(dòng)脫氣器和自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器，利用雙色譜同時(shí)采集氣測數(shù)據(jù)。圖6中紅色為自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器采集的氣測數(shù)據(jù)，藍(lán)色是傳統(tǒng)脫氣器采集氣測數(shù)據(jù)。兩種脫氣器曲線形態(tài)一致，但自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器采集氣測數(shù)據(jù)(紅色的曲線)高于傳統(tǒng)脫氣器采集氣測數(shù)據(jù)(藍(lán)色曲線)，表明自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器符合錄井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，且脫氣效率高于傳統(tǒng)脫氣器。

圖5 W 1501井傳統(tǒng)脫氣器與新型脫氣器井漏時(shí)采集數(shù)據(jù)

圖6 W 256井兩款脫氣器同步采集氣測數(shù)據(jù)對比

4 推廣應(yīng)用效果

自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器研發(fā)成功后，分別在塔里木、吐哈、蘇里格等油氣田應(yīng)用137口井，累計(jì)采集資料近十萬米，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)五萬多小時(shí)(表1、圖7)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該脫氣器采集資料的連續(xù)性、準(zhǔn)確率均達(dá)100%，其性能得到了肯定。

該脫氣器整體設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性，安裝運(yùn)移簡潔方便，其自動(dòng)化程度和安全性能高，脫氣效率符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是解決了施工現(xiàn)場安全電壓作業(yè)和液位不穩(wěn)定情況下連續(xù)脫氣的難題，自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)不僅消除了人工誤差，還降低了錄井作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，獲得了油田建設(shè)方和錄井現(xiàn)場人員的高度認(rèn)可，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

表1 安全防堵自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器運(yùn)轉(zhuǎn)記錄

圖7 現(xiàn)場安裝使用

5 結(jié) 論

自適應(yīng)液位電動(dòng)脫氣器的成功研制與應(yīng)用，解決了錄井現(xiàn)場技術(shù)難題，改變了傳統(tǒng)脫氣器采集資料方式的局限性，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，消除了安全隱患，提高了氣測錄井資料的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和連續(xù)性。