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(cè)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(dòng)脫氣器的安裝高度需要人工進(jìn)行調(diào)節(jié)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且若調(diào)整不及時(shí)會(huì)造成脫氣不連續(xù)，影響氣測(cè)資料的完整性甚至損壞綜合錄井儀中的氣測(cè)儀器，給后續(xù)的測(cè)量帶來了很大的不便。為克服現(xiàn)有電動(dòng)脫氣器缺陷，研發(fā)一款自動(dòng)調(diào)整高度的脫氣器尤為必要，可實(shí)現(xiàn)脫氣器相對(duì)于鉆井液液面位置恒定，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)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(jì)

1.1 設(shè)計(jì)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(gè)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(dá)到平衡狀態(tài)，使脫氣器筒體組件相對(duì)于鉆井液液面相對(duì)位置恒定。當(dāng)鉆井液液面發(fā)生變化時(shí)，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(shí)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(shí)現(xiàn)脫氣器筒體組件相對(duì)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(dòng)座、定滑輪、防護(hù)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(jìn)行連接，恒拉力裝置位于防護(hù)箱里，防護(hù)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(jìn)行滑動(dòng)導(dǎo)向，滑動(dòng)座安裝在水平支架上可以左右滑動(dòng)，實(shí)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(dòng)時(shí)，導(dǎo)向桿防止脫氣器筒體組件發(fā)生偏轉(zhuǎn)。防護(hù)箱用于恒拉力裝置的防護(hù)，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(dòng)脫氣器筒、支架、恒拉力組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，確保氣測(cè)錄井作業(yè)時(shí)，脫氣器相對(duì)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(dòng)脫氣器筒體組件

電動(dòng)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(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)脫氣器筒體在恒拉力作用下自動(dòng)升降的目的，在筒體周圍焊接了一個(gè)半圓形浮筒，以產(chǎn)生浮力。

通過測(cè)試，恒拉力器作出動(dòng)作反應(yīng)的最小反應(yīng)質(zhì)量為0.3 kg，現(xiàn)場(chǎng)要求脫氣器相對(duì)鉆井液液面的變化量為±10 mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算和測(cè)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(jì)算確定浮筒的外徑尺寸(圖3)。

根據(jù)浮力原理計(jì)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(shí)，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(dá)到對(duì)所需浮力的要求，又可以適應(yīng)大部分鉆井液緩沖罐對(duì)脫氣器筒體的安裝尺寸要求[6-8]。

圖3 脫氣器浮筒設(shè)計(jì)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(qiáng)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(dòng)，也可將脫氣器筒體旋轉(zhuǎn)90°，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)時(shí)起到導(dǎo)向的作用。

2.3 恒拉力組件的選型

要實(shí)現(xiàn)脫氣器筒體相對(duì)于鉆井液緩沖罐的液面相對(duì)位置恒定，就要有一個(gè)裝置提供給脫氣器筒體組件一個(gè)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(dá)到平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)間較長的場(chǎng)合，凡是使用手動(dòng)工具及吊攜設(shè)備的場(chǎng)合均可使用，也可作提升機(jī)具的輔助工具使用，達(dá)到減輕勞動(dòng)強(qiáng)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(shì)能與重力達(dá)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(gè)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(shí)，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(gè)常數(shù)。平衡器鋼絲繩拉在卷簧的外側(cè)終點(diǎn)上，卷簧中間的起始點(diǎn)上有個(gè)調(diào)節(jié)蝸桿，通過調(diào)節(jié)這個(gè)蝸桿來調(diào)節(jié)卷簧中間起始點(diǎn)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(chǎng)鉆井液密度的變化，使脫氣器筒體組件相對(duì)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(jì)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(jì)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(jì)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(hù)箱內(nèi)，防護(hù)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(jìn)行滑動(dòng)導(dǎo)向后通過彈性卡扣與脫氣器電機(jī)尾部的吊環(huán)連接。整個(gè)結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整方便，且為純機(jī)械結(jié)構(gòu)無電氣結(jié)構(gòu)，故障率低，符合現(xiàn)場(chǎng)的防爆要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在準(zhǔn)噶爾盆地的xx井上進(jìn)行了自平衡式脫氣器氣測(cè)(快速色譜+自平衡脫氣器)與常規(guī)脫氣器氣測(cè)(快速色譜+常規(guī)脫氣器)平行錄井的氣測(cè)資料對(duì)比。從圖4可以看出，自平衡式脫氣器錄取氣測(cè)資料的基值在0.9%左右，峰值為2.015 6%。常規(guī)脫氣器氣測(cè)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(cè)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(gè)倒換鉆井液泵的行為，鉆井液泵停止工作時(shí)間約為30 s，從氣測(cè)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(cè)曲線沒有明顯的變化，反映其錄取的氣測(cè)資料未受到倒泵工作的影響。而常規(guī)脫氣器氣測(cè)的錄井曲線呈現(xiàn)一處明顯的“凹槽”，反映其錄取的氣測(cè)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(cè)基值和峰值(與圖4相同)都明顯地較普通氣測(cè)高以外，在2 951 m井深處，有一個(gè)鉆井液緩沖罐液位調(diào)整的行為，與之相對(duì)應(yīng)，常規(guī)脫氣器的氣測(cè)錄井曲線處呈現(xiàn)一明顯的“凹槽”，反映其錄取的氣測(cè)資料受到了鉆井液緩沖罐液位變化的影響。而與之對(duì)應(yīng)的自平衡式脫氣器氣測(cè)錄井曲線則沒有明顯的變化，反映其錄取的氣測(cè)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(dòng)脫氣器氣測(cè)錄井資料對(duì)比圖(一)

圖5 自平衡式脫氣器與常規(guī)電動(dòng)脫氣器氣測(cè)錄井資料對(duì)比圖(二)

在實(shí)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(dòng)篩鉆井液流量等引起的鉆井液液位變化的現(xiàn)象會(huì)經(jīng)常發(fā)生，普通氣測(cè)資料在短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)降低甚至測(cè)量不到的現(xiàn)象。大量的實(shí)踐表明，自平衡式脫氣器在錄井過程中錄取的氣測(cè)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(chǎng)投入使用，應(yīng)用效果良好，得到了現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

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