新型钻井液气测录井系统的设计开发.pdf

2 0 1 1年第3 9卷第 1 1期 石油机械 CHI NA PET R0LE UM MAC HI NERY 一3 3 一 ． _ 新产 品开发 新型钻井液气测 录井 系统 的设计开发 张 卫 李三 国 中国石化石 油工程技 术研 究院 摘要针对 目 前传统的钻井液气测录井存在脱气不定量和分析成分少的问题，开发了新型钻 井液油气分离及在线分析系统。该系统脱气部分利用半透膜分离原理，能针对性地脱出烃类气体， 设计制造的脱气器可直接插入钻井液中提取分析成分，并通过专门建立的试验环境，试验获取了 脱气器的动态衰减特性和膜两侧体积分数关联系数；系统的分析部分采用三模块设计，重新规划 了分析单元的流程，扩展了在线分析的组分范围，可在线分析钻井液中油气成分。新型钻井液油 气分析系统可提升钻井液气测录井水平，提高油气评价准确性，有助于弱油气储层的发现。目前 该 系统整体运行正常，试验效果达到预期要求。 关键词 钻井液 气测录井 油气分离 半透膜色谱 0 引 言 气测录井通过对钻井过程上返钻井液夹带 的烃 类气体进行检测，以达到及时发现油气、解释评价 产层的 目的。因此实时 、有效地从钻井液中脱 出烃 类气体并及时进行定量检测 ，对于提高油气储层评 价准确性有着重要意义。 目 前从钻井液中脱出烃类气体主要借助于电动 脱气原理，使用电动脱气器实现脱气 ，此方式通过 机械搅拌使烃类气体脱离钻井液，进入后续检测系 统检测成分。但是此方法钻井液释放的烃类气体量 受钻井液液面、温度和溶解度等因素影响，定量化 程度差 ，对后续气体解释的准确性有较大影响。此 外 ，由于电动脱气方式只能脱除钻井液 中 C ～C 轻烃气体成分，而 c 后的油组分，如 c 、c 及苯 类物质，由于沸点较高，挥发性很弱， 难以使用电 动脱气方式脱出， 所以目前气测录井通常只分析钻 井液中 c ～ c 轻烃气体成分，不能在线分析获取 钻井液中的 C 之后油组分信息 ，影 响了油气储层 评价的准确性 。 针对 目 前传统的钻井液气测录井存在脱气不定 量和分析成分少的问题，笔者通过采用新颖的膜脱 气技术和 C 一 c 油气组分多通道检测方法， 设计 开发 了新型钻井液油气分离及在线分析系统。 1 技术分析及设计 1 ． 1 系统原理 新型钻井液气测录井系统的结构及功能流程如 图 1所示。 匮 匿匝 匿 图 图 1 新型钻 井液 气测 录井系统结构 图 半透膜脱气器主要用于将循环钻井液中的烃类 油气定量提取出来；气体稳压与过滤系统用于将提 取的烃类油气样 品进行干燥过滤后 ，维持样品的压 力及温度，将样品气从现场传送到检测分析单元； 检测分析单元完成对样品的分离与分析 ，分析成分 包括 c 一 c 的烷烃、苯及甲苯；采集工作站主要 完成对系统的标定配置及数据的采集；解释工作站 主要根据气体检测资料结合现场的地质信息进行油 气层识别。此外， 新型钻井液气测录井系统保留与 综合录井仪的通讯接口，可单独工作或与综合录井 仪联机工作。 对于新型钻井液气测录井系统的系统功能流程 结构，尽管其与常规气测录井系统的分离一检测一 评价功能流程基本一致，但关键功能的实现手段有 基金项 目中国石化集 团公 司石油工程 2 O l O年先 导试验项 目 “ 地层流体录井 实时监测技术研究” S GI O 1 4的部分研究 内容 。 石油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 1期 着显著区别。新型系统对脱气和气体检测 2个关键 环节进行了重新设计 ，新设计的系统脱气环节使用 插入式半透膜定量脱气替代了传统的电动脱气，而 新的气体检测环节将油气分 析范围 由常规系统 的 C ， ～C 扩展到 C ～C ，并包括苯和 甲苯。显然 ， 定量脱气和检测范围的扩展将有力提升气测录井的 准确性。 1 ． 2 半透膜脱气器设计 半透膜是由高分子聚合物材料制备的薄膜， 其 具有选择性透过功能 ，可针对性地分离液体 中特定 组分 ，在化工分离工程中应用广泛 。针对随钻钻井 液油气 组分 脱 出检测 ， 目前 S c h l u mb e r g e r 、H a l l i - b u r t o n等公司正应 用半透膜分离 技术 开展先 导研 究 j ，并取得了一定成果 。适合钻井液油气脱出 的半透膜应只允许检测所需的 c ～c 烃类及苯类 分子以气体状态通过 ，并完全禁止钻井液通过 ，以 保护后续检测单元 。利用半透膜从钻井液中直接分 离 C ～ C 组分的原理如图 2所示 。在膜 的内外两 侧 ，由于 c ～c 组分存在不 同的渗透压力 ，使钻 井液中的 c ～c 穿过半透膜 ，并以气体 的形式通 过载气输送至气相色谱仪等检测仪器进行分析，达 到分离 、检测的 目的。利用半透膜作为定量分析手 段 ，检测结果能够真实反映钻遇地层流体的油气组 成 比例及性质 j 。 钻 兀 图 2钻井液 C 一C s组分膜分 离原理 示意 图 由于半透膜需直接接触钻井液流体进行 C ～ c 油气组分分离，其工作环境恶劣，并且工作温 度可能超过 8 0℃，目前广为使用 的普通膜材料难 以达到要求 ，所 以半透膜的设计在保证 C 一C 。 油 气组分透过的基础上 ，重点考虑 了膜的强度和耐温 性 ，以 P E 聚 乙烯 、P r r F E 聚 四氟 乙烯 及 P D MS 硅橡胶 为膜材料 ，通过化学聚合反应制 备了中空纤维聚合物复合膜 。通过性能测试 ，制备 的中空纤维聚合物复合半透膜强度、耐温性及透过 性适合钻井液工作条件 ，脱出油气组分能够满足后 续检测单元需求。 考虑到钻井液的化学性质及恶劣工作环境 ，半 透膜脱气器封装采用了图 3所示的设计结构 。脱气 器整体为全不锈钢插头式 ，长度为 1 5 c m，使用 的 中空纤维膜膜管外径为 0 ． 8 m m，内径为 0 ． 5 mIT I ， 中空纤维膜覆盖部分即有效探头长度为 1 0 c m，中 空纤维膜置于探头表面的凹槽内，凹槽起到一定 的 保护和固定作用 ，脱气器 内置温度计 凹洞接 口，插 入热电阻即可在执行测量任务的同时监控温度。 口 图 3钻 井液 半 透 膜 分 离脱 气 器结 构 示 意 图 1 ． 3 气体稳压与过滤单元设计 该单元主要用于样品气的抽取 、净化 、过滤及 压力和温度控制， 其中干燥过滤器用于对样品气进 行干燥、过滤；考虑到色谱分析仪的气路要求，过 滤器采用 5 t x m粉末冶金过滤片。为保证样品气输 送的定量，保障后续检测单元的测量精度，样品气 流量使用质量流量阀定量控制 ，并可通过远程控制 实现流量的 自动调节 。 1 ． 4 气体检测单元设计 气体检测单元是气测录井系统的核心部件 ，设 计中采用气相色谱分析原理 ，平 台选用 A g i l e n t的 4 9 0 Mi c r o G C便携式气相色谱仪 ，其具有速度快、 便携 、适应野外工作和可远程进行控制的优点。该 色谱仪具有 4 个独立的即插即用的色谱通道，可根 据不同的应用随意组合成新的色谱分析系统，与常 规色谱技术相比，4 9 0 Mi c r o G C的分析速度可以提 高 1 0～ 5 0倍。 考虑快速分析的现场应用 ，在气体检测单元的 设计中采用 了3个分析通道 ，设计实现原理如 图4 所示。 I E P R O M／ R A M}． 1一l 通讯卜_ ．拙 辞厂圆圈] 一塞 图4 气体检 测单 元原 理框 图 气体检测可同时进行三通道样品分析，每个通 道有 1 个色谱柱模块，每个色谱柱模块包括微电子 气体控制电路 E G C 、进样器 包括样品加热装 置和样品定量管 、气体预分离柱、气体分离柱、 气体 参 比柱、色谱柱 加热 器和微 热导 鉴定 器 2 0 1 1年 第3 9卷第1 l 期 张卫等新型钻井液气测录井系统的设计开发 u T C D ，最后进行信息的集成。色谱柱选用不同 填料用于不同成分的针对性分析 ，以提高分析实效 及精度 ，其中分离柱 1 采用 1 0 m P P Q色谱柱 ，用 于分析 C H 、C O 和 C H ；分离柱 2采用 4 m P P Q 色谱柱，用于分析 c ～c 烷烃；分离柱 3采用 8 m S i l 5 C B色谱柱，用于分析高碳数烃类及苯类。 1 ． 5 软件设计 软件系统采用模块化设计 ，设计语言采用 c 完成 ，软件 主要功能为实现数据的实时采集 、分析 和解释评价 ，并将结果 以数据或 图形的形式输 出。 此系统功能模块包括控制模块 、数据采集、显示模 块 、解释模块 、模板建立 、数据管理 和结 果输 出 等，软件整体架构如图5 所示。此外，软件可以实 现与综合录井仪通讯，将采集的气体成分数据送到 综合录井仪中，也可以将综合录井仪的参数提取到 工作站中，单独进行油气分析及解释。 实 时流 体监 测软 件 控制J I 数据l l 显示l l 解释l I 模板I I 输出 模块l I 采集J I 模块l J 模块I l 建立I 』 管理 蓁II蓁II蓁lI lI羹Il蓁II lI lI錾I I蓥 图 5软 件 功 能 架 构 图 1 ． 6 主要技术参数 检测范围0～1 0 0 ％ ； 最小分析检测体积分数 1 ． 01 0 C ； 分析周期 9 0 S C 一C ，3 0 S c ～C 5 ； 工作温度 一1 0～ 4 0 o C； 供电2 2 0 V1 ％V AC 。 2 膜分离脱气器脱气试验 半透膜脱气单元是笔者开发的新型气测录井系 统核心单元 ，实现钻井液 中的油气定量化检测必须 考察其脱气性能的优劣，并测定膜两侧的体积分数 关联关系，即钻井液 中油气真实体积分数与样 品气 检测体积分数之间的对应关系。为此 ，笔者建立了 试验装置 ，基于实际现场工作条件 ，在 6 0～8 0 c c 下 ，使用实际工质的水基钻井液和 C ～C 轻烃组 分，实测了半透膜脱气器脱气性能及膜两侧体积分 数关联曲线。 2 ． 1 试验装置设计 膜分离脱气器定量脱气试验装置流程如图6所 示 。氮气作为载气从 N 钢瓶 中经减 压阀流 出，通 过使用质量流量控制器控制 N 流量为 1 5 m L ／ m i n ， 并 以此流量从脱气器的载气入 口进入浸没到钻井液 中以螺旋结构缠绕的中空膜管，经过半透膜选择性 分离 ，载气 N 携带脱出的油气组分 由脱气器 出口 流 出，由载气 N 输送至气相色谱 G C的 自动进样 阀，进人气相色谱进行连续采样分析，即可获取载 气 中油气组分含量 。顶部安装有膜分离脱气器的密 闭容器事先预置含定量油气组分的钻井液 ，并置于 集热式油浴恒温槽 中，在一定温度下通过电动搅拌 作用 ，保持钻井液与探头的良好接触 ，经过半透膜 分离，可使溶解在钻井液中的油气组分 由中空纤维 膜管外侧脱出至膜管内侧载气之中。 N， 油 图 6试验装置流程 图 1 一N 2钢瓶 ；2 -- 减压阀 ；3 m质量流量控制器 ；4 一 电动搅拌器 ； 5 -- 自动进样阀 ； 6 一气 相色谱G c； 7 一膜分离脱气器 ； 8 一 密闭容器 。 2 ． 2 C ～C 组分在水基钻井液中的动态衰减曲线 为考察建立的半透膜脱气性能 ，利用图6所示 试验流程 ，在 6 0℃下 ，将饱和 C ～C 组分的水基 钻井液置于敞口容器 中 ，在加热及搅拌的作用下 ， 钻井液中 C ～c 组分将不断挥发至大气 中，钻井 液中 C ～c 组分含量将随时间不断减少 ，利用膜 分离脱气器可实时监测 C 一c 组分动态衰减情况。 在膜分离脱气性能试验中，经膜分离脱气器分离的 样品气采用六 通阀进样 ，定 时取样 ，通过色谱分 析 ，获知不同时刻下各组分体积分数。将不同时刻 下各组分体积分数 c与初始时刻下体积分数 c n 相 比，获取的比值与时间绘 图，即可获得如图7所示 的 C 一c 各组分在钻井液中的动态衰减曲线 。 图7 6 0℃水基钻井液中 C ～C 5 动态衰减曲线 由图可知 ，各组分动态衰减至无法检测的时间 1 0 O O 0 0 O 0 O O O 1 ～ _ 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 1期 有较大差异 ，各组分的衰减速度依次为C C C C C 。此规律与 C ， ～ C 各组分在水基钻井液 中溶解度的不同是一致的，其中甲烷 的溶解度最小， 初始体积分数最低，容易脱出，因此衰减最快，而 戊烷溶解度最大，初始体积分数最高，不易脱出， 因此衰减最慢。实测结果表明， 建立的膜分离脱气 器在接近实际现场的试验环境 中，即在 6 0℃下 的 实际水基钻井液 中，能够及时反映钻井液中油气组 分变化 ，脱气性能优异 ，并能够在实际工质中长时 间稳定运行 。 2 ． 3 膜两侧体积分数关联测定 测定膜两侧 的体积分数关联关系 ，即测定钻井 液中油气真实体积分数与样品气检测体积分数 ，据 此可根据测量值获知油气真实体积分数值。膜两侧 体积分数关联测试在 图 6所示的试验环境 中进行 ， 使用 内置水基钻井液 的密闭容器 ，试验时温度设置 为 8 0℃。 将内含 C 一C 轻 烃 组 分 体 积 分 数 分 别 为 0 ． 2 ％、0 ． 4 ％ 、0 ． 6 ％ 、0 ． 8 ％和 1 ． 0 ％的钻井液 进 行膜分离试验 ，通过色谱分析 ，获取对 应的 c ～ C 轻烃组分检测体积分数值 ，即可获取如 图 8所 示的c ～ c 轻烃组分真实体积分数与检测体积分 数关联。 1 ． 5 6 3 3 4 x 1 ． 4 2 90 6 x 1 ． 3 1 4 4 8 x 1 ． 2 2 1 4 8 x 1 ． 0 7 7 5 6 x 0 ． 8 5 4 8 6 x 蔽体 中 的体积 分数／％ 图8 水基钻井液 8 0℃条件下 C ～ C 轻 烃组 分 膜 两侧体 积 分数 关联 由图可知，c ～ c 轻烃组分在 8 0℃水基钻井 液中的真实体积分数与检测体积分数基本构成线性 对应关系，这与低体积分数下线性的亨利溶解度定 律是一致的，此特性可为膜两侧的数据标定提供 方便 。 此外，轻烃各组分的对应线性拟合方程也标绘 于图 8 ，这些方程 可以看作是 C ～C 轻烃组分在 8 O℃水基钻井液中膜两侧体积分数 的关联 函数。 3 结束语 建立的新型气测录井系统使用膜分离脱气和多 通道检测 ，灵敏度高 ，可实现定量分析检测 ，目前 正在胜利油田进行现场对 比试验 ，通过在线与常规 录井气体检测参数对 比，以期实现现场的性能测 试，并建立相应的油气评价解释模型；目前系统整 体运行正常，试验效果达到预期设计要求。该系统 可提升钻井液气测录井水平 ，提高油气评价的准确 性 ，有利于弱油气储层的发现 。 参考文献 [ 1 ] 张卫 ，慈兴华，张光华 ，等 ．钻井液气体分析检 测技术研究 [ J ]．天然气工业，2 0 0 6 ，2 6 5 6 4 6 6 ． [ 2 ]P o p J J ，T a h e r i a n R，P o i t z s e h M E，e t a 1 ． D o w n h o l e me a s u r e me n t o f f o r ma t i o n c h a r a c t e ri s t i c s wh i l e d r i l l i n g U S ，7 4 5 8 2 5 7[ P ]． 2 0 0 8 ． [ 3 ] C o e n e n J G C ． S y s t e m f o r d e t e c t i n g g a s i n a w e l l b o r e d u r i n g d r i l l i n g U S ，7 3 1 8 3 4 3[ P ]． 2 0 0 8 ． [ 4 ] J i m my L ． D e t e c t i n g g a s c o m p o u n d s f o r d o w n h o l e fl u i d a n a l y s i s U S ，0 0 5 0 7 6 1[ P ]． 2 0 1 0 ． [ 5 ] Wo l c o t t D K ． U s e o f c a p i l l a r y m e m b r a n e s a mp l i n g d e v i c e t o m o n i t o r o i l d r i l l i n g mu d s U S ，5 4 6 9 9 1 7 [ P ]． 1 9 9 5 ． [ 6 ] 严国平 ，武庆河 ．脱气器的现状及发展趋势探讨 [ J ]．录井技术 ，1 9 9 9 ，1 0 1 1 0 1 4 ． 第一作者简介张卫，高级工程师 ，生于 1 9 7 0年 ， 2 0 0 7年毕业于华中科技大学机械制造及其 自动化专业 ，获 博士学位，现从事测录井工艺研究工作。地址 1 0 0 1 0 1 北 京市朝阳区。电话 0 1 0 8 4 9 8 8 3 7 0 。Em a i l z h a n g w e i s fipe． c n。 收稿日期2 0 1 1 0 70 7 本文编辑赵连禄 1 1 1 1 0 O 0 0 ＼ 蛞窨乎 帮