井下鉆井液采集模擬裝置的設計與試驗

(中石化勝利石油工程有限公司 地質錄井公司，山東 東營 257061)

井下鉆井液采集模擬裝置的設計與試驗

周建立

(中石化勝利石油工程有限公司 地質錄井公司，山東 東營 257061)

目前，井下氣體檢測技術研究存在的主要問題集中在井下高壓鉆井液的采集與壓力釋放方面，并且缺少相應的模擬試驗環境。針對這一難題，研制了一種井下鉆井液采集模擬試驗裝置。闡述了其結構和原理，并通過仿真模擬論證了采用該裝置完成井下鉆井液采集的可行性。將該模擬試驗裝置接入氣液分離膜與微型氣體檢測器進行試驗，實現了井下氣體檢測錄井的功能。

井下取樣；鉆井液錄井；試驗裝置

Abstract：At present，the main problems in the research of downhole gas detection technology are focused on the acquisition and pressure release of downhole high pressure drilling fluid，and lacking the corresponding simulation test environment.In order to solve this problem，a kind of downhole drilling fluid acquisition simulation test device is developed，and its structural design is expounded，the simulation results show that the device has the feasibility of drilling fluid acquisition.The simulation test device is connected with the gas-liquid separation membrane and the micro gas detector，realized the function of downhole gas detection.

Keywords：downhole sampling；drilling fluid logging；test equipment

井下隨鉆氣體檢測對于錄井行業具有重要的研究意義。相比傳統的地面氣測錄井，它可以快速發現油氣層、消除油氣上返帶來的滯后和干擾，實現安全高效鉆井。隨著MWD、LWD技術的發展和應用，井下氣體檢測成為錄井行業的一個主要發展趨勢[1-2]。但是，氣體檢測從地面延伸到井下，技術難度也大幅增加。目前，世界石油服務行業領先者，例如斯倫貝謝(Schlumberger)、哈利伯頓(Halliburton)、貝克休斯(Baker Hughes)等幾大公司均開展了井下隨鉆氣體檢測技術的相關研究，并申請了多項原理設計專利[3-4]。但是，整體上處于技術研究階段，沒有涉及相應的產品。國內研究則是剛剛起步。氣體檢測技術向井下、隨鉆方向發展，需要在關鍵技術上取得重大突破。

井下隨鉆氣體檢測技術主要通過“鉆井液采集-氣液分離-氣體分析”的技術路線來實現。隨著膜分離技術和光電檢測技術及其他氣體分析技術的發展，井下隨鉆氣體檢測技術正日益成熟。目前，在膜分離技術、膜材料研制、膜組件制備方面取得了一定進展[5]，通過紅外光譜技術進行烴類氣體檢測也具有應用于井下環境的可行性[6]。存在的問題主要集中在高壓鉆井液的采集與樣品壓力釋放方面，同時缺少相應的模擬試驗環境。如何實現對井下高溫、高壓環境的模擬也是一個制約技術集成發展的瓶頸問題[7]。

本文提出了一種基于組合液壓缸原理實現井下鉆井液抽排樣品的技術思路，設計了一種井下鉆井液采集模擬試驗裝置，并論證了在井下完成鉆井液采集的可行性。把該模擬試驗裝置接入氣液分離膜與微型氣體檢測器進行試驗，證明該技術思路具有可行性，對井下氣體檢測原理樣機的研制具有指導意義。

1 井下鉆井液采集模擬試驗裝置設計

井下鉆井液采集技術主要解決井下條件下鉆井液的采集和排出的問題，實現井下鉆井液的過濾、減壓，采集(采集得到的濾液再經氣液分離及氣體分析完成井下氣體檢測)，完成氣體檢測后的廢棄液體及氣體再外排出至環空的循環工作流程。

井下鉆井液采集模擬試驗裝置主要實現以下功能：

1) 井下環空壓力的模擬，提供井下鉆井液采集的高壓環境。

2) 井下鉆井液需要從高壓降至能夠滿足氣液分離與氣體分析的目標壓力(1 MPa以下)，實現采集。

3) 氣體檢測后的廢液廢氣需要增壓到環空壓力以上實現外排。

本文設計的井下鉆井液采集模擬試驗裝置，主要包括井下環空壓力模擬裝置和抽排模擬裝置2部分，如圖1所示。

1.1井下環空壓力模擬裝置

為了在常壓條件下模擬井下高壓環境[8]，本文建立了一種基于氣囊式蓄能器原理的井下環空壓力模擬裝置(如圖1所示)，蓄能器是一種儲存壓力能的裝置，能將系統中多余的壓力液體以壓力能的形式儲存起來，當系統需要時又可以將儲存的壓力能釋放給系統[9]。井下環空壓力模擬裝置主要包括增壓模塊和恒壓模塊，其中增壓模塊主要由手動加壓泵、鉆井液容器(模擬井下環空)和鉆井液過濾器(模擬過濾井下破碎巖屑)組成，恒壓模塊主要由蓄能器、壓力表、單向閥、截止閥組成。為了便于進行井下氣體檢測模擬試驗，在蓄能器外部預留快換接頭，用于接入氣體注樣器。

1.2井下鉆井液抽排模擬裝置

根據井下鉆井液采集模擬試驗裝置的功能要求[10]，井下鉆井液抽排模擬裝置需具備模擬環空鉆井液抽取、高壓樣液的減壓、減壓后的樣液輸送與回收和樣液增壓排入環空的功能。

根據圖1所示，井下鉆井液抽排模擬裝置主要通過組合液壓缸(圖1中序號8、9、10元件組成液壓缸A，序號16、17、18元件組成液壓缸B)實現井下鉆井液的抽排，其中柱塞缸A為鉆井液抽排樣腔，通過電磁閥A與環空相連，通過電磁閥A的開關完成井下鉆井液的抽排，柱塞缸B為廢氣廢液收集腔，用于檢測模塊完成檢測完成后廢液廢氣的收集，柱塞缸中均安裝有位移傳感器，能夠記錄柱塞桿的位移，通過調節位移變化量改變腔的體積，從而實現對腔內壓力的控制，最終實現鉆井液的抽排功能?；钊诪橐簤河颓?。采集得到的鉆井液與完成檢測后的廢液廢氣通過電磁閥B的開關完成在兩液壓缸間的輸送。為了便于進行井下氣體檢測模擬試驗，在該裝置中管路中接入了檢測模塊，包括氣液分離膜與微型氣體檢測器。

該裝置按功能劃分為抽排執行模塊、液壓動力模塊和控制模塊[11]。抽排執行模塊是將液壓系統中的液壓能轉換為機械能，完成環空鉆井液的抽取、減壓、輸送、回收、增壓和外排動作，它是抽排樣品模擬裝置的執行機構，主要包括活塞缸、柱塞缸、連桿器和固定架及其它輔助元件；液壓動力模塊將電能轉換為液壓能，為抽排執行模塊提供動力，主要包括液壓泵、電機、油箱、溢流閥、管路和過濾器等零部件；控制模塊主要功能是按程序有序地控制電磁閥的開啟與閉合，獲取、存儲及傳送信息，采用PLC控制器。

2 仿真分析與研究

為了驗證井下鉆井液采集模擬試驗裝置設計方案的可行性，通過AMESim仿真軟件對裝置進行建模并進行仿真分析[12]。建立的井下鉆井液采集模擬試驗裝置仿真模型如圖2所示。由于井下鉆井液采集受井下狹小空間的限制，采集體積有限，本文仿真參數的抽排容量設置為50 mL，位移傳感器最大位移量300 mm。在不同的井下環空模擬壓力條件下進行了井下鉆井液采集工作流程仿真，仿真過程時序如表1所示。

表1 仿真過程時序

圖2 井下鉆井液采集模擬試驗裝置仿真模型

2.1井下環空壓力仿真模擬研究

分別設置不同的井下環空模擬壓力，進行井下鉆井液采集流程仿真模擬，得到的井下環空壓力模擬曲線如圖3所示。

圖3 不同模擬壓力抽排樣品時井下環空模擬壓力曲線

通過圖3可以看出，伴隨著鉆井液的抽取，井下環空壓力有所下降，當開始增壓外排時，井下環空壓力又恢復到初始壓力，但井下環空壓力模擬裝置在整個采集流程中基本可以保持恒壓。

2.2井下鉆井液抽排仿真模擬研究

在井下鉆井液采集流程仿真模擬過程中，除了得到的井下環空壓力模擬曲線外，通過采集柱塞缸A的位移和壓力曲線，進行抽排樣品的仿真模擬。不同井下環空模擬壓力下抽排樣品裝置仿真模擬時，柱塞缸A腔內壓力變化如圖4所示。

結合仿真過程時序表1，通過圖4可以看出，柱塞缸A能夠完成減壓從而實現井下鉆井液的抽取，以及檢測完成后廢液廢氣能夠增壓從而實現外排至環空。

圖4 不同模擬壓力下柱塞缸A腔內壓力曲線(仿真模擬)

3 試驗驗證

為了驗證井下鉆井液采集技術方案的實際效果，加工了井下環空壓力模擬裝置、抽排樣品模擬裝置。由于井下鉆井液采集的主要目的是為了完成井下氣體檢測，因此在井下鉆井液采集模擬試驗裝置的基礎上接入檢測模塊(氣液分離膜與微型氣體檢測器)，三者通過相應的電路、氣路、液路進行連接，形成井下氣體檢測模擬試驗裝置，如圖5所示。井下氣體檢測模擬試驗裝置可以實現井下鉆井液采集、脫氣、氣體檢測、廢氣廢液排出的循環工作流程，實現井下氣體檢測各環節的協調統一，從而驗證整個井下氣體檢測技術方案的可行性。

為了方便試驗，并兼顧安全的需要，采用水模擬鉆井液進行試驗，井下環空壓力模擬試驗最高壓力設置為12 MPa，井下氣體檢測模擬試驗壓力設置在10 MPa。

圖5 井下氣體檢測模擬試驗裝置

3.1井下環空壓力模擬試驗

在不同井下環空模擬壓力下，分別進行鉆井液抽排試驗(不接入檢測模塊)，根據井下環空鉆井液抽取與外排時壓力傳感器獲取的井下環空模擬壓力數據，得到井下環空模擬壓力曲線如圖6所示。由圖6可知，試驗結果與仿真結果基本一致；相同條件下，試驗時的壓力波動比仿真時的壓力波動略大，分析認為這是由于試驗中存在的多種誤差以及液體的滲漏等影響因素引起的。

圖6 不同模擬壓力抽排樣品時井下環空模擬壓力曲線

3.2井下氣體檢測模擬試驗

試驗開始，通過氣體進樣口向蓄能器中注入甲烷氣體，然后關閉進樣閥門。通過手動加壓泵注水至10 MPa，使烴類氣體完全溶解于水中，模擬鉆井液烴類氣體飽和溶液，開啟試驗裝置，完成鉆井液采樣—氣液分離—氣體檢測循環工作流程，由壓力傳感器獲取的柱塞缸A腔內壓力數據，得到不同模擬壓力試驗時柱塞缸腔A內的壓力曲線如圖7所示。同時觀察微型氣體檢測器氣體濃度顯示值變化情況。

圖7 不同模擬壓力下柱塞缸A腔內壓力曲線(現場試驗)

通過現場試驗得到了與仿真模擬類似的試驗結果，柱塞缸A腔內的壓力隨著鉆井液的抽取能夠實現減壓采集，10 MPa試驗條件下，減壓后的鉆井液的最低壓力為0.07 MPa，最高壓力為0.27 MPa，能夠滿足井下氣液分離與氣體檢測的需要(1 MPa以下)，完成檢測后的廢液廢氣能夠增壓至10 MPa以上外排至環空，同時微型氣體檢測器能夠檢測到氣體濃度值。

4 結論

本文針對井下鉆井液采集特殊環境，設計了一種基于組合液壓缸原理實現井下鉆井液采集的模擬試驗裝置，能夠模擬井下環空壓力，并實現在常壓條件下模擬井下高壓鉆井液的抽排，同時該模擬試驗裝置預留接頭，方便接入檢測模塊進行井下氣體檢測試驗。仿真模擬和試驗測試結果表明，本裝置可以實現對井下鉆井液的采集，并能配合完成井下氣體檢測模擬試驗，為研制井下高溫高壓條件下的氣體檢測裝置提供了一種技術思路。

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DesignandExperimentofDownholeDrillingFluidAcquisitionSimulateDevice

ZHOU Jianli

(GeologgingCompany，ShengliPetroleumEngineeringCo.，Ltd.，Sinopec，Dongying257061，China)

TE927.302

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.009

1001-3482(2017)05-0042-06

2017-04-20

國家高技術研究發展計劃(863計劃)“錄井井下氣體檢測關鍵技術研究”(2013AA064701)

周建立(1986-)，男，山東安丘人，工程師，現從事錄井工藝研究和錄井設備研發方面的工作，E-mail：jlzhousky@163.com。