張 衛 陸黃生

（中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

摘 要 針對鉆井液氣測錄井脫氣不定量、分析成分少的問題，設計了一種新型的鉆井液油氣分析系統。系統脫氣單元采用半透膜分離原理，脫氣器可直接插入鉆井液中提取分析成分，擺脫了傳統電動脫氣方式定量化弱的局限；系統分析單元采用了MEMS微型色譜，縮小了體積，擴展了在線分析的組分范圍，可在線分析鉆井液中油氣成分。現場實驗證明新型鉆井液油氣分析系統提高了油氣檢測的定量性和評價的準確性。

關鍵詞 鉆井液 油氣 分析 半透膜 在線色譜

Development of a New Kind of Gas logging System

ZHANG Wei，LU Huangsheng

（Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China）

Abstract In light of non－quantitative degasification and few components for analysis in current traditional gas logging，a new type of gas logging system developed.The system aDOpts the semi－permeable membrane separation principle to make a pertinent degasification of hydrocarbon gases.The degasser can be inserted directly into drilling fluid to extract the analysis component.The analysis component of the system adopts the method of online －GC technology.The wellsite test showed that the new system can raise the level of gas logging and improve the assessment exactness of oil and gas.

Key words drilling fluid；oil－gas；analysis；semi－permeable membrane；online chromatogram

油氣勘探鉆井過程中，地層輕烴含量直接關聯著地層油氣儲量［1］，傳統測定方法是將鉆井液引入脫氣器中進行攪拌脫氣，分離出輕烴氣體，再將其送入在線氣相色譜進行分析，從而得到鉆井液中的輕烴含量［2］。這種測定方法脫氣不定量、檢測不連續、信號延遲時間長，制約了氣測錄井服務質量。

本文結合國外氣測錄井行業的發展趨勢［3～7］，提出了一種測定鉆井液中輕烴含量的新方法，在此基礎上開發了新型氣測系統。

1 系統原理

系統的結構原理如圖1所示，分為樣品脫氣環節、樣品處理環節、分析檢測環節和評價解釋環節。鉆頭在鉆開地層后，井下油氣被鉆井液從井下循環到地面，脫氣環節中的半透膜脫氣器直接插入泥漿中，通過它把鉆井液中的烴類油氣定量提取出來；提取出來的樣品進入樣品處理環節，進行脫水、干燥、穩壓、穩流處理；之后樣品進入分析檢測環節，通過在線的分析儀器將烴類樣品成分檢測出來；隨后氣體樣品排出系統，檢測的信息進入評價解釋環節，通過工作站完成樣品標定、數據處理和油氣水的評價。

圖1 油氣檢測系統原理

新型氣測系統與常規氣測錄井系統分離—檢測—評價的功能流程基本一致，但關鍵功能的實現手段有著顯著區別。新型氣測系統對脫氣和氣體檢測兩個關鍵環節進行了重新設計，新設計的系統脫氣環節使用插入式半透膜定量脫氣替代了傳統的電動脫氣，而新的氣體檢測環節將油氣分析范圍由常規系統的C1—C5擴展到C1—C8，并包括苯和甲苯。

2 技術關鍵

2.1 半透膜脫氣器設計

樣品脫氣要充分考慮鉆井液中烴類氣體的模態變化和鉆井液的循環工藝。首先要讓鉆井液盡量少接觸空氣，其次是減少因為鉆井液的流量、溫度等因素變化造成的影響。綜合各種樣品萃取的利弊，選用半透膜方式脫氣具有很好的針對性。

半透膜是由高分子聚合物材料制備的薄膜，其具有選擇性透過功能，可針對性地分離液體中特定組分，在化工分離工程中應用廣泛。目前Schlumberger 、Halliburton等公司正應用半透膜分離技術開展研究，并取得了一定成果。適合鉆井液油氣脫出的半透膜應只允許檢測所需的烴類及苯類分子以氣體狀態通過，并完全禁止泥漿通過，以保護后續檢測單元。利用半透膜從鉆井液中直接分離組分的原理如圖2所示。

圖2 半透膜工作原理

在膜的內外兩側，由于烴類組分存在不同的滲透壓力，使鉆井液中的烴類氣體穿過半透膜，并以氣體的形式通過載氣輸送至氣相色譜儀等檢測儀器進行分析，達到分離—檢測的目的。利用半透膜作為定量分析手段，檢測結果能夠真實反映鉆遇地層流體的油氣組成比例及性質。

硫化氫檢測由于半透膜需直接接觸鉆井液進行油氣組分分離，其工作環境惡劣，并且工作溫度高，普通膜材料難以達到要求，因此半透膜選擇上既要保證油氣組分透過，又要重點考慮膜的強度和耐溫性。初步選擇PE（聚乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）及PDMS（硅橡膠）為膜材料，通過化學聚合反應制備了中空纖維聚合物復合膜。PE膜在實驗溫度為40℃、80℃時無檢測信號，在溫度升至100℃時熔化，耐溫性能差。PTFE膜在40℃、80℃ 、100℃、120℃有檢測信號，但檢測信號很小，說明PTFE的透過性不好。PDMS膜在溫度高于50℃時的譜圖均有信號。因此，選用PDMS膜作為鉆井液中輕烴氣體的分離膜。通過性能測試，制備的PDMS復合半透膜強度、耐溫性及透過性適合鉆井液泥漿工作條件，脫出油氣組分能夠滿足后續檢測單元需求。表1為PDMS復合膜對氣體組分的滲透系數。

表1 氣體組分的PDMS膜滲透系數

考慮到鉆井液的化學性質及惡劣的工作環境，半透膜脫氣器封裝采用了圖3所示的設計結構，脫氣器整體為全不銹鋼插頭式，長度為15cm，使用的中空纖維膜膜管外徑為0.8mm，內徑為0.5mm，中空纖維膜覆蓋部分即有效探頭長度為10cm，中空纖維膜置于探頭表面的凹槽內，凹槽起到一定的保護和固定作用。脫氣器內置溫度計凹洞接口，插入熱電阻即可在執行測量任務的同時監控溫度，幫助校正半透膜的滲透效率。

圖3 鉆井液半透膜脫氣器結構

2.2 在線油氣分析單元設計

氣體檢測單元是系統核心模塊之一。傳統的氣體檢測一般采用FID ＋色譜的檢測方式，使用氫火焰離子化檢測器需要配備氫氣和氧氣，這樣既增加了氣相色譜儀的使用成本，而且使用氫氣具有一定的危險性。儀器房一般離脫氣環節幾十米遠，樣品氣輸送存在滯后的問題且受溫度影響。因此新氣測系統設計關鍵是解決樣品快速分析問題、樣品氣輸送問題。同時，儀器也要體積較小，可以現場安裝。

本文設計繼續選用了在線氣相色譜分析原理，但是在儀器上選用了Agilent的490 Micro GC便攜式氣相色譜儀。490 Micro GC使用的微型熱導檢測器（μTCD）比傳統的熱導檢測器靈敏度高10倍，能夠精確地分析出項目所需要參考的指標氣體，整個系統具有速度快、便攜、適應野外工作的優點。

本設計主要是規劃了在線色譜的分析流程和優化了色譜柱的性能。在線色譜的分析采用模塊化組合，設計了雙分析通道，為了克服C5之后樣品液化的問題，在進樣口、色譜柱、檢測器都進行了保溫設計，以保證樣品分析的準確性。每個通道流程如圖4所示。

圖4 檢測通道原理

氣體檢測可同時進行兩個通道樣品分析，每個通道包括微電子氣體控制（EGC）、進樣器（Injector，包括樣品加熱裝置和樣品定量管）、氣體分離柱（Column）、微熱導檢測器（μTCD）。色譜柱選用不同填料用于不同成分的針對性分析，以提高分析實效及精度。其中分離柱一采用10m PoraPLOT Q色譜柱，用于分析CH4；分離柱二采用8m Sil 5CB色譜柱，用于分析高碳數烴類及苯類。色譜柱類型及系統運行參數見表2。

表2 通道類型及參數

由于設備氣路比較精密，在設計中采用干燥過濾器對樣品氣進行干燥、過濾，過濾器采用5μm粉末冶金過濾片，另外本身色譜儀配有一個專用的可換過濾器作為最后的凈化保證。為保證樣品氣輸送的定量，保障后續檢測單元測量精度，樣品氣流量使用質量流量閥定量控制。

2.3 系統軟件設計

系統軟件設計采用模塊化設計，設計語言采用C＃完成，軟件主要功能為實現數據的實時采集、分析和解釋評價，并將成果進行數據或圖形輸出。此系統功能模塊包括控制模塊、數據采集、顯示模塊、解釋模塊、模板建立、數據管理、成果輸出等。整體架構如圖5所示。此外，軟件可以實現與綜合錄井儀的通訊，將采集的氣體成分數據送到綜合錄井儀中，也可以將綜合錄井儀的參數提取到工作站，單獨進行油氣分析及解釋。

圖5 軟件功能架構圖

3 實驗與指標

3.1 現場實驗

2011年9月，新型氣測系統在中國石化中原油田胡XXX井和衛XXX井分別進行了現場氣測錄井測試。整套系統在胡XXX井連續進行了251h、281m進尺的錄氣測錄井工作。在衛XXX井，系統連續進行了223h、1012m進尺的氣測錄井。同時由于衛XXX井在鉆井過程中進行了混油鉆進，系統完成了在混油狀態下的氣測錄井測試。

整個測試期間，系統整體工作性能穩定，C1—C8的檢測周期小于90s（圖6），在鉆井液混油的狀態下，氣測異常發現率為100％。現場測試證明了系統工作的可靠性，獲得了現場第一手的數據。

圖6 現場色譜分析

3.2 系統指標

新型鉆井液油氣含量檢測系統的技術指標如表3所示。

表3 新型氣測系統技術指標

4 結束語

新型氣測錄井系統使用膜分離脫氣和多通道檢測，具有檢測范圍擴大、定量化程度高、檢測周期快速的優點。系統整體運行正常，現場實驗達到了預期設計目的。系統的開發研制對提高油氣評價的準確性，解決弱油氣儲藏發現的難題有著重要意義。

參考文獻

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