張 衛(wèi) 陸黃生

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

摘 要 針對(duì)鉆井液氣測錄井脫氣不定量、分析成分少的問題，設(shè)計(jì)了一種新型的鉆井液油氣分析系統(tǒng)。系統(tǒng)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(tǒng)電動(dòng)脫氣方式定量化弱的局限；系統(tǒng)分析單元采用了MEMS微型色譜，縮小了體積，擴(kuò)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(xiàn)場實(shí)驗(yàn)證明新型鉆井液油氣分析系統(tǒng)提高了油氣檢測的定量性和評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

關(guān)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(guān)聯(lián)著地層油氣儲(chǔ)量［1］，傳統(tǒng)測定方法是將鉆井液引入脫氣器中進(jìn)行攪拌脫氣，分離出輕烴氣體，再將其送入在線氣相色譜進(jìn)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(xù)、信號(hào)延遲時(shí)間長，制約了氣測錄井服務(wù)質(zhì)量。

本文結(jié)合國外氣測錄井行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)［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(chǔ)上開發(fā)了新型氣測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，分為樣品脫氣環(huán)節(jié)、樣品處理環(huán)節(jié)、分析檢測環(huán)節(jié)和評(píng)價(jià)解釋環(huán)節(jié)。鉆頭在鉆開地層后，井下油氣被鉆井液從井下循環(huán)到地面，脫氣環(huán)節(jié)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(jìn)入樣品處理環(huán)節(jié)，進(jìn)行脫水、干燥、穩(wěn)壓、穩(wěn)流處理；之后樣品進(jìn)入分析檢測環(huán)節(jié)，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(tǒng)，檢測的信息進(jìn)入評(píng)價(jià)解釋環(huán)節(jié)，通過工作站完成樣品標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理和油氣水的評(píng)價(jià)。

圖1 油氣檢測系統(tǒng)原理

新型氣測系統(tǒng)與常規(guī)氣測錄井系統(tǒng)分離—檢測—評(píng)價(jià)的功能流程基本一致，但關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)手段有著顯著區(qū)別。新型氣測系統(tǒng)對(duì)脫氣和氣體檢測兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)脫氣環(huán)節(jié)使用插入式半透膜定量脫氣替代了傳統(tǒng)的電動(dòng)脫氣，而新的氣體檢測環(huán)節(jié)將油氣分析范圍由常規(guī)系統(tǒng)的C1—C5擴(kuò)展到C1—C8，并包括苯和甲苯。

2 技術(shù)關(guān)鍵

2.1 半透膜脫氣器設(shè)計(jì)

樣品脫氣要充分考慮鉆井液中烴類氣體的模態(tài)變化和鉆井液的循環(huán)工藝。首先要讓鉆井液盡量少接觸空氣，其次是減少因?yàn)殂@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(duì)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(duì)性地分離液體中特定組分，在化工分離工程中應(yīng)用廣泛。目前Schlumberger 、Halliburton等公司正應(yīng)用半透膜分離技術(shù)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(yīng)只允許檢測所需的烴類及苯類分子以氣體狀態(tài)通過，并完全禁止泥漿通過，以保護(hù)后續(xù)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(nèi)外兩側(cè)，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(jìn)行分析，達(dá)到分離—檢測的目的。利用半透膜作為定量分析手段，檢測結(jié)果能夠真實(shí)反映鉆遇地層流體的油氣組成比例及性質(zhì)。

硫化氫檢測由于半透膜需直接接觸鉆井液進(jìn)行油氣組分分離，其工作環(huán)境惡劣，并且工作溫度高，普通膜材料難以達(dá)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(diǎn)考慮膜的強(qiáng)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(xué)聚合反應(yīng)制備了中空纖維聚合物復(fù)合膜。PE膜在實(shí)驗(yàn)溫度為40℃、80℃時(shí)無檢測信號(hào)，在溫度升至100℃時(shí)熔化，耐溫性能差。PTFE膜在40℃、80℃ 、100℃、120℃有檢測信號(hào)，但檢測信號(hào)很小，說明PTFE的透過性不好。PDMS膜在溫度高于50℃時(shí)的譜圖均有信號(hào)。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(fù)合半透膜強(qiáng)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(xù)檢測單元需求。表1為PDMS復(fù)合膜對(duì)氣體組分的滲透系數(shù)。

表1 氣體組分的PDMS膜滲透系數(shù)

考慮到鉆井液的化學(xué)性質(zhì)及惡劣的工作環(huán)境，半透膜脫氣器封裝采用了圖3所示的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(nèi)，凹槽起到一定的保護(hù)和固定作用。脫氣器內(nèi)置溫度計(jì)凹洞接口，插入熱電阻即可在執(zhí)行測量任務(wù)的同時(shí)監(jiān)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(jié)構(gòu)

2.2 在線油氣分析單元設(shè)計(jì)

氣體檢測單元是系統(tǒng)核心模塊之一。傳統(tǒng)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(xiǎn)性。儀器房一般離脫氣環(huán)節(jié)幾十米遠(yuǎn)，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(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是解決樣品快速分析問題、樣品氣輸送問題。同時(shí)，儀器也要體積較小，可以現(xiàn)場安裝。

本文設(shè)計(jì)繼續(xù)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(dǎo)檢測器（μTCD）比傳統(tǒng)的熱導(dǎo)檢測器靈敏度高10倍，能夠精確地分析出項(xiàng)目所需要參考的指標(biāo)氣體，整個(gè)系統(tǒng)具有速度快、便攜、適應(yīng)野外工作的優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)主要是規(guī)劃了在線色譜的分析流程和優(yōu)化了色譜柱的性能。在線色譜的分析采用模塊化組合，設(shè)計(jì)了雙分析通道，為了克服C5之后樣品液化的問題，在進(jìn)樣口、色譜柱、檢測器都進(jìn)行了保溫設(shè)計(jì)，以保證樣品分析的準(zhǔn)確性。每個(gè)通道流程如圖4所示。

圖4 檢測通道原理

氣體檢測可同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)通道樣品分析，每個(gè)通道包括微電子氣體控制（EGC）、進(jìn)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(dǎo)檢測器（μTCD）。色譜柱選用不同填料用于不同成分的針對(duì)性分析，以提高分析實(shí)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(shù)烴類及苯類。色譜柱類型及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2 通道類型及參數(shù)

由于設(shè)備氣路比較精密，在設(shè)計(jì)中采用干燥過濾器對(duì)樣品氣進(jìn)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(gè)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(xù)檢測單元測量精度，樣品氣流量使用質(zhì)量流量閥定量控制。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)語言采用C＃完成，軟件主要功能為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析和解釋評(píng)價(jià)，并將成果進(jìn)行數(shù)據(jù)或圖形輸出。此系統(tǒng)功能模塊包括控制模塊、數(shù)據(jù)采集、顯示模塊、解釋模塊、模板建立、數(shù)據(jù)管理、成果輸出等。整體架構(gòu)如圖5所示。此外，軟件可以實(shí)現(xiàn)與綜合錄井儀的通訊，將采集的氣體成分?jǐn)?shù)據(jù)送到綜合錄井儀中，也可以將綜合錄井儀的參數(shù)提取到工作站，單獨(dú)進(jìn)行油氣分析及解釋。

圖5 軟件功能架構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)與指標(biāo)

3.1 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

2011年9月，新型氣測系統(tǒng)在中國石化中原油田胡XXX井和衛(wèi)XXX井分別進(jìn)行了現(xiàn)場氣測錄井測試。整套系統(tǒng)在胡XXX井連續(xù)進(jìn)行了251h、281m進(jìn)尺的錄氣測錄井工作。在衛(wèi)XXX井，系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行了223h、1012m進(jìn)尺的氣測錄井。同時(shí)由于衛(wèi)XXX井在鉆井過程中進(jìn)行了混油鉆進(jìn)，系統(tǒng)完成了在混油狀態(tài)下的氣測錄井測試。

整個(gè)測試期間，系統(tǒng)整體工作性能穩(wěn)定，C1—C8的檢測周期小于90s（圖6），在鉆井液混油的狀態(tài)下，氣測異常發(fā)現(xiàn)率為100％。現(xiàn)場測試證明了系統(tǒng)工作的可靠性，獲得了現(xiàn)場第一手的數(shù)據(jù)。

圖6 現(xiàn)場色譜分析

3.2 系統(tǒng)指標(biāo)

新型鉆井液油氣含量檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 新型氣測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)束語

新型氣測錄井系統(tǒng)使用膜分離脫氣和多通道檢測，具有檢測范圍擴(kuò)大、定量化程度高、檢測周期快速的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。系統(tǒng)的開發(fā)研制對(duì)提高油氣評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，解決弱油氣儲(chǔ)藏發(fā)現(xiàn)的難題有著重要意義。

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