高永慧，楊瑞臣，耿小丕，楊 洋，楊華麗

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校 社科與數(shù)理部，河北 承德 067000;2.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心，河北 承德 067000)

在石油勘探中，當(dāng)鉆穿油、氣層時(shí)，就會(huì)有大量的烴類氣體侵入到鉆井液中，形成混相介質(zhì)。實(shí)時(shí)檢測(cè)循環(huán)到地面的鉆井液中烴類氣體含量，可了解地下地質(zhì)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)油、氣層信息，避免油、氣資源的浪費(fèi)［1］。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是把鉆井液在脫氣器中進(jìn)行攪拌脫氣，分離出鉆井液中的烴類氣體，然后利用載氣系統(tǒng)將其送入在線氣相色譜儀進(jìn)行分析，進(jìn)而得到鉆井液中烴類氣體的含量，但這種測(cè)定方法存在脫氣不定量、檢測(cè)不連續(xù)、信號(hào)延遲等缺點(diǎn)，尤其是在鉆井液中烴類氣體飽和時(shí)，會(huì)造成氣體檢測(cè)值偏高，甚至達(dá)100%，嚴(yán)重影響了對(duì)油氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)［2］。為有效分離鉆井液中的烴類氣體，客觀反應(yīng)油氣層的儲(chǔ)藏情況，本文結(jié)合國內(nèi)外鉆井液含氣檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，利用半透膜分離技術(shù)制作出了一種接觸式油氣分離器，即膜分離器，并在動(dòng)態(tài)條件下，對(duì)不同性能鉆井液的分離情況進(jìn)行了研究，建立起了檢測(cè)值與鉆井液含氣濃度、密度、粘度之間的關(guān)系，并反演出了鉆井液中真實(shí)烴類氣體的含量。

1 膜分離技術(shù)的原理

膜分離技術(shù)，是借助于膜的選擇與滲透作用，在外界能量或化學(xué)位差的作用下，對(duì)多組分混合物(液體或氣體)進(jìn)行分離、分級(jí)、提純的過程。從宏觀上看，膜分離技術(shù)與“過濾”相似，但微觀上看，它又不像“過濾”那樣使小分子通過濾膜那樣簡單，而是在氣體分子透過聚合物膜時(shí)，首先吸附于膜的外表面，然后溶解于膜內(nèi)，并透過膜，在膜的另一側(cè)面解吸并擴(kuò)散。鉆井液烴類氣體的膜分離過程，如圖1 所示。載氣的作用是不斷地帶走透過膜且進(jìn)入另一側(cè)的烴類氣體，以提供分離的推動(dòng)力，保持檢測(cè)的連續(xù)和穩(wěn)定性，同時(shí)可解決樣品氣不足的矛盾［3］。烴類氣體透過膜的體積滲透率可用下式表示［4］:

式中:k 為滲透系數(shù)，單位cm2/(s·Pa);S 為膜面積，單位cm2;ΔP 為膜兩側(cè)的壓差，單位為Pa;d 為膜的厚度，單位為cm。不同材料的膜對(duì)氣體有不同的滲透系數(shù)，這就是膜分離的選擇性，k 值越大說明膜的選擇性越好，滲透氣的純度高;v 值越大，則膜的分離能力越強(qiáng)。

2 膜分離器的設(shè)計(jì)

在鉆井現(xiàn)場(chǎng)，上返的鉆井液具有高溫、攜帶泥沙的特點(diǎn)，作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣。所以滲透膜的選取應(yīng)具備一定的強(qiáng)度，適應(yīng)高溫工作環(huán)境，并能承受一定的鉆井液沖擊力，能夠選擇性通過含C1～C8烷烴類油氣組分。為此采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為油氣分離的半透膜［5，6］，它是有機(jī)硅材料中的一種，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，具有顯著的疏水性，能透過烴類組分，膜兩側(cè)壓差不小于50 kPa，燃點(diǎn)高，可在－50 ℃～180 ℃溫度范圍內(nèi)長期使用，滿足工程要求。

膜分離器組件采用平板式，用長為170.0 mm、寬為28.0 mm、厚為8.0 mm 耐腐蝕的不銹鋼作為膜組件，其表面兩側(cè)對(duì)稱設(shè)計(jì)了回型凹槽，用于其內(nèi)部構(gòu)架平板膜的矩形氣體通道，將制備好平板膜分別置于兩側(cè)，用相應(yīng)的固定板條將平板膜固定密封即可，膜組件用Φ3 mm 的標(biāo)準(zhǔn)氣路接頭，可與氣體傳輸管線直接相連，膜分離器也可稱為探頭，如圖2 所示。

3 實(shí)驗(yàn)裝置與鉆井液的配置

鉆井液循環(huán)裝置由四部分構(gòu)成:即供氣部分、氣液混相部分、動(dòng)力部分和測(cè)量部分，在工作過程中含氣鉆井液處于完全密閉狀態(tài)，如圖3 所示。

供氣部分:實(shí)驗(yàn)用氣樣由雪龍氣體服務(wù)有限公司生產(chǎn)，每瓶8 升，壓力7.0 MPa，為了能夠很好地模擬鉆井現(xiàn)場(chǎng)鉆井液含烴類氣體的真實(shí)情況，氣樣濃度分別為0.99%、2.50%、9.99%、50.00%、99.90%等。

混相部分:是由泥漿槽和氣泡分布器組成，泥漿槽長280.0 mm，寬180.0 mm，高350.0 mm;泥漿槽內(nèi)置相距120.0 mm 的雙層氣泡分布器，并隨機(jī)分布著32 個(gè)直徑為1.0 mm 小氣孔。當(dāng)氣樣通過氣室進(jìn)入氣泡分布器后，便在槽里泥漿中形成較均勻的氣－液混相介質(zhì)。另外每次試驗(yàn)所注氣樣一般分2 ～3 次來完成，且每次注氣后都要循環(huán)泥漿3 min 左右再進(jìn)行下一次注氣，這樣使樣氣更加均勻分布在鉆井液中。

動(dòng)力部分:選用G30－1 型具有防爆功能的螺桿泵，具有對(duì)介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，流動(dòng)平穩(wěn)，壓力脈動(dòng)小等特點(diǎn)，可輸送高粘度介質(zhì)、含固體顆粒或軟顆粒(氣泡)介質(zhì)等。功率為22 kW，揚(yáng)程66 m，排量4 m3/h，能夠很好滿足實(shí)驗(yàn)要求。

測(cè)量部分:由對(duì)膜分離器分離出來烴類氣體的檢測(cè)和循環(huán)鉆井液中烴類氣體的真實(shí)含量的標(biāo)定這兩部分構(gòu)成。檢測(cè)部分是將膜分離器(探頭)安裝在由一個(gè)長為560.0 mm，直徑為114.0 mm，壁厚為6.0 mm 的鋼管構(gòu)成測(cè)試區(qū)內(nèi)，探頭通過密封格蘭與其連接，測(cè)試位置具有代表性。這樣當(dāng)含有一定量烴類氣體的鉆井液流過測(cè)試區(qū)時(shí)，探頭將鉆井液中烴類氣體分離出來，通過載氣將其輸送到檢測(cè)儀器。檢測(cè)儀器采用DATALOG 公司生產(chǎn)的全烴檢測(cè)儀，它由氣動(dòng)控制模塊、電子控制模塊、氣體檢測(cè)裝置、環(huán)境控制模塊構(gòu)成，其測(cè)量范圍:0.02 ～100%(2 個(gè)量程)，測(cè)量精度為0.02%。

實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)循環(huán)鉆井液含氣濃度的標(biāo)定采用下式［7］:

式中:c 為氣液循環(huán)裝置內(nèi)鉆井液含氣濃度，用%表示;vg為注入氣樣的體積，單位為L;v0為整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)鉆井液的體積，單位為L;cg為注入氣樣濃度，用%表示。注入氣樣的體積由實(shí)驗(yàn)裝置中的節(jié)門5 來控制。

實(shí)驗(yàn)所用鉆井液(泥漿)的配置按照要求先從低粘度和低密度開始，所用材料有增粘劑(CMC)、分散劑、乳化劑、膨潤土、重晶石、穩(wěn)定劑、原油等。泥漿的攪動(dòng)采用NS－1VM 電動(dòng)攪拌器，粘度測(cè)量采用MN 型馬氏漏斗式粘度計(jì)，密度測(cè)量用NB－1 型泥漿比重計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 檢測(cè)值與鉆井液中烴類氣體真實(shí)含量的相關(guān)性

鉆井液的密度、粘度以及鉆井液中烴類氣體的多少都會(huì)對(duì)膜分離器的分離效果產(chǎn)生一定的影響。在實(shí)驗(yàn)中采用水基鉆井液，循環(huán)壓力為0.6 MPa，溫度為26 ℃。若鉆井液經(jīng)膜分離器分離出來的烴類氣體的檢測(cè)凈值用g 表示(檢測(cè)凈值為鉆井液注入氣樣后的檢測(cè)值與未加入氣樣時(shí)的檢測(cè)值之差)、鉆井液中加入的真實(shí)烴類氣體的含量用β 表示、密度用ρ 表示、粘度用η 表示，在鉆井液密度ρ 為1.15 g/cm3、粘度η 為70 s 時(shí)，通過注入氣樣，改變鉆井液中烴類氣體的真實(shí)含量β，進(jìn)而對(duì)膜分離出來的烴類氣體進(jìn)行檢測(cè)，得到他們之間的關(guān)系如圖4 所示。其擬合的曲線方程為:

從圖4 中可以看出隨著鉆井液烴類氣體含量增大，檢測(cè)凈值也隨之增大，且相關(guān)性很好，但不是線性關(guān)系，這與膜氣液分離的實(shí)際情況一致。對(duì)于其他密度、粘度下的實(shí)驗(yàn)，也得到類似的關(guān)系。

4.2 檢測(cè)值與鉆井液粘度的相關(guān)性

根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泥漿參數(shù)的具體要求，在鉆井液密度ρ為1.15 g/cm3、含氣量β 為3.57%時(shí)，改變鉆井液的粘度η，進(jìn)而對(duì)膜分離出來的烴類氣體進(jìn)行檢測(cè)，得到他們之間的關(guān)系如圖5 所示。其擬合的曲線方程為:

從圖5 中可以看出鉆井液粘度對(duì)檢測(cè)凈值g 有影響，在粘度η 小于70 s 時(shí)，檢測(cè)凈值隨粘度變化而增大，高于70 s 后，系統(tǒng)的檢測(cè)凈值隨粘度變化而明顯減小。這說明泥漿的粘度在高于某一值后，影響了PDMS 半滲透膜對(duì)烴類氣體分子的吸附作用，使膜分離油氣的效果降低。在其他密度、含氣量參數(shù)下實(shí)驗(yàn)，也得到類似的關(guān)系。

4.3 檢測(cè)值與鉆井液密度的相關(guān)性

從鉆井現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泥漿參數(shù)的要求出發(fā)，在密度為1.15 g/cm3、1.25 g/cm3時(shí)，對(duì)鉆井液的檢測(cè)凈值隨含氣量和粘度的變化關(guān)系分別進(jìn)行比較，如圖6、圖7 所示;

從圖6、圖7 可以看出不同密度的兩條測(cè)試曲線基本上都是重合的，說明在鉆井液含氣濃度、粘度變化時(shí)，密度對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)凈值基本上沒有影響，可以忽略鉆井液的密度對(duì)檢測(cè)值的影響。對(duì)于其他相應(yīng)參數(shù)下實(shí)驗(yàn)，也得到類似的關(guān)系。

5.4 反演鉆井液中烴類氣體的含量

通過對(duì)鉆井液中檢測(cè)凈值影響因素的分析和比較，鉆井液含氣濃度β 對(duì)檢測(cè)凈值g 影響較大，鉆井液的粘度η對(duì)檢測(cè)凈值g 也有一定的影響，密度ρ 對(duì)鉆井液檢測(cè)凈值影響較小，這樣在忽略密度的情況下，構(gòu)建鉆井液檢測(cè)凈值與含氣濃度和粘度之間的數(shù)學(xué)模型，即

在鉆井過程中，某一個(gè)階段所用鉆井液的粘度、密度等都是已知的，只要對(duì)膜分離出來的氣體檢測(cè)出g 值，就可以利用此模型，反演出鉆井液中真實(shí)烴類氣體的濃度，及時(shí)了解地下油氣層的情況。我們對(duì)所有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行多元非線性擬合，如圖8 所示。得到鉆井液中烴類氣體的濃度為:

對(duì)該模型反復(fù)驗(yàn)證后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)鉆井液含氣濃度較小和較大時(shí)誤差稍大，最大絕對(duì)誤差為0.77%，對(duì)中間試驗(yàn)點(diǎn)穩(wěn)合較好，能夠滿足鉆井工程的要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，利用膜分離技術(shù)制作了鉆井液油氣分離器，對(duì)不同密度、粘度及含氣濃度的水基鉆井液進(jìn)行了分離烴類氣體的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，其全烴檢測(cè)凈值與鉆井液中真實(shí)氣體的含量有很好的相關(guān)性，能夠通過檢測(cè)全烴凈值來反映鉆井液中的含氣濃度;鉆井液密度對(duì)檢測(cè)凈值影響很小，可以忽略其對(duì)膜分離效果的影響，鉆井液粘度對(duì)膜分離效果有影響，粘度高于70 s 后，檢測(cè)凈值隨粘度變化而明顯減少，膜分離效果降低?？紤]這些因素后，建立數(shù)學(xué)模型，反演得到鉆井液中烴類氣體的真實(shí)濃度，這對(duì)鉆井過程中及時(shí)得到地下油氣層的數(shù)據(jù)信息、保證鉆井安全具有一定的指導(dǎo)意義。

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