李開榮 陳俊男 宋金鑫 杜 曉

(中國石油西部鉆探吐哈錄井工程公司)

0 引 言

目前錄井作業(yè)現場基本采用傳統(tǒng)人工操作的機械脫氣器，受出口緩沖罐鉆井液頻繁波動及人工操作存在差異的影響，導致氣體采集連續(xù)性和準確度存在一定誤差，從而影響油氣顯示的發(fā)現，其AC 380 V供電模式在現場易燃易爆環(huán)境下也存在一定的安全風險。通過改變傳統(tǒng)脫氣器供電方式和結構設計，基于自動化控制、磁性感應技術和阿基米德浮力原理設計出一款安全防堵自適應液位電動脫氣器[1-9]，實現了自動感應鉆井液液面位置，降低了勞動強度，可滿足氣體快速、準確采集和分析的要求。

1 現狀分析

目前國內外采用的傳統(tǒng)機械式電動脫氣器，主要存在依靠人工判斷液位、定點脫氣方式、脫氣設備結構、供電模式4方面的局限[10-12]。

1.1 人工判斷液位局限

傳統(tǒng)脫氣器完全依靠人工進行液位變化判斷和脫氣器高低的調節(jié)。判斷鉆井液液位的方法分為兩種：一是通過出口流量數值變化判斷液位的高度變化；二是通過氣測值突降或樣品泵運行壓力變化來判斷液位的變化。易導致出口鉆井液液位變化的工況有：鉆遇油氣水層、測后效氣、循環(huán)活動鉆具、變排量、調整鉆井液密度、調整振動篩、井漏、溢流等。影響準確判斷脫氣器集氣筒最佳吃水深度(脫氣器有效脫氣液位)的因素有兩種：一是微氣泡鉆井液或鉆井液受其他因素影響產生氣泡，人工肉眼無法準確判斷真實液位；二是夜晚照明不佳或冬季霧氣大的環(huán)境造成的人工判別誤差。在錄井現場，若調節(jié)集氣筒吃水深度不及時，液位過高會導致淹沒脫氣器集氣筒及電機，易造成電機無法散熱而燒壞、鉆井液進入集氣倉甚至氣路管線等后果；而液位低于有效脫氣范圍則可能造成脫氣失敗，地層氣體漏失。同時，錄井作業(yè)人員頻繁上下緩沖罐調節(jié)脫氣器，還存在一定的安全風險。

1.2 定點脫氣方式局限

為判斷鉆井液液位的變化，需要人工爬到緩沖罐上觀察液位，再手動轉動脫氣器絲杠調節(jié)高低，使集氣筒達到有效脫氣范圍，人工停止操作后脫氣器位置處于定點狀態(tài)。理想中最佳脫氣位置是集氣筒三分之一處淹入鉆井液，而錄井現場緩沖罐鉆井液受工況和其他因素影響，一直處于波動狀態(tài)。因此無論緩沖罐液位波動大與小，都會對油氣顯示發(fā)現造成不同程度的影響。

1.3 脫氣設備結構局限

脫氣器最關鍵部位是集氣筒，而傳統(tǒng)脫氣器集氣筒底部和集氣倉隔板都設計成平面型，使用和維護保養(yǎng)存在局限性。在使用中，因集氣筒吸入大塊巖屑或異物，卡住攪拌棒，導致脫氣器電機損壞進而失去脫氣動力；而當鉆井液飛濺或液面沒過集氣筒集氣隔倉時，易形成泥餅，堵住集氣倉，導致氣路不暢，采氣失敗。

1.4 供電模式局限

傳統(tǒng)脫氣器采用三相三線制AC 380 V異步電機，在運行過程中，從錄井儀器房直接將AC 380 V電供給脫氣器電機，當電壓、電流、頻率不穩(wěn)定時容易造成脫氣器電機燒壞，而且異步電機轉速隨電壓波動而變化，使脫氣器脫氣效率不穩(wěn)定。該供電模式相對簡單，存在漏電、短路、過載不跳閘等隱患，對使用人員存在一定的觸電風險。

2 自適應液位電動脫氣器主體結構及功能

2.1 總體方案

安全防堵自適應液位電動脫氣器由設備主體、供電單元、液位檢測單元、執(zhí)行單元、中央控制單元和進樣脫氣單元組成。其執(zhí)行單元的一部分和中央控制單元固定安裝在防爆機箱內部，配套有室內開關電源配置箱和相關參數配置PC程序。使用前，可根據需求鏈接計算機設置相關配置參數，也可在脫氣器出現故障時鏈接計算機進行故障檢測和修復。在供電單元正常供電情況下，將液位檢測單元檢測的液位信號，通過中央控制單元計算處理，由命令執(zhí)行單元帶動進樣脫氣單元完成相應的移動，在移動過程中受預設行程限位而停止，從而實現進樣脫氣單元始終保持在最佳位置(脫氣器與鉆井液液位形成固定位置)進行進樣脫氣。

2.2 主體結構

為適應現場不同型號緩沖罐，設計了塔式(圖1)和桿式(圖2)安全防堵自適應液位電動脫氣器，塔式和桿式除外形和安裝方式不同外，其余部分完全相同。塔式主要安裝應用于中小型緩沖罐，可調范圍為0～1 000 mm，能適應大部分鉆井型號的緩沖罐；桿式主要安裝應用于較大型緩沖罐和入口循環(huán)罐，可調范圍為0～1 500 mm，可滿足差分色譜[13]入口循環(huán)罐安裝使用的技術標準(差分色譜：通過在鉆井液出口和入口分別安裝脫氣器，采用雙色譜同時采集氣測數據，扣背景值并求出地層氣真實含量)。

圖1 塔式脫氣器主體結構

圖2 桿式脫氣器主體結構

2.3 供電單元

脫氣器供電單元按國際持續(xù)接觸安全用電要求設計，采用DC 24 V直流無刷防爆脫氣電機，自動化控制單元供電電壓同樣為DC 24 V，因此供電電壓總體設計為DC 24 V。將AC 220 V電源變換為DC 24 V安全電壓，經過集成保護電路和驅動電路，供給電機和自動控制單元。室內開關電源功率選型為30 A,其中電機額定功率設計為300 W，自動控制單元額定功率設計為150 W。

2.4 液位檢測單元

通過現場觀察緩沖罐液位變化情況，結合脫氣器的外部結構，在集氣筒外部設計一只浮球接觸液面，在浮球桿上端40 cm處設計一只三防磁性感應器(該感應器利用阿基米德浮力原理與磁性技術研制)[14]，浮球隨液位的變化帶動連接桿，使磁性感應器磁場變化，產生相應的電阻變化并傳輸給中央控制單元處理。

2.5 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元主要包括動力部分和行程控制部分。

動力部分：由步進電機、絲杠螺母、豎直錐齒輪、水平錐齒輪和絲杠等部件組成，構成動力傳動結構，執(zhí)行由中央控制單元所發(fā)出指令，帶動脫氣器集氣筒向上或向下移動。

行程控制部分(圖3)：為防止脫氣器與緩沖罐發(fā)生機械觸碰，并滿足各種不同的緩沖罐安裝使用，確保脫氣器自動化運轉，在絲杠的上端和下端分別設置一只可以移動的感應磁片，機箱內部頂端和底端各設置一個磁性感應點[14]。絲杠向上移動過程中，上限磁性感應片在靠近機箱時，使機箱內部底端磁性感應點受到磁性片感應時，停止絲杠向上移動，其向下移動不受影響；反之亦然。

圖3 行程控制示意圖

2.6 中央控制單元

中央控制單元主要由單片機、內植程序、步進電機驅動電路、無刷電機控制和保護部件組成，集成在小型電路板上。其功能為：接收三防磁性感應器和上限、下限行程控制器傳來的模擬信號，通過單片機內部固化程序進行計算后，由晶振產生不同頻率的脈沖信號，經步進電機驅動器轉換為角位移，驅動步進電機做不同方向和不同速度的運動。同時對無刷直流防爆電機起到穩(wěn)壓、穩(wěn)流、短路、過載保護功能，避免脫氣電機在運行過程中因電壓、電流不穩(wěn)定和過載短路造成損壞，提高脫氣電機的使用壽命和安全性。

2.7 進樣脫氣單元

該脫氣器進樣脫氣單元主要由錐形集氣筒(圖4)和分體式攪拌器組成。

圖4 錐形集氣筒結構設計

錐形集氣筒根據斜面滑落力學原理設計而成。將脫氣器底部設計成錐形，當有大塊巖屑被吸入集氣筒時，大塊巖屑會沿集氣筒底部錐形壁自動滑落，解決了大塊巖屑卡住脫氣器攪拌棒的問題。將脫氣器集氣筒的集氣隔板設計成雙層錐形隔板，以防止鉆井液飛濺或漫過隔板進入集氣倉，當液位低于隔板時，鉆井液會自動流出隔板，不會滯留在隔板上形成泥餅堵住集氣空間。根據斜面滑落公式計算得出，集氣筒錐形底部和錐形隔板與水平面夾角為45°最佳。分體式攪拌器采用304不銹鋼材質，能防止鉆井液中化學藥品的腐蝕，使用中拆開不銹鋼螺桿，攪拌器與電機連接處可分為兩半，解決了傳統(tǒng)脫氣器攪拌棒被鉆井液腐蝕后生銹，無法拆卸保養(yǎng)等問題。

進樣脫氣單元工作原理：脫氣器最佳脫氣位置是鉆井液淹沒集氣筒由下而上三分之一處，當脫氣器電機轉動時，帶動攪拌器順時針轉動，攪拌器帶動進入集氣筒的鉆井液旋轉，形成錐形面，擴大鉆井液在集氣筒內部的表面積，從而使鉆井液中的氣泡更好地從鉆井液中脫離并上升至集氣倉。當鉆井液跟隨攪拌器轉動時，產生吸力，將集氣筒外部的鉆井液連續(xù)吸入集氣筒進行脫氣，脫氣后的鉆井液隨吸入鉆井液體積增加從集氣筒鉆井液出口處自動排出。而隨鉆井液進入的大塊巖屑或異物，受到重力的作用，沿錐形底部自動滑落而脫離集氣筒。

3 現場試驗

3.1 W 1501井

W 1501井進入西山窯組地層后發(fā)生間斷性井漏，液面不穩(wěn)定。井段3 220～3 415 m采用的是傳統(tǒng)機械式電動脫氣器采集氣測數據，由于傳統(tǒng)脫氣器依靠人工調節(jié)，不能實時跟蹤，采集氣測數據忽高忽低，不連續(xù)；井段3 415～3 510 m更換為自適應液位電動脫氣器后，采集氣測數據平滑連續(xù)，恢復正常(圖5)。

3.2 W 256井

在W 256井同時安裝傳統(tǒng)機械式電動脫氣器和自適應液位電動脫氣器，利用雙色譜同時采集氣測數據。圖6中紅色為自適應液位電動脫氣器采集的氣測數據，藍色是傳統(tǒng)脫氣器采集氣測數據。兩種脫氣器曲線形態(tài)一致，但自適應液位電動脫氣器采集氣測數據(紅色的曲線)高于傳統(tǒng)脫氣器采集氣測數據(藍色曲線)，表明自適應液位電動脫氣器符合錄井行業(yè)標準規(guī)范，且脫氣效率高于傳統(tǒng)脫氣器。

圖5 W 1501井傳統(tǒng)脫氣器與新型脫氣器井漏時采集數據

圖6 W 256井兩款脫氣器同步采集氣測數據對比

4 推廣應用效果

自適應液位電動脫氣器研發(fā)成功后，分別在塔里木、吐哈、蘇里格等油氣田應用137口井，累計采集資料近十萬米，連續(xù)運轉五萬多小時(表1、圖7)?，F場應用表明，該脫氣器采集資料的連續(xù)性、準確率均達100%，其性能得到了肯定。

該脫氣器整體設計具有創(chuàng)新性，安裝運移簡潔方便，其自動化程度和安全性能高，脫氣效率符合行業(yè)標準，尤其是解決了施工現場安全電壓作業(yè)和液位不穩(wěn)定情況下連續(xù)脫氣的難題，自動化運轉不僅消除了人工誤差，還降低了錄井作業(yè)的勞動強度，獲得了油田建設方和錄井現場人員的高度認可，具有較好的推廣應用前景。

表1 安全防堵自適應液位電動脫氣器運轉記錄

圖7 現場安裝使用

5 結 論

自適應液位電動脫氣器的成功研制與應用，解決了錄井現場技術難題，改變了傳統(tǒng)脫氣器采集資料方式的局限性，降低了人工勞動強度，消除了安全隱患，提高了氣測錄井資料的穩(wěn)定性、準確性和連續(xù)性。