李鐵軍 鄭周俊 崔子棋

(①上海神開石油科技有限公司；②美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)電氣工程系)

0 引 言

頁巖氣勘探是目前非常規(guī)油氣開發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)的頁巖氣區(qū)塊多采用在同一井場(chǎng)兩口井同時(shí)鉆探的雙井作業(yè)模式[1]。這種開發(fā)模式下，利用一臺(tái)錄井儀對(duì)兩口作業(yè)井同時(shí)開展氣測(cè)錄井服務(wù)，可以提高錄井效率，同時(shí)降低錄井成本[2-3]。在開展雙井錄井服務(wù)的過程中，錄井儀器房通常會(huì)按井場(chǎng)作業(yè)規(guī)范放置在一口井的錄井位置[4-5]。這時(shí)若采用常規(guī)的氣測(cè)分析儀對(duì)另一口井進(jìn)行氣測(cè)錄井，會(huì)遇到井場(chǎng)兩口井物理分隔的問題：從遠(yuǎn)端井口脫氣器到錄井儀器房的樣品氣管線受限于現(xiàn)場(chǎng)條件架設(shè)難度極大，樣品氣管線按照作業(yè)規(guī)范需布設(shè)百米以上，造成非常長(zhǎng)的管線延遲，影響錄井氣測(cè)的時(shí)效性。如能對(duì)氣測(cè)分析儀進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，使其不依托于錄井儀器房獨(dú)立在危險(xiǎn)區(qū)域工作，就可以將其就近設(shè)置于近井筒的振動(dòng)篩附近，解決雙井錄井過程中的樣品氣管線架設(shè)難度大和氣路管線延時(shí)長(zhǎng)的問題[6-8]。為此提出井口色譜儀的設(shè)計(jì)理念，通過防爆設(shè)計(jì)使氣測(cè)分析儀可以在危險(xiǎn)區(qū)域獨(dú)立運(yùn)行，從而將氣測(cè)點(diǎn)前移至近井筒的振動(dòng)篩處，解決樣品氣管線架設(shè)困難和樣品氣管線延遲長(zhǎng)的問題[9]。

1 井口色譜儀設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

井口色譜儀的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，分為正壓防爆設(shè)計(jì)和色譜儀設(shè)計(jì)兩部分。通過對(duì)正壓防爆的電氣控制設(shè)計(jì)，使其能夠在危險(xiǎn)區(qū)域獨(dú)立運(yùn)行；對(duì)色譜儀的檢測(cè)器、色譜柱優(yōu)化，以及氣體流路設(shè)計(jì)，使之能夠在60 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)C1-nC5氣體組分分離和檢測(cè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)儀器的小型化和模塊化。

圖1 井口色譜儀設(shè)計(jì)框圖

1.2 正壓防爆設(shè)計(jì)

井口色譜儀須在近井筒的振動(dòng)篩附近工作，從而降低氣樣管線的布設(shè)難度和樣品氣傳輸?shù)墓芫€延遲。因此，需要對(duì)井口色譜儀整體采用防爆設(shè)計(jì)，使之能夠不依托于錄井儀器房獨(dú)立運(yùn)行。通常儀器在錄井現(xiàn)場(chǎng)會(huì)采用隔爆、本安、正壓防爆等方式實(shí)現(xiàn)在危險(xiǎn)環(huán)境下的正常運(yùn)行。儀器整體隔爆會(huì)額外增加儀器的重量，而本安防爆使色譜儀器的電路設(shè)計(jì)難度過大。因此，綜合考慮儀器現(xiàn)場(chǎng)安裝的便利性和防爆方案的可行性，井口色譜儀采用正壓防爆的設(shè)計(jì)形式。

如圖2所示，井口色譜儀采用隔爆控制單元和正壓工作單元的分體式設(shè)計(jì)，通過防爆快速接插件連接，方便現(xiàn)場(chǎng)拆裝和維護(hù)。類似于錄井儀器房的正壓防爆控制邏輯，隔爆控制單元使用隔爆箱體整體隔爆，內(nèi)置PLC控制元件，有正壓工作模式和旁路工作模式兩種工作方式供選擇。在正壓工作模式下，隔爆控制單元經(jīng)一次得電后對(duì)吹掃氣壓力和吹掃時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)要求后，隔爆控制單元為正壓工作單元提供二次電源，并在線監(jiān)控正壓工作參數(shù)。當(dāng)在旁路工作模式下，正壓工作單元不經(jīng)吹掃即可得電工作，可用于檢修和調(diào)試。

圖2 井口色譜儀實(shí)物照片

1.3 檢測(cè)器設(shè)計(jì)

目前通用的色譜氣測(cè)儀多采用氫火焰離子檢測(cè)器(FID)，它具有檢測(cè)靈敏度高，測(cè)量量程范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。但是，因?yàn)镕ID需要?dú)錃獍l(fā)生器來提供穩(wěn)定的氫氣作為氣源，所以很難滿足井口色譜儀的防爆設(shè)計(jì)要求。安捷倫490色譜儀所采用的熱導(dǎo)檢測(cè)器則是另一種常用色譜檢出物分析方法，基于熱導(dǎo)檢測(cè)器的特性，它對(duì)不同氣體組分的導(dǎo)熱系數(shù)變化都有比較靈敏的響應(yīng)，不但能檢測(cè)天然氣等烴類組分，還能檢測(cè)氮?dú)?、水等非烴組分。在氣測(cè)錄井的使用過程中，當(dāng)色譜柱柱效下降，或者樣品氣干燥不徹底時(shí)，樣品氣中的氮?dú)夂退纳V峰極易對(duì)鄰近的甲烷和丙烷的檢測(cè)形成干擾，影響氣測(cè)的準(zhǔn)確性。此外，熱導(dǎo)檢測(cè)多采用氦氣或氫氣作為載氣，現(xiàn)場(chǎng)一般配備高壓鋼瓶作為氣源，會(huì)增加額外的費(fèi)用支出。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可操作性，井口色譜儀選擇催化燃燒檢測(cè)器來對(duì)樣品氣中的天然氣組分進(jìn)行測(cè)量，僅需要壓縮空氣作為載氣即可。表1是 FID、熱導(dǎo)、催化燃燒這3種檢測(cè)器的性能和技術(shù)參數(shù)對(duì)照表。

表1 FID、熱導(dǎo)、催化燃燒檢測(cè)器技術(shù)參數(shù)比較

如表1所示，催化燃燒檢測(cè)器的檢測(cè)靈敏度略低于FID和熱導(dǎo)檢測(cè)器，但能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)氣測(cè)的需要。而且，催化燃燒檢測(cè)器所需的輔助設(shè)備較少，僅需要空氣壓縮機(jī)即可。在滿足現(xiàn)場(chǎng)防爆的同時(shí)，更便于維護(hù)和降低儀器運(yùn)行成本。為解決催化燃燒檢測(cè)器在檢測(cè)高濃度樣品時(shí)易發(fā)生的測(cè)量信號(hào)飽和的問題，井口色譜儀采用了樣品氣組分高、低濃度自動(dòng)切換的氣路設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)催化燃燒檢測(cè)器1×10-5～1的全量程范圍的快速響應(yīng)和測(cè)量。

1.4 色譜柱設(shè)計(jì)

井口色譜儀采用壓縮空氣作為載氣，相較于氫焰色譜儀的氫氣載氣，其在相同條件下的載氣流速較低，僅為氫氣的1/3到1/2。為確保能夠在60 s內(nèi)完成對(duì)樣品氣中C1-nC57個(gè)組分的有效分離，井口色譜儀采用了雙色譜柱的氣路設(shè)計(jì)。2套獨(dú)立的色譜柱都具有預(yù)切柱和主柱，能夠?qū)悠窔庵械闹責(zé)N組分進(jìn)行反吹，避免其進(jìn)入主柱對(duì)下一個(gè)色譜分析周期的組分出峰造成影響，并延長(zhǎng)主柱壽命。其中一套色譜柱專門用于分離C1、C2和C33個(gè)組分，另一套色譜柱則用于分離iC4、nC4、iC5、nC54個(gè)烴組分。針對(duì)天然氣組分和催化燃燒檢測(cè)器的特性，色譜柱擔(dān)體和固定液也做了進(jìn)一步的優(yōu)化。

1.5 氣體流路設(shè)計(jì)

為配合催化燃燒檢測(cè)器和雙色譜柱的設(shè)計(jì)思路，并且盡可能地降低儀器整體的體積和重量，井口色譜儀采用了微流路控制的閥島流路分配設(shè)計(jì)，替代常用的色譜十通閥流路分配模式。

如圖3所示，色譜儀的氣路模塊采用了雙閥島/雙色譜柱的設(shè)計(jì)思路。一個(gè)閥島對(duì)應(yīng)一套色譜柱，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)十通閥流路分配的功能。整個(gè)氣路模塊結(jié)構(gòu)緊湊，流路控制閥島、色譜柱、檢測(cè)器均被壓縮在不到20 cm空間內(nèi)。傳統(tǒng)的機(jī)械式穩(wěn)壓閥的控壓壓力會(huì)受到環(huán)境溫度的波動(dòng)而改變，不能滿足露天場(chǎng)合的井口色譜儀的工作需要。所以井口色譜儀選用電子壓力控制器(EPC)對(duì)各流路的壓力進(jìn)行穩(wěn)壓控制，可以實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境溫度下的流路壓力的精確控制，確保檢測(cè)器基線和色譜保留時(shí)間的穩(wěn)定，圖4為EPC控壓的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果[10]。

圖3 色譜氣路模塊示意

圖4 EPC長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試

1.6 氣體流路分析

圖5是整個(gè)氣路模塊的流路分析示意圖。與圖3的氣路模塊相對(duì)應(yīng)，每個(gè)閥島均安裝了6個(gè)二位三通電磁閥。每個(gè)閥島上部的5個(gè)電磁閥為1組，可以實(shí)現(xiàn)十通閥的流路分配切換功能；2個(gè)閥島最下部的電磁閥為1組，實(shí)現(xiàn)樣品氣高低濃度切換，解決催化燃燒檢測(cè)器高濃度飽和的問題。每個(gè)電磁閥組各自獨(dú)立供電，控制氣路切換：電磁閥組通電時(shí)電磁閥的#1口與#3a口和#3b口連通，#2口關(guān)閉；電磁閥組斷電時(shí)電磁閥的#1口與#2口連通，#3口關(guān)閉。如圖5所示，閥島1和閥島2的樣品氣流路成串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保兩套色譜流路在同一周期內(nèi)測(cè)量的是同一點(diǎn)的樣品氣的組分。

圖5 井口色譜儀氣體流路示意(反吹狀態(tài))

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 測(cè)試方法

研制的井口色譜儀樣機(jī)在四川威遠(yuǎn)Wxx井開展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。圖6為頁巖氣雙井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布局示意圖。井口色譜儀設(shè)置在遠(yuǎn)離錄井儀的遠(yuǎn)端井的振動(dòng)篩下，開展近井筒氣測(cè)分析。為進(jìn)行與常規(guī)氣測(cè)儀的對(duì)比測(cè)試，在井2位置又設(shè)置了一臺(tái)錄井儀，與井口色譜儀開展并測(cè)。

圖6 井口色譜儀現(xiàn)場(chǎng)布局及照片

2.2 總烴氣測(cè)結(jié)果

圖7是井口色譜儀和常規(guī)色譜儀的氣測(cè)總烴測(cè)試結(jié)果對(duì)比，其中紅色總烴曲線代表井口色譜儀的氣測(cè)結(jié)果值Tg(C)，黑色總烴曲線代表常規(guī)色譜儀的氣測(cè)總烴結(jié)果值Tg。如圖7所示，井口色譜儀與常規(guī)色譜儀的總烴氣測(cè)曲線的形狀和趨勢(shì)都保持一致，具有良好的可比性。

圖7 井口色譜儀Tg(C)和常規(guī)色譜儀Tg的氣測(cè)結(jié)果對(duì)比

2.3 甲烷氣測(cè)結(jié)果

圖8是井口色譜儀和常規(guī)色譜儀的甲烷氣測(cè)值的測(cè)試結(jié)果。紅色曲線代表井口色譜儀的甲烷氣測(cè)值C1(C)，黑色曲線代表常規(guī)色譜儀的甲烷氣測(cè)值C1，兩者的曲線形狀和大小也基本保持一致。與總烴的氣測(cè)值比較，甲烷曲線的形狀和大小與總烴曲線基本吻合，說明此井以頁巖氣甲烷為主要成分?？紤]到井口色譜儀和常規(guī)色譜儀采用兩套脫氣系統(tǒng)開展并測(cè)，其脫氣量和脫氣效率存在一定差異，也發(fā)現(xiàn)兩者的氣測(cè)顯示結(jié)果在4 850～5 050 m井段有一定的偏差。根據(jù)井口色譜儀和常規(guī)色譜儀的總烴和甲烷氣測(cè)值的比較，可以看出井口色譜儀和常規(guī)氣測(cè)儀的氣測(cè)結(jié)果基本一致，

圖8 井口色譜儀C1(C)和常規(guī)色譜儀C1的氣測(cè)結(jié)果對(duì)比

可以替代常規(guī)的氣測(cè)分析儀，作為近井筒的氣測(cè)分析儀，在線分析鉆井液氣測(cè)顯示。

3 結(jié) 論

井口色譜儀通過正壓防爆設(shè)計(jì)，可以不依托于錄井現(xiàn)場(chǎng)的儀器房獨(dú)立運(yùn)行在近井筒的振動(dòng)篩附近，解決頁巖氣雙井作業(yè)過程中樣品氣管線架設(shè)困難和管線延時(shí)長(zhǎng)等問題。通過氣路和電氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及儀器的模塊化設(shè)計(jì)，提高了儀器的集成化程度，更方便現(xiàn)場(chǎng)的拆裝和維護(hù)。儀器采用催化燃燒傳感器替代常規(guī)氫焰色譜儀的FID檢測(cè)器，可以減少額外的輔助設(shè)備；與熱導(dǎo)檢測(cè)相比，催化燃燒不受樣品氣中氮?dú)夂退值挠绊?，更適用于錄井現(xiàn)場(chǎng)。通過與常規(guī)氣測(cè)分析儀的現(xiàn)場(chǎng)使用對(duì)比結(jié)果表明，儀器能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)氣測(cè)錄井的需要，進(jìn)一步拓展色譜氣測(cè)儀在現(xiàn)場(chǎng)的使用范圍和方法。