鮑忠利,于會媛,支宏旭,宋禹澎,李京山,白曉煜

(中海油田服務股份有限公司油田技術研究院,河北三河065201)

0 引 言

2001年探路者能源服務公司開發(fā)了首支隨鉆地層測試器(Drilling Formation Tester,DFT)。隨后哈里伯頓、貝克休斯和斯倫貝謝等公司在2002—2003年相繼推出隨鉆地層測試器,此時,上述4家公司的隨鉆地層測試器只能測量動態(tài)地層壓力數(shù)據(jù),不具備隨鉆流體取樣和分析能力[1-2]。2009年哈里伯頓公司推出首支隨鉆地層流體識別和取樣工具(Fluid Identification and Sampling Sensor,GeoTapIDS)。2010年貝克休斯公司研發(fā)了隨鉆流體分析與取樣工具(Formation Fluid and Analysis Tool,FAS)。2017年斯倫貝謝公司將隨鉆流體測繪服務投入商業(yè)應用[1-3]。2019年中海油田服務股份有限公司自主研發(fā)的隨鉆地層壓力測試儀(Instant Formation Pressure Tester,IFPT)開始在渤海投入商業(yè)應用;2021年隨鉆地層取樣儀(Instant Formation Sampling Analysis,IFSA)井下實鉆測試成功。該文介紹的隨鉆地層測試泵抽系統(tǒng)是隨鉆地層取樣儀IFSA的重要組成部分。

1 隨鉆地層測試泵抽系統(tǒng)原理和基本結構

隨鉆地層測試泵抽系統(tǒng)(簡稱泵抽系統(tǒng))的主要功能是從地層中連續(xù)抽出地層流體(包括液體和氣體,簡稱樣品),并把抽取的樣品連續(xù)排出。因此,泵抽系統(tǒng)需同時具有泵抽、泵排功能。泵抽系統(tǒng)采用雙向往復缸作為執(zhí)行機構,使用液壓閥控制缸內的活塞運動,并以液控閥切換泵抽、泵排功能,整體上泵抽系統(tǒng)屬于液壓控制系統(tǒng)。雙向往復缸可認為是將增壓缸的2個活塞變?yōu)榈戎睆交钊?。如圖1所示,缸內由活塞桿連接2個活塞,實現(xiàn)2個活塞聯(lián)動,聯(lián)動活塞將缸體分隔成A、B、C、D這4個腔。B、C腔為抽吸、排出樣品的工作腔,A、D腔為液壓油腔。當A腔體充入液壓油時,聯(lián)動活塞右移,B腔體積減小,樣品由2號口排出(泵排),同時C腔體積增大,樣品由3號口吸入(泵抽);同理D腔充入液壓油時C腔泵排,B腔泵抽。以此實現(xiàn)同時泵抽和泵排功能[3]。

圖1 雙向往復缸結構示意圖

實際的泵抽系統(tǒng)除雙向往復缸外還包含多種液壓閥和傳感器。如圖2所示,1號、2號電磁閥控制雙向往復缸活塞運動方向,1號、2號壓力傳感器分別監(jiān)測A、D油腔的壓力,1號、2號梭閥保障A、D油腔回油暢通。a、b、c、d,e為5個液控閥,液控閥a、b一端連接B腔2號口,液控閥a另一端連接樣品進口管路,液控閥b另一端連接樣品出口管路;同樣液控閥c、d分別控制C腔進、出口管路。根據(jù)聯(lián)動活塞的移動方向,配合a、b、c、d這4個液控閥的開閉,即可實現(xiàn)連續(xù)泵抽、泵排,3號、4號電磁閥控制這4個液控閥。e閥是樣品進口控制閥,在泵抽系統(tǒng)前端控制樣品進口的開閉,由5號電磁閥控制。

圖2 泵抽系統(tǒng)液壓原理圖

2 泵抽系統(tǒng)設計難點

設計隨鉆地層取樣儀時,將泵抽系統(tǒng)作為獨立模塊,以嵌入方式固定于鉆鋌外表上。要求泵抽模塊盡量小,以保證鉆鋌強度。由于泵抽系統(tǒng)包含多種閥和傳感器,結構十分復雜,如何將復雜結構集成為一個空間有限的外部安裝模塊,是主要設計難點。另外,泵抽系統(tǒng)涉及大量電氣線路、液壓油路和樣品管路,如何協(xié)調這3種通路,保障系統(tǒng)的可靠性和易用性是另一設計難點。

2.1 模塊化結構設計

模塊劃分是模塊化設計的關鍵。通常以功能或結構特點為依據(jù),將系統(tǒng)進一步劃分為多個子模塊,各子模塊相對獨立,把復雜問題分解[4-5]。泵抽系統(tǒng)以結構特點為模塊劃分標準將系統(tǒng)分為3個子模塊:雙向往復缸模塊、液控模塊和控制閥座模塊,模塊間以電氣線路、液壓油路和樣品管路連接。各模塊包含的主要零部件:①雙向往復缸模塊包括雙向活塞、往復缸缸體、1個位移傳感器;②液控模塊包括5個液控閥;③控制閥座模塊包括往復缸控制閥座(包含2個電磁閥和2個梭閥)、液控閥控制閥座(包含3個電磁閥)、2個壓力傳感器。

泵抽系統(tǒng)涉及電氣線路、液壓油路和樣品管路3類通路。如何排列子模塊是優(yōu)化通路設計的關鍵。從圖3可見,每個子模塊均涉及至少2類通路,兩兩模塊間至少有一類通路相連。由于3個子模塊需在鉆鋌上軸向排列,位于中間的子模塊必須有足夠的空間令通路穿過。經過嘗試和優(yōu)化,確定雙向往復缸模塊居中,液壓油路穿過雙向往復缸模塊(見圖4)。模塊劃分的結果是控制閥座模塊包含全部電氣和液壓元件,不接觸樣品,液控模塊則不含電氣元件?？刂崎y座模塊和液控模塊分置系統(tǒng)兩端,電氣線路遠離樣品管路,便于泵抽系統(tǒng)測試和維修保養(yǎng)。

圖3 模塊連接示意圖

圖4 模塊排列模型圖

2.2 回油池設計

液壓控制閥座含有5個電磁閥、2個梭閥和2個壓力傳感器,這些元件均需接通回油油路。回油池設計是將回油管路放大為工作池,所有元件浸泡在油池座中,在閥座任意方向打孔,將元件接通回油。

如圖5所示,控制閥座模塊中,往復缸控制閥座、液控閥控制閥座、2個傳感器浸泡在回油池內。如圖6所示,往復缸控制閥座中,電磁閥和梭閥的回油油路容易實現(xiàn),閥座結構簡潔,管路清晰。

圖5 控制閥座模塊

圖6 往復缸控制閥座

2.3 復雜管路設計

復雜管路設計需兼顧鉆孔加工工藝,通常需要反復嘗試,先找到解決方案,再基于此方案,不斷局部改進或整體優(yōu)化。設計時應遵循:①平行設計深孔,可實現(xiàn)一次裝卡完成全部深孔加工,定位準確;②深孔間距盡量拉大,避免短孔加工時相互干涉;③短孔加工應盡量平直,避免斜孔,便于加工和圖紙表達。圖7為液控模塊,其管路設計遵循上述原則。

圖7 液控模塊

3 結 論

(1)設計了隨鉆地層測試泵抽系統(tǒng),并實現(xiàn)了地層樣品同時泵抽、泵排功能。

(2)利用模塊化設計理念將模型問題分解,通過關鍵子模塊的劃分決定泵抽系統(tǒng)設計優(yōu)劣。

(3)提出回油池設計理念,可在任意方向加工回油管路,簡化了閥座結構。

(4)總結了復雜管路的設計原則,提高深孔、短孔加工的工藝性。