新型高效定量脱气器研制及试验研究

颜廷俊，姜丰华，胡中南，郑奕挺，李三国，张 卫

（1.北京化工大学机电工程学院，北京100029；2.中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

新型高效定量脱气器研制及试验研究

颜廷俊1，姜丰华1，胡中南1，郑奕挺2，李三国2，张 卫2

（1.北京化工大学机电工程学院，北京100029；2.中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

新型高效定量脱气器采用定量泵、电加热器、脱气箱、真空泵等设计，可对钻井液进行定量采集、加热、高速搅拌以及负压抽吸，且具有温度控制系统和数据采集检测系统，实现对钻井液在线油气分析；同时新型高效定量脱气器按照井场防爆要求设计，防爆等级达到Ⅰ级，满足油井使用要求。结果表明：新型高效定量脱气器采液流量为0.5 L/min，能够脱出C1～C8、苯、甲苯等气体组分，并且其对C1的脱气效率在50%左右，是同环境下电动脱气器的6～10倍。新型高效定量脱气器工作可靠、性能稳定，且其脱气效率远高于同环境下的电动脱气器。

气测录井；定量脱气器；高效；脱气效率；钻井液

气测录井技术是目前国内外使用较为广泛的一种用于石油钻井在线油气分析评价的方法。利用气测录井技术可以实时监测钻井过程中所钻岩层的油气含量情况。目前，国内外气测录井都是在井底返回到地面的泥浆中实时提取所含有的烃类气体成分，以判断井底油藏情况［1-5］。该过程主要包括泥浆中气体采样环节和气体检测分析环节。气体检测分析［6-11］环节采用技术上较为成熟的色谱仪，因此气测录井最为关键因素是对其测量结果精度影响最大的泥浆气体采样环节。目前中国在泥浆气体采样环节中普遍使用的是电动脱气器［12］。电动脱气器虽然结构简单，但只能脱出泥浆中所含烃类气体的C1～C5部分，对于C6～C8等无法脱出。C6～C8在原油中的相对含量最高，组分构成最丰富，反映油层的信息也最多，用其评价储集层性质更具说服力［13-14］；此外，电动脱气器的脱气效率较低，经试验测试在10%以下，且无法做到脱气时的泥浆定量。法国Geoservice公司研制的高效FLEX型定量脱气器采用定量泵抽吸、电加热器加热、温控系统和数据采集检测系统等先进技术，不仅实现了钻井液的定量采集，而且能够脱离出泥浆中所含的C1～C8、甲苯、乙苯等气体组分［15］。笔者研制适合于中国油井所需要的、方便携带的可脱出全烃的脱气器。

1 结构及工作原理

1.1 脱气器结构

新型高效定量脱气器由采样、加热、搅拌部分和温控系统、数据采集与检测系统组成。其结构见图1。

图1 新型高效定量脱气器结构Fig.1 Structure of new efficient quantitative degasser

1.2 工作原理

系统定量泵工作时，钻井液样品通过放置到泥浆池中的采样头进入到管线中，并沿管线进入加热器，加热器可以按工艺要求将其加热到烃类气体沸点温度，从而提高后续的脱气效果。经加热后的钻井液沿管线进入脱气箱进行搅拌脱气，脱气箱中设置了两块挡板，用来将高速旋转的液滴破碎，从而释放气体。整个脱气环境采用负压，以加快气体脱出。经脱气箱脱出的气体由真空泵送入气体分析仪，进而对其组分含量进行检测分析；脱气后的钻井液则通过脱气箱右侧的U型管道流出。脱气器还设有可计量的补充气体入口，以使真空泵抽汲气体流量恒定。整个装置不仅可以对钻井液进行定量采集、温度控制，还可以对其温度、压力、流量进行监测。

2 关键装置设计

2.1 采样头

新型高效定量脱气器采样头主要由泥浆刮削部分、搅拌及驱动部分、液体出口部分组成。泥浆通过进液孔径向进入，采样头圆腔内外分别有搅拌片与刮刀，整个采样头的动力由软轴输入。由于从井底返上来的钻井液带有大小不等的岩屑，为防止岩屑进入到泵及搅拌箱中，采样头设计了过滤孔以过滤较大岩屑颗粒。

2.2 脱气箱

新型高效定量脱气器脱气箱主要由进液管、挡流板、密封支撑板、排液管等组成。脱气箱是钻井液进行气液分离的场所，钻井液在搅拌桨的作用下高速撞击在挡板上，从而达到破碎液滴的目的。此外，整个脱气环境处于负压状态，这样更有利于气体析出。脱出的气体通过脱气箱顶部管线进入到色谱仪中进行分析检测；脱气后的泥浆沿脱气箱上端倾斜管流出。

3 加热及系统控制

新型高效定量脱气器电加热器采用10根功率为500 W的电加热棒作为发热元件，随着接入电加热棒根数的不同，电加热器的接入功率可在0.5、1、1.5、…、5 kW之间变化，在满功率的情况下，电加热器足以使钻井液温升80℃。

新型高效定量脱气器控制系统包括3个部分。第一，数据采集系统，该系统由流量计、温度传感器、液位计组成，实现对数据的采集。第二，数据处理及控制输出系统，由继电器完成，当液位低于某一值或温度高于某一值时，液位传感器与温控器会向继电器输入一个信号，继电器通过控制自身开断，从而实现对电机与加热器的控制，以防止电机空转与加热器干烧。第三，反馈系统，该控制系统对加热器出口钻井液温度进行了反馈设计，当从温度传感器传输到控制器中的温度信号与所设定的温度信号接近时，温度控制器触发可控硅，可控硅通过改变接入电路的电压来改变电加热器的实际功率，同样，当温度高于某一警戒值时，温控器会将信号传输给继电器，继电器断开，进而使加热器停止工作。

4 现场试验

新研制的新型高效定量脱气器于2014年5～6月在胜利油田Y72井与T71井进行了现场试验。新型脱气器在Y72井进行了功能试验，在T71井进行了脱气效率试验，其中T71井试验井深为1873.8～3303.8 m，试验为期21 d。

4.1 试验方法

为检测新型高效定量脱气器在现场的脱气效率以及验证与目前普遍使用的电动脱气器效果对比关系，采用在钻井液进入脱气器之前采样，借助热真空蒸馏全脱仪对钻井液进行全脱实验，并以通过气相色谱仪检测出的气体组分与真实含量作为评判标准。电动脱气器本身无法定量采液，为方便计算其脱气效率，近似认为其进液量恒定。脱气效率［16］可由式（1）求得：

式中，η为脱气效率；Ci为气测仪测得某种烃组分的含量；S为色谱仪样气泵排量，mL/min；i为所检测气体的种类；Vib为在脱气器前取钻井液样作全脱分析所脱出的气体体积，mL；Cib为在脱气器前取钻井液样作全脱分析所测出的气体浓度，%；Q为流经脱气器的钻井液流量，L/min；q为热真空定量全脱分析的钻井液体积，L。

4.2 试验参数测量

油井现场每次试验采样后，分别对钻井液黏度、温度、密度以及脱气器流量进行测量。由于测量值较多，这里仅列钻井深度未达油层和到达油层两种情况下具有代表性的两个井深（2714 m、3303 m）下的参数测量值，见表1。

表1 不同井深时各物理量测量值Table 1 Measured values of physical quantities at different well depth

4.3 试验结果分析

4.3.1 定量脱气器脱气组分与脱气效率

新型高效定量脱气器在Y72井进行了功能试验，为期5 d。试验表明，新型高效定量脱气器工作稳定、性能可靠。新型高效定量脱气器在T71井进行了脱气效率试验，其与电动脱气器从井深1873.8 m开始，对钻井液实时采集分析，直到钻井深度到达目的井深（3303.8 m）。由于测量数据量较大，并且各气体组分的脱气效率分别在未达油层和到达油层两种情况下的不同井深时相差较小，因此这里仅列新型高效定量脱气器在井深未达油层和到达油层两种情况下，具有代表性的两个井深（2 714、3 303 m）下的脱出气体各组分的脱气效率，如图2所示。

由图2可以看出，新型高效定量脱气器可以脱出C1～C8、苯（Ben）和甲苯（TOL）等组分，并且其对C1的脱气效率在45%～50%之间；此外，新型高效定量脱气器对C2～C8组分的脱气效率也比较高，在10%～35%之间。图2中，两个井深下C4～C8的脱气效率差异较大，其原因是未达油层和到达油层两种情况下地层中烃类含量差异较大。

图2 新型高效定量脱气器脱出气体各组分脱气效率Fig.2 Degassing efficiency of gas components degassed by new efficient quantitative degasser

4.3.2 定量脱气器与电动脱气器脱气效率对比

新型高效定量脱气器与电动脱气器在井深未达油层和到达油层两种情况下，具有代表性的两个井深（2714、3303 m）下的脱出气体各组分的脱气效率对比见图3。

图3 不同井深时定量脱气器与电动脱气器脱气效率对比Fig.3 Comparison of degassing efficiency between quantitative degasser and electric degasser at different well depth

由图3（a）可以看出，定量脱气器对于气体各组分的脱气效率远高于电动脱气器，其对C1的脱气效率达到48%，而电动脱气器对于C1的脱气效率不到10%；对于C2～C5，定量脱气器的脱气效率在10%～35%之间，是电动脱气器的10～30倍。图3（b）中，钻井深度已达油层，该深度下钻井液中含有丰富的烃类气体，尤其是重烃组分。由图3（b）可知，定量脱气器对C1的脱气效率为49%，是电动脱气的2倍；对C2～C4的脱气效率在30%～35%之间，是电动脱气器的3～5倍。比较图3（a）、（b）可知，定量脱气器的脱气效率相对比较稳定，而电动脱气器的脱气效率波动较大。

为进一步对比定量脱气器与电动脱气器的脱气效果，从井深未达油层和到达油层两个方面，比较两种脱气器脱气效率比值。图4为不同井深下定量脱气器与电动脱气器脱气效率比值图。

图4 不同井深下定量脱气器与电动脱气器脱气效率比值Fig.4 Degassing efficiency ratio between quantitative degasser and electric degasser at different well depth

由图4可以看出，在钻井深度分别为2714、2853、2972 m（未达油层）时，定量脱气器对于C1的脱气效率是电动脱气器的6～10倍，对于C2～C4的脱气效率，定量脱气器是电动脱气器的13～32倍；在钻井深度分别为3 244、3 289、3 303 m（到达油层）时，定量脱气器对于C1的脱气效率是电动脱气器的2～4倍，对于C2～C4的脱气效率，定量脱气器是电动脱气器的3～5倍。

井深未达油层与井深到达油层两种情况下，新型高效定量脱气器对于烃类气体的脱气效率比较稳定，其中对于C1的脱气效率稳定在50%左右。然而电动脱气器在井深未达油层和到达油层两种情况下对于烃类气体的脱气效率变化较大，其中对于C1的脱气效率从8%升至25%。电动脱气器脱气效率较低及升高的原因是：第一，电动脱气器泥浆出口未密封，并且空气补充口离脱气箱较近，当搅拌箱中脱出烃类气体少时，会造成空气吸入量较大，从而降低了烃类气体浓度；第二，井深到达油层后，钻井液中含有丰富的游离气，这些气体正常情况下即可溢出。

5 结 论

（1）新型高效定量脱气器能够实现定量连续采集钻井液样品、样品加热与温度控制、高速搅拌脱气、数据采集与控制、气体收集与处理等功能。

（2）新型高效定量脱气器工作安全稳定，满足油田现场的使用要求。新型高效定量脱气器脱气范围为C1～C8、苯和甲苯等组分，并且其脱气效率较高，其中，新型定量脱气器对于C1的脱气效率在50%左右，相比于国内油田标配的电动脱气器（对于C1的脱气效率不到10%），其脱气效率大幅提升。

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（编辑 沈玉英）

Design and field test of a new efficient quantitative degasser

YAN Tingjun1，JIANG Fenghua1，HU Zhongnan1，ZHEN Yiting2，LI Sanguo2，ZHANG Wei2
（1.Mechanical and Electrical Engineering Institute，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2.Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China）

The new efficient quantitative degasser used the design of quantitative pump，electric heater，degassing tank and vacuum pump，can quantitatively collect mud，heat mud，stir mud with a high speed，and suck mud in negative pressure.In addition，it contains temperature control system and data acquisition test system，realizes the mud analysis of oil and gas online.Meanwhile，the degasser was designed in accordance with the well field of explosion-proof，and the level of explosionproof can reach grade 1.The results show that the rate of sample mud for the new efficient quantitative degasser is half a liter per minute，and C1-C8，benzene，toluene and so on gas composition can be degassed by it.Also，the degassing efficiency of the new efficient quantitative degasser is about fifty percent，which is 6-10 times higher than the degassing efficiency of electric degasser under the same environment.The performance of new efficient quantitative degasser is reliable and stable，and the degassing efficiency is much higher than electric degasser's under the same environment.

gas logging；quantitative degasser；high efficiency；degassing efficiency；mud

TP 272

A

颜廷俊，姜丰华，胡中南，等.新型高效定量脱气器研制及试验研究［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2015，39（6）：124-128.

YAN Tingjun，JIANG Fenghua，HU Zhongnan，et al.Design and field test of a new efficient quantitative degasser［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（6）：124-128.

1673-5005（2015）06-0124-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.06.017

2015-06-22

中国石油化工股份有限公司科技部科研攻关项目（P12066）

颜廷俊（1961-），男，教授，博士，研究方向为石油钻采装备。E-mail：yantj555@163.com。