随钻地层测试泵抽系统结构设计

2022-06-06鲍忠利于会媛支宏旭宋禹澎李京山白晓煜

测井技术 2022年2期

鲍忠利,于会媛,支宏旭,宋禹澎,李京山,白晓煜

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院,河北三河065201)

0 引言

2001年探路者能源服务公司开发了首支随钻地层测试器(Drilling Formation Tester,DFT)。随后哈里伯顿、贝克休斯和斯伦贝谢等公司在2002—2003年相继推出随钻地层测试器,此时,上述4家公司的随钻地层测试器只能测量动态地层压力数据,不具备随钻流体取样和分析能力[1-2]。2009年哈里伯顿公司推出首支随钻地层流体识别和取样工具(Fluid Identification and Sampling Sensor,GeoTapIDS)。2010年贝克休斯公司研发了随钻流体分析与取样工具(Formation Fluid and Analysis Tool,FAS)。2017年斯伦贝谢公司将随钻流体测绘服务投入商业应用[1-3]。2019年中海油田服务股份有限公司自主研发的随钻地层压力测试仪(Instant Formation Pressure Tester,IFPT)开始在渤海投入商业应用;2021年随钻地层取样仪(Instant Formation Sampling Analysis,IFSA)井下实钻测试成功。该文介绍的随钻地层测试泵抽系统是随钻地层取样仪IFSA的重要组成部分。

1 随钻地层测试泵抽系统原理和基本结构

随钻地层测试泵抽系统(简称泵抽系统)的主要功能是从地层中连续抽出地层流体(包括液体和气体,简称样品),并把抽取的样品连续排出。因此,泵抽系统需同时具有泵抽、泵排功能。泵抽系统采用双向往复缸作为执行机构,使用液压阀控制缸内的活塞运动,并以液控阀切换泵抽、泵排功能,整体上泵抽系统属于液压控制系统。双向往复缸可认为是将增压缸的2个活塞变为等直径活塞。如图1所示,缸内由活塞杆连接2个活塞,实现2个活塞联动,联动活塞将缸体分隔成A、B、C、D这4个腔。B、C腔为抽吸、排出样品的工作腔,A、D腔为液压油腔。当A腔体充入液压油时,联动活塞右移,B腔体积减小,样品由2号口排出(泵排),同时C腔体积增大,样品由3号口吸入(泵抽);同理D腔充入液压油时C腔泵排,B腔泵抽。以此实现同时泵抽和泵排功能[3]。

图1 双向往复缸结构示意图

实际的泵抽系统除双向往复缸外还包含多种液压阀和传感器。如图2所示,1号、2号电磁阀控制双向往复缸活塞运动方向,1号、2号压力传感器分别监测A、D油腔的压力,1号、2号梭阀保障A、D油腔回油畅通。a、b、c、d,e为5个液控阀,液控阀a、b一端连接B腔2号口,液控阀a另一端连接样品进口管路,液控阀b另一端连接样品出口管路;同样液控阀c、d分别控制C腔进、出口管路。根据联动活塞的移动方向,配合a、b、c、d这4个液控阀的开闭,即可实现连续泵抽、泵排,3号、4号电磁阀控制这4个液控阀。e阀是样品进口控制阀,在泵抽系统前端控制样品进口的开闭,由5号电磁阀控制。

图2 泵抽系统液压原理图

2 泵抽系统设计难点

设计随钻地层取样仪时,将泵抽系统作为独立模块,以嵌入方式固定于钻铤外表上。要求泵抽模块尽量小,以保证钻铤强度。由于泵抽系统包含多种阀和传感器,结构十分复杂,如何将复杂结构集成为一个空间有限的外部安装模块,是主要设计难点。另外,泵抽系统涉及大量电气线路、液压油路和样品管路,如何协调这3种通路,保障系统的可靠性和易用性是另一设计难点。

2.1 模块化结构设计

模块划分是模块化设计的关键。通常以功能或结构特点为依据,将系统进一步划分为多个子模块,各子模块相对独立,把复杂问题分解[4-5]。泵抽系统以结构特点为模块划分标准将系统分为3个子模块:双向往复缸模块、液控模块和控制阀座模块,模块间以电气线路、液压油路和样品管路连接。各模块包含的主要零部件:①双向往复缸模块包括双向活塞、往复缸缸体、1个位移传感器;②液控模块包括5个液控阀;③控制阀座模块包括往复缸控制阀座(包含2个电磁阀和2个梭阀)、液控阀控制阀座(包含3个电磁阀)、2个压力传感器。

泵抽系统涉及电气线路、液压油路和样品管路3类通路。如何排列子模块是优化通路设计的关键。从图3可见,每个子模块均涉及至少2类通路,两两模块间至少有一类通路相连。由于3个子模块需在钻铤上轴向排列,位于中间的子模块必须有足够的空间令通路穿过。经过尝试和优化,确定双向往复缸模块居中,液压油路穿过双向往复缸模块(见图4)。模块划分的结果是控制阀座模块包含全部电气和液压元件,不接触样品,液控模块则不含电气元件。控制阀座模块和液控模块分置系统两端,电气线路远离样品管路,便于泵抽系统测试和维修保养。

图3 模块连接示意图

图4 模块排列模型图

2.2 回油池设计

液压控制阀座含有5个电磁阀、2个梭阀和2个压力传感器,这些元件均需接通回油油路。回油池设计是将回油管路放大为工作池,所有元件浸泡在油池座中,在阀座任意方向打孔,将元件接通回油。

如图5所示,控制阀座模块中,往复缸控制阀座、液控阀控制阀座、2个传感器浸泡在回油池内。如图6所示,往复缸控制阀座中,电磁阀和梭阀的回油油路容易实现,阀座结构简洁,管路清晰。

图5 控制阀座模块

图6 往复缸控制阀座

2.3 复杂管路设计

复杂管路设计需兼顾钻孔加工工艺,通常需要反复尝试,先找到解决方案,再基于此方案,不断局部改进或整体优化。设计时应遵循:①平行设计深孔,可实现一次装卡完成全部深孔加工,定位准确;②深孔间距尽量拉大,避免短孔加工时相互干涉;③短孔加工应尽量平直,避免斜孔,便于加工和图纸表达。图7为液控模块,其管路设计遵循上述原则。