基于膜分离技术在钻井液中含气检测的应用

高永慧，杨瑞臣，耿小丕，杨 洋，杨华丽

(1.承德石油高等专科学校 社科与数理部，河北 承德 067000;2.河北省仪器仪表工程技术研究中心，河北 承德 067000)

在石油勘探中，当钻穿油、气层时，就会有大量的烃类气体侵入到钻井液中，形成混相介质。实时检测循环到地面的钻井液中烃类气体含量，可了解地下地质情况，及时发现油、气层信息，避免油、气资源的浪费［1］。传统的检测方法是把钻井液在脱气器中进行搅拌脱气，分离出钻井液中的烃类气体，然后利用载气系统将其送入在线气相色谱仪进行分析，进而得到钻井液中烃类气体的含量，但这种测定方法存在脱气不定量、检测不连续、信号延迟等缺点，尤其是在钻井液中烃类气体饱和时，会造成气体检测值偏高，甚至达100%，严重影响了对油气储层的评价［2］。为有效分离钻井液中的烃类气体，客观反应油气层的储藏情况，本文结合国内外钻井液含气检测技术的发展趋势，利用半透膜分离技术制作出了一种接触式油气分离器，即膜分离器，并在动态条件下，对不同性能钻井液的分离情况进行了研究，建立起了检测值与钻井液含气浓度、密度、粘度之间的关系，并反演出了钻井液中真实烃类气体的含量。

1 膜分离技术的原理

膜分离技术，是借助于膜的选择与渗透作用，在外界能量或化学位差的作用下，对多组分混合物(液体或气体)进行分离、分级、提纯的过程。从宏观上看，膜分离技术与“过滤”相似，但微观上看，它又不像“过滤”那样使小分子通过滤膜那样简单，而是在气体分子透过聚合物膜时，首先吸附于膜的外表面，然后溶解于膜内，并透过膜，在膜的另一侧面解吸并扩散。钻井液烃类气体的膜分离过程，如图1 所示。载气的作用是不断地带走透过膜且进入另一侧的烃类气体，以提供分离的推动力，保持检测的连续和稳定性，同时可解决样品气不足的矛盾［3］。烃类气体透过膜的体积渗透率可用下式表示［4］:

式中:k 为渗透系数，单位cm2/(s·Pa);S 为膜面积，单位cm2;ΔP 为膜两侧的压差，单位为Pa;d 为膜的厚度，单位为cm。不同材料的膜对气体有不同的渗透系数，这就是膜分离的选择性，k 值越大说明膜的选择性越好，渗透气的纯度高;v 值越大，则膜的分离能力越强。

2 膜分离器的设计

在钻井现场，上返的钻井液具有高温、携带泥沙的特点，作业环境相对恶劣。所以渗透膜的选取应具备一定的强度，适应高温工作环境，并能承受一定的钻井液冲击力，能够选择性通过含C1～C8烷烃类油气组分。为此采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为油气分离的半透膜［5，6］，它是有机硅材料中的一种，化学性质非常稳定，具有显著的疏水性，能透过烃类组分，膜两侧压差不小于50 kPa，燃点高，可在－50 ℃～180 ℃温度范围内长期使用，满足工程要求。

膜分离器组件采用平板式，用长为170.0 mm、宽为28.0 mm、厚为8.0 mm 耐腐蚀的不锈钢作为膜组件，其表面两侧对称设计了回型凹槽，用于其内部构架平板膜的矩形气体通道，将制备好平板膜分别置于两侧，用相应的固定板条将平板膜固定密封即可，膜组件用Φ3 mm 的标准气路接头，可与气体传输管线直接相连，膜分离器也可称为探头，如图2 所示。

3 实验装置与钻井液的配置

钻井液循环装置由四部分构成:即供气部分、气液混相部分、动力部分和测量部分，在工作过程中含气钻井液处于完全密闭状态，如图3 所示。

供气部分:实验用气样由雪龙气体服务有限公司生产，每瓶8 升，压力7.0 MPa，为了能够很好地模拟钻井现场钻井液含烃类气体的真实情况，气样浓度分别为0.99%、2.50%、9.99%、50.00%、99.90%等。

混相部分:是由泥浆槽和气泡分布器组成，泥浆槽长280.0 mm，宽180.0 mm，高350.0 mm;泥浆槽内置相距120.0 mm 的双层气泡分布器，并随机分布着32 个直径为1.0 mm 小气孔。当气样通过气室进入气泡分布器后，便在槽里泥浆中形成较均匀的气－液混相介质。另外每次试验所注气样一般分2 ～3 次来完成，且每次注气后都要循环泥浆3 min 左右再进行下一次注气，这样使样气更加均匀分布在钻井液中。

动力部分:选用G30－1 型具有防爆功能的螺杆泵，具有对介质适应性强，流动平稳，压力脉动小等特点，可输送高粘度介质、含固体颗粒或软颗粒(气泡)介质等。功率为22 kW，扬程66 m，排量4 m3/h，能够很好满足实验要求。

测量部分:由对膜分离器分离出来烃类气体的检测和循环钻井液中烃类气体的真实含量的标定这两部分构成。检测部分是将膜分离器(探头)安装在由一个长为560.0 mm，直径为114.0 mm，壁厚为6.0 mm 的钢管构成测试区内，探头通过密封格兰与其连接，测试位置具有代表性。这样当含有一定量烃类气体的钻井液流过测试区时，探头将钻井液中烃类气体分离出来，通过载气将其输送到检测仪器。检测仪器采用DATALOG 公司生产的全烃检测仪，它由气动控制模块、电子控制模块、气体检测装置、环境控制模块构成，其测量范围:0.02 ～100%(2 个量程)，测量精度为0.02%。

实验装置内循环钻井液含气浓度的标定采用下式［7］:

式中:c 为气液循环装置内钻井液含气浓度，用%表示;vg为注入气样的体积，单位为L;v0为整个循环系统内钻井液的体积，单位为L;cg为注入气样浓度，用%表示。注入气样的体积由实验装置中的节门5 来控制。

实验所用钻井液(泥浆)的配置按照要求先从低粘度和低密度开始，所用材料有增粘剂(CMC)、分散剂、乳化剂、膨润土、重晶石、稳定剂、原油等。泥浆的搅动采用NS－1VM 电动搅拌器，粘度测量采用MN 型马氏漏斗式粘度计，密度测量用NB－1 型泥浆比重计。

4 实验结果

4.1 检测值与钻井液中烃类气体真实含量的相关性

钻井液的密度、粘度以及钻井液中烃类气体的多少都会对膜分离器的分离效果产生一定的影响。在实验中采用水基钻井液，循环压力为0.6 MPa，温度为26 ℃。若钻井液经膜分离器分离出来的烃类气体的检测净值用g 表示(检测净值为钻井液注入气样后的检测值与未加入气样时的检测值之差)、钻井液中加入的真实烃类气体的含量用β 表示、密度用ρ 表示、粘度用η 表示，在钻井液密度ρ 为1.15 g/cm3、粘度η 为70 s 时，通过注入气样，改变钻井液中烃类气体的真实含量β，进而对膜分离出来的烃类气体进行检测，得到他们之间的关系如图4 所示。其拟合的曲线方程为:

从图4 中可以看出随着钻井液烃类气体含量增大，检测净值也随之增大，且相关性很好，但不是线性关系，这与膜气液分离的实际情况一致。对于其他密度、粘度下的实验，也得到类似的关系。

4.2 检测值与钻井液粘度的相关性

根据钻井现场对泥浆参数的具体要求，在钻井液密度ρ为1.15 g/cm3、含气量β 为3.57%时，改变钻井液的粘度η，进而对膜分离出来的烃类气体进行检测，得到他们之间的关系如图5 所示。其拟合的曲线方程为:

从图5 中可以看出钻井液粘度对检测净值g 有影响，在粘度η 小于70 s 时，检测净值随粘度变化而增大，高于70 s 后，系统的检测净值随粘度变化而明显减小。这说明泥浆的粘度在高于某一值后，影响了PDMS 半渗透膜对烃类气体分子的吸附作用，使膜分离油气的效果降低。在其他密度、含气量参数下实验，也得到类似的关系。

4.3 检测值与钻井液密度的相关性

从钻井现场对泥浆参数的要求出发，在密度为1.15 g/cm3、1.25 g/cm3时，对钻井液的检测净值随含气量和粘度的变化关系分别进行比较，如图6、图7 所示;

从图6、图7 可以看出不同密度的两条测试曲线基本上都是重合的，说明在钻井液含气浓度、粘度变化时，密度对系统的检测净值基本上没有影响，可以忽略钻井液的密度对检测值的影响。对于其他相应参数下实验，也得到类似的关系。

5.4 反演钻井液中烃类气体的含量

通过对钻井液中检测净值影响因素的分析和比较，钻井液含气浓度β 对检测净值g 影响较大，钻井液的粘度η对检测净值g 也有一定的影响，密度ρ 对钻井液检测净值影响较小，这样在忽略密度的情况下，构建钻井液检测净值与含气浓度和粘度之间的数学模型，即

在钻井过程中，某一个阶段所用钻井液的粘度、密度等都是已知的，只要对膜分离出来的气体检测出g 值，就可以利用此模型，反演出钻井液中真实烃类气体的浓度，及时了解地下油气层的情况。我们对所有实验点进行多元非线性拟合，如图8 所示。得到钻井液中烃类气体的浓度为:

对该模型反复验证后，结果发现对钻井液含气浓度较小和较大时误差稍大，最大绝对误差为0.77%，对中间试验点稳合较好，能够满足钻井工程的要求。

5 结束语

综上所述，利用膜分离技术制作了钻井液油气分离器，对不同密度、粘度及含气浓度的水基钻井液进行了分离烃类气体的实验。在实验范围内，其全烃检测净值与钻井液中真实气体的含量有很好的相关性，能够通过检测全烃净值来反映钻井液中的含气浓度;钻井液密度对检测净值影响很小，可以忽略其对膜分离效果的影响，钻井液粘度对膜分离效果有影响，粘度高于70 s 后，检测净值随粘度变化而明显减少，膜分离效果降低。考虑这些因素后，建立数学模型，反演得到钻井液中烃类气体的真实浓度，这对钻井过程中及时得到地下油气层的数据信息、保证钻井安全具有一定的指导意义。

［1］ 李学国，曹风江.气测资料在确定地层含气量中的应用［J］.大庆石油地质与开发，2002;21(4):14－18.

［2］ 佘新平，刘强国.膜分离技术在气测录井中的应用研究［J］.石油仪器，2012，26(6):5－6，9.

［3］ 张卫，陆黄生，李三国，等.新型钻井液油气含量检测系统［J］.仪表技术与传感器，2012，(6):71－73.

［4］ 李仲来.气体膜分离技术进展及其应用［C］.全国化工合成氨设计技术中心站2004 年技术交流会论文集，2004:253－259.

［5］ 黄润，戴飞鸿，陈少瑾，等.PDMS 半透膜采样装置的制作研究［J］.生态环境，2008，17(2):495－499.

［6］ 李三国，谢关宝.基于半透膜的钻井液油气分离检测技术［J］.膜科学与技术，2013，33(1):96－101.

［7］ 高永慧.测量白油中声透射损失的教学实验装置［J］.物理实验，2002，22(2):38－41.

［8］ 李三国，谢关宝.钻井液油气半透膜分离技术试验与分析［J］.科技导报，2012，30(17):19－22

［9］ 汤明，肖泽仪，史晓燕，等.膜技术在含烃类气体分离中的研究及前景［J］.过滤与分离，2005，15(4):21－23，27.