自适应液位电动脱气器的研制与应用

李开荣 陈俊男 宋金鑫 杜 晓

(中国石油西部钻探吐哈录井工程公司)

0 引 言

目前录井作业现场基本采用传统人工操作的机械脱气器，受出口缓冲罐钻井液频繁波动及人工操作存在差异的影响，导致气体采集连续性和准确度存在一定误差，从而影响油气显示的发现，其AC 380 V供电模式在现场易燃易爆环境下也存在一定的安全风险。通过改变传统脱气器供电方式和结构设计，基于自动化控制、磁性感应技术和阿基米德浮力原理设计出一款安全防堵自适应液位电动脱气器[1-9]，实现了自动感应钻井液液面位置，降低了劳动强度，可满足气体快速、准确采集和分析的要求。

1 现状分析

目前国内外采用的传统机械式电动脱气器，主要存在依靠人工判断液位、定点脱气方式、脱气设备结构、供电模式4方面的局限[10-12]。

1.1 人工判断液位局限

传统脱气器完全依靠人工进行液位变化判断和脱气器高低的调节。判断钻井液液位的方法分为两种：一是通过出口流量数值变化判断液位的高度变化；二是通过气测值突降或样品泵运行压力变化来判断液位的变化。易导致出口钻井液液位变化的工况有：钻遇油气水层、测后效气、循环活动钻具、变排量、调整钻井液密度、调整振动筛、井漏、溢流等。影响准确判断脱气器集气筒最佳吃水深度(脱气器有效脱气液位)的因素有两种：一是微气泡钻井液或钻井液受其他因素影响产生气泡，人工肉眼无法准确判断真实液位；二是夜晚照明不佳或冬季雾气大的环境造成的人工判别误差。在录井现场，若调节集气筒吃水深度不及时，液位过高会导致淹没脱气器集气筒及电机，易造成电机无法散热而烧坏、钻井液进入集气仓甚至气路管线等后果；而液位低于有效脱气范围则可能造成脱气失败，地层气体漏失。同时，录井作业人员频繁上下缓冲罐调节脱气器，还存在一定的安全风险。

1.2 定点脱气方式局限

为判断钻井液液位的变化，需要人工爬到缓冲罐上观察液位，再手动转动脱气器丝杠调节高低，使集气筒达到有效脱气范围，人工停止操作后脱气器位置处于定点状态。理想中最佳脱气位置是集气筒三分之一处淹入钻井液，而录井现场缓冲罐钻井液受工况和其他因素影响，一直处于波动状态。因此无论缓冲罐液位波动大与小，都会对油气显示发现造成不同程度的影响。

1.3 脱气设备结构局限

脱气器最关键部位是集气筒，而传统脱气器集气筒底部和集气仓隔板都设计成平面型，使用和维护保养存在局限性。在使用中，因集气筒吸入大块岩屑或异物，卡住搅拌棒，导致脱气器电机损坏进而失去脱气动力；而当钻井液飞溅或液面没过集气筒集气隔仓时，易形成泥饼，堵住集气仓，导致气路不畅，采气失败。

1.4 供电模式局限

传统脱气器采用三相三线制AC 380 V异步电机，在运行过程中，从录井仪器房直接将AC 380 V电供给脱气器电机，当电压、电流、频率不稳定时容易造成脱气器电机烧坏，而且异步电机转速随电压波动而变化，使脱气器脱气效率不稳定。该供电模式相对简单，存在漏电、短路、过载不跳闸等隐患，对使用人员存在一定的触电风险。

2 自适应液位电动脱气器主体结构及功能

2.1 总体方案

安全防堵自适应液位电动脱气器由设备主体、供电单元、液位检测单元、执行单元、中央控制单元和进样脱气单元组成。其执行单元的一部分和中央控制单元固定安装在防爆机箱内部，配套有室内开关电源配置箱和相关参数配置PC程序。使用前，可根据需求链接计算机设置相关配置参数，也可在脱气器出现故障时链接计算机进行故障检测和修复。在供电单元正常供电情况下，将液位检测单元检测的液位信号，通过中央控制单元计算处理，由命令执行单元带动进样脱气单元完成相应的移动，在移动过程中受预设行程限位而停止，从而实现进样脱气单元始终保持在最佳位置(脱气器与钻井液液位形成固定位置)进行进样脱气。

2.2 主体结构

为适应现场不同型号缓冲罐，设计了塔式(图1)和杆式(图2)安全防堵自适应液位电动脱气器，塔式和杆式除外形和安装方式不同外，其余部分完全相同。塔式主要安装应用于中小型缓冲罐，可调范围为0～1 000 mm，能适应大部分钻井型号的缓冲罐；杆式主要安装应用于较大型缓冲罐和入口循环罐，可调范围为0～1 500 mm，可满足差分色谱[13]入口循环罐安装使用的技术标准(差分色谱：通过在钻井液出口和入口分别安装脱气器，采用双色谱同时采集气测数据，扣背景值并求出地层气真实含量)。

图1 塔式脱气器主体结构

图2 杆式脱气器主体结构

2.3 供电单元

脱气器供电单元按国际持续接触安全用电要求设计，采用DC 24 V直流无刷防爆脱气电机，自动化控制单元供电电压同样为DC 24 V，因此供电电压总体设计为DC 24 V。将AC 220 V电源变换为DC 24 V安全电压，经过集成保护电路和驱动电路，供给电机和自动控制单元。室内开关电源功率选型为30 A,其中电机额定功率设计为300 W，自动控制单元额定功率设计为150 W。

2.4 液位检测单元

通过现场观察缓冲罐液位变化情况，结合脱气器的外部结构，在集气筒外部设计一只浮球接触液面，在浮球杆上端40 cm处设计一只三防磁性感应器(该感应器利用阿基米德浮力原理与磁性技术研制)[14]，浮球随液位的变化带动连接杆，使磁性感应器磁场变化，产生相应的电阻变化并传输给中央控制单元处理。

2.5 执行单元

执行单元主要包括动力部分和行程控制部分。

动力部分：由步进电机、丝杠螺母、竖直锥齿轮、水平锥齿轮和丝杠等部件组成，构成动力传动结构，执行由中央控制单元所发出指令，带动脱气器集气筒向上或向下移动。

行程控制部分(图3)：为防止脱气器与缓冲罐发生机械触碰，并满足各种不同的缓冲罐安装使用，确保脱气器自动化运转，在丝杠的上端和下端分别设置一只可以移动的感应磁片，机箱内部顶端和底端各设置一个磁性感应点[14]。丝杠向上移动过程中，上限磁性感应片在靠近机箱时，使机箱内部底端磁性感应点受到磁性片感应时，停止丝杠向上移动，其向下移动不受影响；反之亦然。

图3 行程控制示意图

2.6 中央控制单元

中央控制单元主要由单片机、内植程序、步进电机驱动电路、无刷电机控制和保护部件组成，集成在小型电路板上。其功能为：接收三防磁性感应器和上限、下限行程控制器传来的模拟信号，通过单片机内部固化程序进行计算后，由晶振产生不同频率的脉冲信号，经步进电机驱动器转换为角位移，驱动步进电机做不同方向和不同速度的运动。同时对无刷直流防爆电机起到稳压、稳流、短路、过载保护功能，避免脱气电机在运行过程中因电压、电流不稳定和过载短路造成损坏，提高脱气电机的使用寿命和安全性。

2.7 进样脱气单元

该脱气器进样脱气单元主要由锥形集气筒(图4)和分体式搅拌器组成。

图4 锥形集气筒结构设计

锥形集气筒根据斜面滑落力学原理设计而成。将脱气器底部设计成锥形，当有大块岩屑被吸入集气筒时，大块岩屑会沿集气筒底部锥形壁自动滑落，解决了大块岩屑卡住脱气器搅拌棒的问题。将脱气器集气筒的集气隔板设计成双层锥形隔板，以防止钻井液飞溅或漫过隔板进入集气仓，当液位低于隔板时，钻井液会自动流出隔板，不会滞留在隔板上形成泥饼堵住集气空间。根据斜面滑落公式计算得出，集气筒锥形底部和锥形隔板与水平面夹角为45°最佳。分体式搅拌器采用304不锈钢材质，能防止钻井液中化学药品的腐蚀，使用中拆开不锈钢螺杆，搅拌器与电机连接处可分为两半，解决了传统脱气器搅拌棒被钻井液腐蚀后生锈，无法拆卸保养等问题。

进样脱气单元工作原理：脱气器最佳脱气位置是钻井液淹没集气筒由下而上三分之一处，当脱气器电机转动时，带动搅拌器顺时针转动，搅拌器带动进入集气筒的钻井液旋转，形成锥形面，扩大钻井液在集气筒内部的表面积，从而使钻井液中的气泡更好地从钻井液中脱离并上升至集气仓。当钻井液跟随搅拌器转动时，产生吸力，将集气筒外部的钻井液连续吸入集气筒进行脱气，脱气后的钻井液随吸入钻井液体积增加从集气筒钻井液出口处自动排出。而随钻井液进入的大块岩屑或异物，受到重力的作用，沿锥形底部自动滑落而脱离集气筒。

3 现场试验

3.1 W 1501井

W 1501井进入西山窑组地层后发生间断性井漏，液面不稳定。井段3 220～3 415 m采用的是传统机械式电动脱气器采集气测数据，由于传统脱气器依靠人工调节，不能实时跟踪，采集气测数据忽高忽低，不连续；井段3 415～3 510 m更换为自适应液位电动脱气器后，采集气测数据平滑连续，恢复正常(图5)。

3.2 W 256井

在W 256井同时安装传统机械式电动脱气器和自适应液位电动脱气器，利用双色谱同时采集气测数据。图6中红色为自适应液位电动脱气器采集的气测数据，蓝色是传统脱气器采集气测数据。两种脱气器曲线形态一致，但自适应液位电动脱气器采集气测数据(红色的曲线)高于传统脱气器采集气测数据(蓝色曲线)，表明自适应液位电动脱气器符合录井行业标准规范，且脱气效率高于传统脱气器。

图5 W 1501井传统脱气器与新型脱气器井漏时采集数据

图6 W 256井两款脱气器同步采集气测数据对比

4 推广应用效果

自适应液位电动脱气器研发成功后，分别在塔里木、吐哈、苏里格等油气田应用137口井，累计采集资料近十万米，连续运转五万多小时(表1、图7)。现场应用表明，该脱气器采集资料的连续性、准确率均达100%，其性能得到了肯定。

该脱气器整体设计具有创新性，安装运移简洁方便，其自动化程度和安全性能高，脱气效率符合行业标准，尤其是解决了施工现场安全电压作业和液位不稳定情况下连续脱气的难题，自动化运转不仅消除了人工误差，还降低了录井作业的劳动强度，获得了油田建设方和录井现场人员的高度认可，具有较好的推广应用前景。

表1 安全防堵自适应液位电动脱气器运转记录

图7 现场安装使用

5 结 论

自适应液位电动脱气器的成功研制与应用，解决了录井现场技术难题，改变了传统脱气器采集资料方式的局限性，降低了人工劳动强度，消除了安全隐患，提高了气测录井资料的稳定性、准确性和连续性。