机械自浮式脱气器的设计与应用

妥 红 满继琼 杨明清 彭俊民 陈玖国

（①中国石油西部钻探录井工程分公司（地质研究院）；②中石化石油工程技术服务有限公司）

0 引言

脱气器是气测录井最重要的设备之一，安装在钻井液缓冲罐位置，其作用为脱出钻井液中的气体，供给色谱分析仪、二氧化碳分析仪、H2S 检测仪，用于检测地层中的油气含量和非烃、H2S含量，以实现发现油气显示、H2S预警的目的[1-2]。对于传统脱气器，当钻井液出口排量变化时，需要人工频繁调节脱气器高度，若调节不及时，会发生液位过高或过低现象。液位过高则淹没脱气器，烧坏电动机或钻井液抽入管线，造成气测资料失真；液面过低则脱气失败，造成资料缺失。此外，现场作业人员频繁上下振动筛还存在安全隐患。为此，设计了机械自浮式脱气器，实现脱气器高度自动调节，其操作简单，故障率低，可大幅减轻劳动强度，消除安全隐患。

1 机械自浮式脱气器设计

机械自浮式脱气器的设计原则如下：一是整体结构简单，与传统脱气器电动机及供电方式相匹配；二是不改变传统脱气筒结构，与传统脱气器脱气方式相同；三是安装方式灵活，满足不同类型缓冲槽、振动筛三通槽，符合综合录井仪现场安装技术规范[3]；四是操作简单，故障率低，灵敏度高，维护方便。

1.1 整体设计

在脱气器固定支架内设置两个定滑轮，滑轮一端为脱气器，另一端配置标准配重块，配重块质量与脱气器接受浮力后的质量大体相当，使脱气器液面保持最佳位置；当钻井液排量变化时，脱气器会随液面变化自动升降；当钻井液密度变化时，人工配置相应的调节配重块，使滑轮两端产生新的平衡，脱气器始终保持在钻井液槽内最佳液面位置，从而实现自动跟踪液面的目的。该脱气器采用不锈钢材质，结构牢固，具有耐腐蚀性、体积轻、组装方便快捷等优点。脱气器整体结构。主要由10部分构成，如图1所示。

图1 机械自浮式脱气器结构

1.2 固定支架设计

固定支架由两部分组成：一是长方形固定支架（长460 mm、宽280 mm、高900 mm）；二是双横支撑杆（长1 000 mm、宽30 mm、高30 mm）。根据现场缓冲罐规格，双横支撑杆可安置在长方形固定支架左右不同位置。长方形固定支架下部导轨与浮箱式脱气筒架相连接；长方形固定支架上部两侧设有定滑轮，是配重块与脱气筒架连接的支点；定滑轮中间设有限位绳固定挂钩，是限位绳与脱气筒架的固定点，满足脱气器上下滑动需求。

1.3 浮箱式脱气筒设计

浮箱式脱气筒采用不锈钢材质制作，如图2所示。浮箱采用镂空式设计[4-5]，上部与集气筒钻井液出口平行，下部与锥形底部平行，其横截面积大于脱气器壳体的横截面积，当钻井液液面增加或减少时，浮箱式脱气筒向上或向下移动。脱气筒设计与传统脱气器一致，脱气筒法兰高度与传统尺寸相同，电动机及供电电源与传统脱气器相匹配，可满足不同类型缓冲罐、架空槽或振动筛安装。脱气筒底部为锥形，便于将吸入其中的大块岩屑自动排出，解决了大块岩屑卡住搅拌棒烧毁电动机的难题[6]，具有防碰、防磨、易清洗、体积小、浮力大、现场维护保养方便快捷等优点。

图2 浮箱式脱气筒

1.4 配重块设计

设计配重块的基本思路是穿过定滑轮的承重绳两端受力平衡，即：

式中：N为配重块数量，个；mi为第i个配重块质量，kg；M为浮箱式脱气筒总质量，kg；F浮为浮箱式脱气筒所受的浮力[7]，N；g为重力加速度，m/s2。

由上式可知，M为恒量，F浮随钻井液密度变化而变化，改变配重块数量及质量，就可以实现滑轮两端受力平衡。配重块由两部分组成：一是标准配重块，由两只圆柱体组成（图3）；二是调节配重块，由若干直径85 mm、高30 mm 的圆柱体组成，规格为150、300、450、600 g 等（图4）。当钻井液密度发生变化时，放置不同的配重块使之平衡，保持脱气筒处在钻井液的最佳位置，搅拌叶片处于钻井液中最佳高度，以利于提高脱气效率。

图3 标准配重块

图4 调节配重块

1.5 承重钢丝绳设计

承重钢丝绳承载脱气筒总重量，由钢丝绳、“U”型卡头、安全扣组成，如图5 所示。采用直径4 mm 包塑钢丝绳，长度为1 200 mm，可承重886 kg；“U”型卡头固定钢丝绳两端，形成挂钩圈，与“O”型安全扣连接；承重钢丝绳绕过定滑轮，一端为脱气器，另一端为配重块，使浮箱式脱气筒浮在钻井液液面上保持平衡。

图5 承重钢丝绳

1.6 安全扣设计

如图6所示，安全扣位于承重钢丝绳一端，用于连接配重块，采用合金钢材料，高110 mm、宽63 mm、开口16 mm，最大承重为2 500 kg，带有固定挂钩，确保设备在运行过程中不滑扣，在调节、连接、拆卸、维护保养时操作方便、安全快捷。

1.7 限位绳设计

限位绳是防止浮箱式脱气筒沉入缓冲罐底部，钻井过程中，停泵接单根或起下钻时，缓冲罐内没有钻井液，如果没有限位绳，浮箱式脱气筒会与缓冲罐底部沉砂接触，造成脱气筒埋入沉砂里。限位绳为钢链，长900 mm、直径4 mm，如图6所示。开单泵时，钻井液出口流量较小，此时调节脱气器高度，使排出口钻井液量占口径2/3为宜，开双泵时，脱气筒会自动浮起，使脱气筒始终处在最佳位置。

图6 “O”型安全扣和限位绳

2 实验测试

将机械自浮式脱气器安装在缓冲罐水箱内（钻井液改用清水），测试不同液面高度时脱气器自动调节情况，如图7所示。

图7 机械自浮式脱气器实验测试

首先配置标准配重块，排出口钻井液满口排出；当增加150 g 调节配重块时，脱气筒钻井液排出口高出液面3 cm，相当于排出口钻井液量占口径2/3；当增加300 g 调节配重块时，脱气筒钻井液排出口高出液面6 cm，相当于排出口钻井液量占口径1/3；当增加450 g 调节配重块时，脱气筒钻井液排出口高出液面9 cm，脱气器排出口无钻井液排出。测试得知，调节配重块质量能够实现脱气器高度自动调节。

3 现场测试应用

机械自浮式脱气器在3 口井进行现场测试应用，正常运转670 d，共16 080 h，脱气器能随着液面变化自动调节高度，始终处于有效脱气范围内。

图8 为传统脱气器采集气测数据曲线图，1 号钻井液泵和2 号钻井液泵倒泵过程中，缓冲罐液面下降或升高，值班人员未能及时调节脱气器，导致传统脱气器脱气液面忽高忽低，脱气效率不稳定，气测曲线呈锯齿状，不能真实反映钻井液内气体含量。

图8 传统脱气器采集气测数据曲线

图9 为机械自浮式脱气器采集气测数据曲线图，3：50-4：15 时间段内，1 号钻井液泵冲速从小到大逐渐增加，出口流量随之不断增大，脱气器自动升高，脱气效率基本恒定，气测实时曲线相对平滑，采集的气测资料更加准确，提高了气测录井解释评价的可靠性[8-9]。

图9 机械自浮式脱气器采集气测数据曲线

4 结论与建议

（1）在钻井液排量、密度发生变化时，机械自浮式脱气器能够实时自动调节，保证脱气器处于最佳高度。

（2）与传统脱气器相比，机械自浮式脱气器脱气效率更加稳定，减小了脱气器对气测值的影响，提高了气测录井资料质量，有利于应用气测资料进行解释及评价。

（3）在不改变传统脱气器结构的前提下，将传统脱气器进行改进，即可成为机械自浮式脱气器。该脱气器无须工作人员到振动筛上调节脱气器高度，能降低劳动强度，减少安全隐患，其故障率低，维护方便，有利于在井场推广。