浅析提升钻井液中气体的搅拌逸散方式

地下地层中的流体, 包括油、气、水的单相或其混合相, 在压差的作用下, 通过渗滤、扩散等分子作用下进入钻井液, 并随压力释放而在井口形成最大体积膨胀量。返至井口钻井液中的小分子量游离状态的气体部分会自行挥发出来, 同时, 由于钻井液对气体的吸附和粘着作用, 部分小分子量和大分子量的气体很难自行挥发, 而要想实现气体分析采集和分析, 就需要对钻井液进行高速搅拌, 加速气体分子的运动而将气体逸散出来。但是, 由于搅拌方式的不同, 气体逸散的效率也存在很大程度上的差异。

1 钻井液的常规搅拌气体逸散方式

根据搅拌钻井液使气体逸散出来以供进行气体含量分析的目的, 那么这种搅拌装置称为脱气器, 这种脱气器属现场负责气体分析的录井设备之一。脱气器分为电动式连续脱气器, 浮子式脱气器和热真空蒸馏脱气器等。不同类型的脱气器脱气效率和脱气方式有差别:浮子式脱气器脱气效率低, 电动式连续脱气器的脱气效率比浮子式的高, 热真空蒸馏脱气器的脱气器效率高但不是连续脱气。通常高情况下, 现场脱气器用的基本上都是电动式连续脱气器。

1.1 电动式连续式脱气器

电动式连续脱气器的搅拌装置是搅拌棒, 搅拌棒在异步电动机的带动下高速旋转, 转速可达650转/分至1750转/分, 电机功率越大搅拌棒的转速越快。

搅拌棒安装在脱气室内, 脱气室的上方有一环形挡板, 挡板的上方空间为集气室。搅拌棒浸入在钻井液内。电机工作时, 高速旋转的搅拌棒按照一定的方向, 顺时针或逆时针, 搅动钻井液, 钻井液在高速搅拌下旋起飞溅, 飞溅的钻井液在脱气室内及碰到环形挡板后会产生径向、轴向和切向运动。

在碰到脱气室壁和环形挡板后, 钻井液受到了各个方向的力的作用, 在各个方向力的作用下, 钻井液被破碎, 气体逸散而出进入集气室, 然后在色谱设备泵的抽吸下进入色谱分析仪。

1.2 存在的问题

如上所述, 气体的逸散是进过了搅拌产生的一系列碰撞过程, 这也是一种理想状态下的气体逸散方式。但是, 钻井液往往不是单相流体, 按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等, 钻井液的性能包括:密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、p H值、碱度、含沙量、固相含量、膨润土含量、和滤液中各种离子浓度等。其中, 影响气体逸散的主要因素有密度、粘度和切力, 即当密度、粘度和切力都大或任何一项大时, 钻井液中的气体越不容易通过搅拌逸散出来, 往往造成气体峰值检测普遍降低的现象。

1.3 问题分析

这种现象是容易理解的。其实, 钻井液中的气体逸散实质上就是气体分子的扩散运动, 当密度、粘度和切力大时, 对气体分析的粘附力就大, 气体就越不容易得到搅拌而逸散。常规条件下的搅拌棒是一个钢制的水平圆棒。

电机转动时带动圆棒做轴向转动, 从而将钻井液搅拌起来。如果钻井液的密度、粘度和切力大, 大到钻井液几乎呈浆糊状, 则搅拌越困难, 气体分子扩散的能力也就越低。起初, 圆柱形的设计目的也是为了能够减少转动阻力, 但是, 这种设计却降低了搅拌棒自身对钻井液的破碎效率, 所以, 要从搅拌棒自身结构上进行改进。

2 搅拌棒的优化解决

传统搅拌棒设计的主体功能是实现了对钻井液的搅动, 但却缺少了对钻井液的破碎作用, 这是在高密度、高粘度和切力大时造成气体分子不易扩散的主要原因。要解决这个问题, 首先就要分析如何使搅拌棒对钻井液在搅动的同时又形成破碎作用。

搅拌棒转动时将钻井液搅动起来, 按照搅拌液体形成的方式, 钻井液在脱气室内产生径向、轴向和切向的高速流动, 同时, 由于搅拌棒是按照一个方向转动的, 所以, 当产生的举升力在碰到环形挡板后变高速回落, 在切力的作用下从脱气室外侧的钻井液出口喷涌而出。

综上分析, 在搅拌棒的设计上缺少了一个自身破碎装置, 即在转动搅动的同时能够对钻井液形成初次破碎, 如图4所示。在原搅拌棒的基础上增加破碎齿, 当钻井液搅动起来后, 首先经过破碎齿, 破碎齿增加了对钻井液的破碎面积, 增加了气体分子的扩散势能, 提高了破碎效果。

3 结语

通过对搅拌棒的优化设计, 克服了高密度、高粘度和高切力钻井液的脱气效果, 使气体检测更加真实高效, 能更加接近地反映地层中的真实气体含量情况。

摘要：油气勘探的钻进过程中, 地层中的气体进入钻井液, 随钻井液上返至地面, 地面的脱气装置搅拌钻井液, 溶解在钻井液中的气体就会逸散出来以供检测。本文探讨的是如何能够更加高效地搅拌钻井液, 以取得最佳的气体逸散效果。

关键词：钻井液,搅拌,逸散,检测

参考文献

[1] 地质录井方法与技术;集团公司井控教材编写组, 石油工业出版社, 2001年9月.