氦气是一种不可再生的自然资源, 目前唯一的获取方式是从天然气储层中开采。氦气资源在全球分布极其不均, 主要分布在美国、阿尔及利亚、卡塔尔、俄罗斯、波兰等国, 其中美国的氦气产量与储量均居世界首位。氦气资源关系国家安全和高新技术产业发展, 被广泛应用在军事、医疗、工业、航空等高精尖领域, 具有十分重要的工业资源地位^[1]。随着高新产业的迅速发展, 我国氦气资源的需求量与日俱增, 但我国氦气资源匮乏, 几乎全部依赖进口。随着勘探技术的提高, 氦气在我国部分地区陆续被发现, 使得氦气获取模式从依靠进口逐步向油气藏勘探开发进行转变。

录井信息对认识和评价储层, 指导油气藏的勘探开发和优化生产过程具有重要的意义^[2]。在氦气气藏勘探开发过程的各个阶段, 气测录井都发挥着关键作用。气测录井是一种在勘探阶段用于识别地层中油气水类型的重要方法, 可以直接测量地层中气体的成分与含量, 进而根据测量资料解释地层中油气水状况^[3]。现有的气测录井技术是通过脱气器脱离并收集返至地面的钻井液中的气体, 测量其物质组分, 从而间接地对地层进行评价。脱气器是气测录井设备中部署在最前端的装置, 其对钻井液脱气采样的稳定性和准确性, 将直接影响到气测录井解释评价的真实可靠性^[4]。在录井作业过程中, 当钻井液出口流量发生变化时, 传统的脱气器需要人工频繁调节其高度, 若调节不及时, 会发生液位过高或过低现象, 影响设备正常使用并导致收集气体资料失真^{[5, 6]}。在钻井液经环空返至地面的过程中, 随着温度、压力等环境条件的改变, 氦气等不易溶于钻井液的气体随着钻井液上升至地面后, 会经液面直接逸失到空气中。另外, 电动脱气装置由于安装位置距离钻井液出口较远, 无法收集钻井液出口管道内逃逸的氦气, 严重降低了氦气收集的有效性, 从而影响氦气气藏勘探的可靠性。

为解决上述问题, 研发设计了防逃逸式氦气收集装置, 针对钻井液出口氦气逸失的问题, 专门设计了防逃逸补气管, 将该装置放置于钻井液槽中, 固定在钻井液管道出口位置, 装置中的防逃逸补气管直接与钻井液出口管道连接, 便于将管道钻井液中逃逸的氦气及时补充至集气室内。该装置可以方便及时收集钻井液中气体, 减少氦气逃逸, 提高了氦气气藏勘探的可靠性和有效性。

防逃逸式氦气收集装置的设计要求如下：一是整体结构简单, 操作方便, 设备维护保养方便; 二是集气室密封不漏气, 确保收集气体的可靠性, 且具备收集钻井液中逸出氦气的功能; 三是装置稳定性好, 安装于钻井液槽内钻井液管道出口位置, 耐钻井液冲刷不倾倒; 四是安装方式灵活方便, 可在不同类型钻井液槽中安装使用, 符合综合录井仪现场安装技术规范^[7]。

1.1 总体设计

防逃逸式氦气收集装置由集气室、浮筒、固定装置、防逃逸补气管、集气管、提手等组成（图1）, 各部件之间采用焊接方式连接。集气室的设计需确保内部空间密封, 进入集气室的气体不容易逃逸, 为此要求集气室开孔区域完全浸入钻井液之中^[8]。考虑到防逃逸式氦气收集装置始终处于流动的钻井液槽中, 为提高其在钻井液冲击下的稳定性和集气过程的可靠性, 整套装置采用对称结构。浮筒为两个大小相等、形状相同的筒状结构, 焊接在集气室两侧, 为减少钻井液流动对浮筒稳定的不利影响, 对筒体前后两端作削斜处理。

图1

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	图1 防逃逸式氦气收集装置整体视图

1.2 集气室设计

集气室采用厚度为0.5 mm的304不锈钢加工而成, 由集气罩和防堵管组成。集气罩的最前端为挡板, 中间段由水平上盖板、倾斜盖板以及两块梯形侧板组成, 后端为导流尾板。集气罩水平上盖板可以增加集气空间, 在体积一定的情况下, 使整套集气装置最大限度增加集气面积。倾斜盖板和导流尾板可顺应钻井液流动方向, 有效减少钻井液的流动阻力, 防止集气罩内钻井液流动受阻造成的钻井液飞溅从而堵住集气管通道^{[9, 10]}。集气罩的挡板为高130 mm、上边长200 mm、下边长305 mm的等腰梯形板。集气罩的两边为两块梯形侧板, 其垂直高度为130 mm, 上边长为150 mm, 下边长250 mm。水平上盖板为一块长方形板, 尺寸为200 mm× 150 mm。水平上盖板与挡板、两块梯形侧板共同组成集气罩的盒状集气空间。倾斜盖板为一块等腰梯形板, 上边长为200 mm, 下边长为305 mm, 腰长165 mm。导流尾板是一块长方形板, 尺寸为305 mm× 50 mm, 对集气罩内流动的钻井液起到一定的导流作用。为防止抽取集气室样品气体时, 集气罩内钻井液上溅堵住集气管, 在集气室上方增设防堵管。防堵管位于集气罩水平盖板上方, 为直径80 mm、高80 mm的筒型结构, 选用厚度为0.5 mm的不锈钢管加工而成。图2、图3分别为集气室的俯视图和侧视图。

图2

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	图2 集气室俯视图

图3

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	图3 集气室侧视图

1.3 浮筒设计

浮筒安装在氦气收集装置的两侧, 与集气室的两块梯形侧板焊接。梯形侧板的底边焊接在浮筒下方1/3高度处。该高度可确保整套氦气收集装置置于钻井液中时, 集气室下端完全浸没于钻井液中, 确保气体不逃逸。浮筒为直径80 mm、长400 mm的筒型结构, 长度大于集气室总长度。浮筒前后两端面为椭圆形截面, 与水平方向夹角为65° （图4）。浮筒前后两端面和圆柱状筒体焊接在一起, 共同组成密封的筒体, 为整套氦气收集装置提供浮力。

图4

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	图4 浮筒视图

1.4 补气管、集气管及其他设计

氦气收集装置的补气管和集气管焊接在防堵管顶端平面上, 补气管为直径10 mm、长50 mm的圆管, 集气管为直径6 mm、长50 mm的圆管。补气管顶端连接抽气设备, 通过软管与钻井液出口管道连接, 抽气装置抽取钻井液出口管道中逃逸的氦气, 并及时补充到集气室中。集气管顶端连接气体采集设备的采集管, 采集设备通过集气管采集集气室内的气体, 以便进行下一步检测。

在集气室水平上盖板表面焊接提手, 当气体采集工作完成后, 工作人员通过提手可轻易将氦气收集装置取出并清洗。提手也可作为防逃逸式氦气收集装置的固定支柱, 施工现场配备有可调节长度的绳索, 根据装置在现场的具体安装位置, 绳索一端连接在提手的竖直段, 另一端连接在现场固定支架上。为防止氦气收集装置受力不平衡发生倾倒, 可将两根绳索对称固定于氦气收集装置的提手上。提手采用直径6 mm钢管弯制而成, 为方便现场工作人员实际操作, 提手的焊接位置与防堵管的间距不小于20 mm。图5为补气管、集气管及提手等装置结构示意图。

图5

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	图5 补气管、集气管及提手等装置结构示意

防逃逸式氦气收集装置的集气室侧板焊接在浮筒下方1/3高度处, 为保证集气室的密封可靠, 应确保该装置在钻井液中浸没深度大于1/3浮筒直径。浮筒浮力、装置重量等理论计算如下。

防逃逸式氦气收集装置在新疆X井进行了现场应用测试。通过与常规电动脱气器并测作业对比, 验证防逃逸式氦气收集装置的结构稳定性、集气室密封性及集气效果。将防逃逸式氦气收集装置安装在钻井液出口缓冲槽内, 测试前安装好采集管线、补气管线及配套装备, 并连接气测分析仪, 进行气测录井记录。为保证测试的一致性, 现场采用同批次钢瓶的标准气体。图6为防逃逸式氦气收集装置现场应用试验安装图。

图6

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	图6 防逃逸式氦气收集装置现场应用试验安装

如图6所示, 电动脱气器安装于缓冲罐左侧角落, 钻井液出口位于缓冲罐右侧底部, 防逃逸式氦气收集装置面对缓冲罐内钻井液流向安装, 紧临电动脱气器并紧靠钻井液出口。本次测试启用一套备用气管线和备用泵, 先测试防逃逸式氦气收集装置的采集效果。现场试验人员从钻井液入口处分两次注入浓度为99%的标准氦气, 经过一个循环周期后, 综合录井仪监测到第一次、第二次出峰最高值分别为0.003 69%、0.001 57%。此后, 使用同一套备用气管线和备用泵对电动脱气器进行试验, 试验人员从钻井液入口处分两次注入同批次钢瓶的浓度为99%的标准氦气, 注入量及时间间隔与第一次试验一致。经过一个循环周期后, 综合录井仪监测到第一次、第二次出峰最高值分别为0.000 95%、0.001 07%。

从综合录井仪对试验过程的监测数据可以看出, 防逃逸式氦气收集装置的两次出峰最高值均明显大于常规电动脱气装置的出峰值。这表明在相同试验设备和测试条件下, 防逃逸式氦气收集装置收集到的氦气明显多于通过电动脱气器收集到的氦气。另外, 根据现场安装位置可以看出, 防逃逸式氦气收集装置具备良好的自浮性和稳定性, 能有效适应钻井液面波动, 可安装在距钻井液出口较近处。因此, 在氦气气藏勘探过程中, 防逃逸式氦气收集装置的应用优势相比于常规电动脱气装置更为明显。

（1） 防逃逸式氦气收集装置结构设计合理, 能有效降低钻井液液面波动对自身稳定性的影响, 可直接放置在返出钻井液管道出口位置处, 而电动式脱气装置安装于钻井液缓冲槽中液面平稳的位置, 与钻井液出口位置相距较远。防逃逸式氦气收集装置的抗液面波动干扰效果比电动脱气器更好。

（2） 防逃逸式氦气收集装置重量轻、体积小, 便于现场工作人员根据实际情况灵活摆放, 提高了实用性。试验中, 防逃逸式氦气收集装置浸入钻井液液面的深度大于焊缝的垂直高度, 使集气室处于密封状态, 确保进入集气室的气体不逃逸。

（3）氦气随钻井液排出过程中, 随着钻井液的上返, 其逸散加快, 因而防逃逸式氦气收集装置采集气体的量与该装置在钻井液缓冲槽内的安装位置密切相关, 现场尽可能将装置安装在距离钻井液上返出口较近的位置。

（编辑 唐艳军）