气测录井是石油勘探中一项关键的技术手段, 它能测量钻井时地下岩石释放到钻井液中的气体成分与含量, 获取诸多重要地层信息。该技术主要应用于油气勘探阶段, 可助力发现油气显示、初步判识油气水层、区分重质与轻质油层, 还能作为重要参考辅助决策, 为制定勘探计划与开采方案提供技术支撑, 提升勘探效率, 对后续勘探工作意义重大。气测数据的重要性决定了在采集过程中要尽量避免出现数据“ 丢失” 与漏取, 以防出现漏失油气层等严重后果。

录井仪中用于样气分析的色谱仪, 安装在离井口至少30 m远的仪器房中, 由氢气发生器、空气压缩机、样气泵、干燥管、气液分离器、冷阱等辅助设备协同支持^[1]。样气泵作为色谱仪分析系统的辅助设备之一, 负责将脱气器搅拌破碎钻井液析出的烃类气体抽吸到色谱仪中进行分析, 其抽气量与色谱仪性能有关。在作业过程中, 样气泵于全井施工期间持续开启, 仅在特殊工况（如起下钻、候凝、完井等）下才会关停维护。之所以选择这种工作状态, 是因为在钻进期间若样气泵跟随钻井泵高频率启停极易烧毁电机, 导致录井施工期间气测数据无法正常分析, 进而引发漏取资料事故。

目前, 胜利油区广泛使用安捷伦6890、安捷伦7890、SGC-3K、SGC-3KS等配备氢火焰离子检测器（FID）的快速色谱仪。虽也有直接安装在井口缓冲罐上的无FID色谱仪, 但在分析精度、分析周期、分析烃组分含量、可维护性等方面, 与当前广泛使用的配备FID的色谱仪有较大性能差距。因此, 在用的FID色谱仪不可避免地需借助样气管线, 且安装位置远离井口。依据色谱仪的仪器性能和样气管线长度, 样气管线延迟时间通常在2~10 min。钻井泵停泵后, 录井采集软件判断为停泵停止循环状态, 迟到井深数据停止更新, 但此时的样气泵依然在运转, 色谱仪继续分析样气管线内的气体, 在录井图上可明显看到气测曲线依然在延伸, 这些分析得到的气测值无法与迟到井深对应。而在钻井泵再次开启后, 因样气管线内气体已被分析完, 新的钻井液脱出的气体需在一个管线延迟时间后才能进入色谱仪被分析出来, 此时录井采集软件在开泵后的迟到深度已经正常更新, 两者时间不匹配造成了气测数据“ 丢失” 。以目前海上钻井平台钻时大小计算, 可能会造成多达十几米的迟到井深无法及时采集到气测数据, 造成气测数据“ 丢失” 。这些“ 丢失” 的数据虽可依据延迟时间、钻时、入口排量等参数进行滞后推算、人为找回, 但显著增加了现场的工作量, 时效性较差, 也会影响关键层位卡取, 延误油气显示落实, 影响下一步决策部署。此外, 由于不同人员的操作“ 手法” 不同, 找回的数据仅大致接近真实值, 并不精确。鉴于此, 设计了录井样气采集自动控制装置, 通过电磁阀进行样气管线气路切换, 保证样气分析的时效性, 并与录井采集软件的状态同步, 实现气测数据与迟到井深的精准对应, 从根本上避免气测数据“ 丢失” 。

录井样气采集自动控制装置的设计原则如下：①整体集成电路设计, 力求装置小巧便携; ②智能化控制, 借助单片机编写运行程序; ③对现有样气管线进行优化, 尽量减少改动; ④具备功能拓展能力, 符合录井现场设备运行规范。

该装置主要由供电单元、WITS录井软件、控制电路板、电磁阀、3014模块、RS-232串口通信、装置外壳等部分组成（图1）。装置通过精细设计, 可自动切换样气管线的抽吸方式。WITS录井软件实时采集钻井泵冲信号并对外发送; 控制电路板实现对数据源的数据判断、指令下达、输出电压等指令功能; 电磁阀根据单片机发出的信号, 控制样气气路切换, 实现了停止循环时样气管线内的气体暂停流动, 循环开始后抽吸样气管线内气体进行分析, 确保气测数据精准对应迟到井深; 3014模块对电压隔离、整流, 保护电路安全; RS-232串口通信负责录井软件与自动控制装置的通信^{[2, 3]}。

图1

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	图1 录井样气采集自动控制装置布局图

1.4 电磁阀

电磁阀的作用是精准控制样气气路切换, 确保钻井液循环时脱气器脱出的样气能够准确进入色谱仪进行分析, 且与录井采集软件中的循环状态保持同步。本设备采用美国MAC公司的45A-BC1-DDAA-1BA型号电磁阀（图2）, 24 V直流电供电。电磁阀设有3个气嘴（2个出气口, 1个进气口）, 一路与色谱仪相通, 一路连接样气管线, 另一路直通空气。其设计目的是：停止循环时, 样气管线中的气体保持静止, 样气泵抽吸空气; 循环开启时, 切断空气通路, 接通样气管线, 使样气顺利进入色谱仪进行分析。通过电磁阀的精确切换, 样气管线中的气体状态在静止与流动之间转换, 与录井软件状态准确对应, 实现设计目标。

图2

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	图2 电磁阀

1.7 装置外壳

外壳主体材质采用新型ABS材质, 尺寸为长200 mm、宽200 mm、高150 mm。在保护罩后面板, 设计有220 V交流三孔插座、3个黄铜内丝快锁接头以及一个RS-232串口通信母头（图3）, 分别用于外接电源、连接样气管线, 以及与录井采集软件进行串口通信。在外壳一侧, 开有直径80 mm的圆形蜂窝状小孔区域, 单个小孔内径为3 mm, 用于设备散热^[6]。整个装置体积小巧, 放置于仪器房后部, 靠近样气管线, 取用便捷。

图3

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	图3 装置外壳图

装置预先将两组二极管信号灯（一红一绿）连接至控制电路板上, 检查电路通断情况。录井样气采集自动控制装置各部件安装连接后, 利用录井采集软件自带模拟功能, 模拟钻井泵开泵状态。分别进行如下测试：将1^#泵冲数模拟为5, 其他2个泵冲数设为0; 将1^#与2^#泵冲数相加为5, 3^#泵冲数设为0等组合, 只要使3个泵冲数相加大于或等于5即可。同时开启WITS软件向外发送信号, 发送数据时间间隔为3 s, 在此过程中观察控制电路板工作状态。经测试发现：当3个泵冲数相加大于或等于5时, 绿灯亮, 录井采集软件显示为循环状态; 当3个泵冲数相加小于5时, 红灯亮, 录井采集软件显示为停止循环状态。由此测试可知, 录井样气采集自动控制装置能够依靠软件信号作出正确判断, 向外输出电流, 起到电源输出通断开关作用, 集成电路板功能得以实现^{[6, 7]}。而后进行电磁阀的切换功能测试, 表明电磁阀能够随着信号的输入进行切换, 实现对样气管路的打开与关闭, 实验成功。

录井样气采集自动控制装置在胜利油区进行了20余口井的现场测试应用, 正常运行时长累计780 d, 共18 720 h。通过电磁阀对录井样气管路的控制, 实现了样气管路气路的精准切换, 达成气测数据与迟到井深的精确对应。

图4为未启用“ 控制装置” 启、停泵时对气测曲线的影响, 从图中可以看出, 循环过程中气测曲线与泵冲的启、停不能同步, 施工状态不一致。在钻进至井深2 023.66 m停泵接立柱, 此时迟到井深更新至1 998.00 m, 气测数据明显还被分析, 气测长图曲线有明显拖尾滞后现象; 开泵后, 气测数据出值也明显滞后, 而迟到井深正常上返, 造成对应迟到井深的气测数据没有采集到。虽然这段数据并不是真的丢失, 而是以10 s间隔存到时间数据库中, 但无法直接被采集使用, 需要人工计算及寻找才能得到需要的数据。而每次启、停泵接立柱时, 气测数据库内（返砂深度）都有气测数据“ 丢失” 现象, 且随着钻井工艺水平提升, 钻时大幅减小, 这种“ 丢失” 数据现象愈加严重。

图4

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	图4 未启用“ 控制装置” 启、停泵时对气测曲线的影响

图5为启用“ 控制装置” 启、停泵时对气测曲线的影响, 从图中可以看到, 在钻进至井深3 567.76 m停泵接立柱, 期间有两次启、停泵, 此时迟到井深更新至3 551.00 m, 气测数据曲线能随着钻井泵停泵及时终止分析, 开泵时气测值也及时分析得出。即使频繁出现启、停泵现象, 气测曲线与钻井泵的启、停仍完美关联, 使得整个气测曲线长图错落有致、清晰整洁。即便钻时极小, 该装置也能精准地将气测数据与迟到井深对应, 确保每米深度都能精确采值, 有效避免气测数据“ 丢失” , 保障迟到数据库中数据完整。优化后的气测长图曲线, 也让操作人员更易于观察、辨认油气显示。

图5

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	图5 启用“ 控制装置” 启、停泵时对气测曲线的影响

（1）录井样气采集自动控制装置安装在样气管线上, 可依据工况实时切换样气管路, 让管线内的气体能够按实际工况进行分析, 与录井采集软件时效同步, 精准采集气测数据并确保其与迟到井深对应, 有效避免了数据“ 丢失” 。同时, 优化气测曲线长图界面, 使其清晰整洁, 关键数据一目了然。

（2）该装置仅对样气管路进行微小改动, 却解决了国内录井现场困扰多年的气测数据采集问题, 特别适合当下钻井提速及快速钻进时的准确采值, 助力现场地质技术员的卡层、落实油气显示等工作, 提升了现场油气发现率。同时, 装置小巧便携、操作和维护简便, 可广泛适配各类录井仪。

（编辑 郑春生）