基于抽吸原理的岩屑自动取样系统研制及应用.pdf
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1、录 井 工 程第34卷第2期基于抽吸原理的岩屑自动取样系统研制及应用王全全甄 建黄万国张增旺郑海军胡学武(中国电波传播研究所;中国石油渤海钻探第一录井公司)王全全高级工程师,1985年生,2012年毕业于郑州大学电路与系统专业,现在中国电波传播研究所从事地球物理勘探装备的研发工作。通信地址:453000 河南省新乡市牧野区建设东路84号。电话:(0373)3712451。Email:0引言岩屑录井是地质录井作业过程中一种常规的、基础的地层勘探技术,由于获取的是地层的第一手资料,一直以来岩屑录井在对储层的综合评价、油藏的精细刻画、勘探开发的指导方面发挥了至关重要的作用。近年来,地质分析技术取得了
2、长足进步,涌现出了 XRF、XRD、三维定量荧光、激光扫描共聚焦和核磁共振等分析手段,但岩屑样本的获取方式仍停留在“一人一盆一棍”的初级阶段。随着钻井提速提效,当前获取岩屑的方式无论是实时性、准确性,还是可靠性均无法满足勘探开发的需要,因此亟需研制一种适应现场环境、满足快钻时需求、自动可靠的岩屑取样系统1。摘要针对钻井岩屑样本取样智能化的迫切需求,瞄准提升岩屑代表性、样本获取及时性、运行可靠性,以及井场适应性等综合目标,研制了基于抽吸原理的岩屑自动取样系统,采用抽吸式取样技术和防混叠、固相/液相快速分离技术解决了常规取样方案由于岩屑混叠导致地层代表性差的问题。通过地层岩屑返出模型分析,应用机电
3、一体化技术、RFID井深归位技术和岩屑取样自适应控制算法,实现系统小型化和适应性设计,解决了钻井现场复杂多变环境下的适应性难题。通过多口井的现场应用,充分验证了系统的岩屑取样代表性、可靠性、适应性和易用性,为录井朝着一体化、智能化方向发展奠定了基础。关键词抽吸式岩屑自动取样固液分离无线通信RFID中图分类号:TE 132.1文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.16729803.2023.02.014Research and application of cuttings automatic sampling system based on suction principleWA
4、NG Quanquan,ZHEN Jian,HUANG Wanguo,ZHANG Zengwang,ZHENG Haijun,HU XuewuChina Research Institute of Radiowave Propagation,Xinxiang,Henan 453000,China;No.1 Mud Logging Company,BHDC,CNPC,Tianjin 300280,ChinaAbstract:Aiming at the urgent demand for the automation of geological sample sampling in the mud
5、 logging industry,we arecommitted to improving the representativeness of cuttings,timeliness of sample acquisition,operational reliability,welladaptability.A cuttings automatic sampling system based on suction principle is proposed.The suction sampling technology,antialiasing and fast solidliquid ph
6、ase separation technology,are used to solve the problem of poor formation representationdue to cuttings mixing in the conventional sampling scheme.Through the analysis of the formation cuttings return model,theelectromechanical integration technology,RFID well depth homing technology and cuttings sa
7、mpling adaptive controlalgorithm are applied to realize the miniaturization and adaptive design of the system and solve the complex and changeableenvironmental adaptability problem of the drilling site.Through the application of this system in multiple wells,therepresentativeness,reliability,adaptab
8、ility and ease of use of the systems cuttings have been fully verified.This system haslaid a foundation for the development of mud logging towards integration and intelligence.Key words:suction type,cuttings,automatic sampling,solidliquid separation,wireless communication,RFID引用:王全全,甄建,黄万国,等.基于抽吸原理的
9、岩屑自动取样系统研制及应用J.录井工程,2023,34(2):8387.WANG Quanquan,ZHEN Jian,HUANG Wanguo,et al.Research and application of cuttings automatic sampling systembased on suction principleJ.Mud Logging Engineering,2023,34(2):8387.83录 井 工 程装备2023年6月1研制目标关于岩屑自动取样技术方面的研究,最早可以追溯到20世纪60年代,由于当时钻速慢,对相关设备需求不是特别迫切,近些年随着人力成本不断高涨,
10、钻速加快,对关键层位的卡取变得越来越困难,提升岩屑样本真实性成为录井行业的一个焦点问题,越来越多的人员投入到岩屑自动取样系统的研制中2。但由于现场工作环境恶劣、捞取对象特性复杂、可靠性要求更高、现场资源受限等因素影响,仍没有一款产品能够彻底解决这个看似简单的问题。因此,设计了基于抽吸原理的岩屑自动取样系统,研发重点定位在解决岩屑的地层代表性、系统的现场适应性及可靠性3个方向(图1)。2总体设计为了适应不同井场安装环境,进一步提升岩屑样本地层代表性,打破传统振动筛后端取样方式,改为从井场高架槽内直接获取岩屑样本。若要从高架槽内实时获取岩屑,就需要充分考虑井场环境,而井场环境复杂多变,高架槽结构亦
11、是多种多样,如圆柱形槽体、密闭式槽体,同时缓冲槽周围空间大小也具有不确定性,为了能够适应井场复杂的安装环境,提升系统环境适应性,设计了基于抽吸原理的岩屑自动取样系统,系统总体方案如图2所示,由抽吸式取样装置、固相/液相分离装置3、岩屑自动取样主控单元、岩屑传送/存储单元、上位机软件等部分组成。抽吸式岩屑自动取样系统就是针对钻井液粘稠、颗粒物多的特点,兼顾井场安全要求,选用气源驱动、防腐、耐磨的取样泵直接获取高架槽内实时从井底返出的钻井液,通过小型固液分离装置,实现岩屑和钻井液分离,分离出的岩屑自动称重、传送与存储,并通过RFID技术实现岩屑盒与迟到井深的一一对应,钻井液无需依靠自身动力即可回流
12、至钻井液循环罐内。上位机软件通过WITS方式获取钻井工程参数和钻井液参数,并设计智能取样算法自适应调整取样速度,以满足不同钻时条件下,对岩屑自动取样系统取样量和取样实时性的要求。2.1抽吸式取样装置抽吸式取样装置采用了小型化、模块化的设计理念,安装过程无需钻井配合,也不影响钻井作业,模块最大质量不超过60 kg,人工即可完成系统安装。岩屑自动取样系统在设计时充分考虑了安全性和适应性,采用在井场非常容易获取的气源作为驱动动力,现场可从钻井液罐区液位报警器处分出一根气管线作为动力源。在钻井过程中由于振动筛前端缓冲槽内钻井液流速减弱导致岩屑沉淀,在缓冲槽内会存在大量岩屑堆积现象,这将对振动筛返出岩屑
13、与地层对应关系产生影响。为了获取更具代表性的岩屑样本,采用泵抽的方式在钻井高架槽内获取由井底实时返出的钻井液,再由固液分离装置得到岩屑样本4。取样速度应满足一定条件,岩屑自动取样系统才可能在规定时间内(捞砂间隔)取到足够多的岩屑样本(500 g)。为了得到取样速度最低标准,假设岩屑从井底返出过程中是均匀分布在钻井液内,具体分析过程如下。岩屑自动取样系统在规定时间t内获取到岩屑样本 m取样,取样速度与钻井液出口流量应满足下列关系:m取样mV取样tV出t(1)可推导为:m取样L(d/2)2V取样V出(2)式中:m为钻井进尺L时产生的岩屑总质量,g;L为取样长度,cm;V取样为取样泵流量,L/min
14、;V出为钻井液出口流量,L/min;d为钻头直径,cm;为岩屑密度,图1岩屑自动取样系统研制目标图2岩屑自动取样系统总体构成 84第34卷第2期王全全等:基于抽吸原理的岩屑自动取样系统研制及应用g/cm3;为取样效率,取值范围01。推导出V取样应满足:V取样m取样V出/L(d/2)2/(3)为此,设定获取的岩屑样本质量m取样500 g,取样长度 L100 cm,钻井液出口流量V出变化范围为5003 000 L/min,钻头直径 d 选取 4 种尺寸 21.5、24.1、31.1、35 cm,3 g/cm3,0.5,则V取样同V出之间关系如图3所示:当V出最大,钻头直径d最小时,可得出V取样最小
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