基于膜分離技術在鉆井液中含氣檢測的應用

高永慧，楊瑞臣，耿小丕，楊 洋，楊華麗

(1.承德石油高等專科學校 社科與數理部，河北 承德 067000;2.河北省儀器儀表工程技術研究中心，河北 承德 067000)

在石油勘探中，當鉆穿油、氣層時，就會有大量的烴類氣體侵入到鉆井液中，形成混相介質。實時檢測循環到地面的鉆井液中烴類氣體含量，可了解地下地質情況，及時發現油、氣層信息，避免油、氣資源的浪費［1］。傳統的檢測方法是把鉆井液在脫氣器中進行攪拌脫氣，分離出鉆井液中的烴類氣體，然后利用載氣系統將其送入在線氣相色譜儀進行分析，進而得到鉆井液中烴類氣體的含量，但這種測定方法存在脫氣不定量、檢測不連續、信號延遲等缺點，尤其是在鉆井液中烴類氣體飽和時，會造成氣體檢測值偏高，甚至達100%，嚴重影響了對油氣儲層的評價［2］。為有效分離鉆井液中的烴類氣體，客觀反應油氣層的儲藏情況，本文結合國內外鉆井液含氣檢測技術的發展趨勢，利用半透膜分離技術制作出了一種接觸式油氣分離器，即膜分離器，并在動態條件下，對不同性能鉆井液的分離情況進行了研究，建立起了檢測值與鉆井液含氣濃度、密度、粘度之間的關系，并反演出了鉆井液中真實烴類氣體的含量。

1 膜分離技術的原理

膜分離技術，是借助于膜的選擇與滲透作用，在外界能量或化學位差的作用下，對多組分混合物(液體或氣體)進行分離、分級、提純的過程。從宏觀上看，膜分離技術與“過濾”相似，但微觀上看，它又不像“過濾”那樣使小分子通過濾膜那樣簡單，而是在氣體分子透過聚合物膜時，首先吸附于膜的外表面，然后溶解于膜內，并透過膜，在膜的另一側面解吸并擴散。鉆井液烴類氣體的膜分離過程，如圖1 所示。載氣的作用是不斷地帶走透過膜且進入另一側的烴類氣體，以提供分離的推動力，保持檢測的連續和穩定性，同時可解決樣品氣不足的矛盾［3］。烴類氣體透過膜的體積滲透率可用下式表示［4］:

式中:k 為滲透系數，單位cm2/(s·Pa);S 為膜面積，單位cm2;ΔP 為膜兩側的壓差，單位為Pa;d 為膜的厚度，單位為cm。不同材料的膜對氣體有不同的滲透系數，這就是膜分離的選擇性，k 值越大說明膜的選擇性越好，滲透氣的純度高;v 值越大，則膜的分離能力越強。

2 膜分離器的設計

在鉆井現場，上返的鉆井液具有高溫、攜帶泥沙的特點，作業環境相對惡劣。所以滲透膜的選取應具備一定的強度，適應高溫工作環境，并能承受一定的鉆井液沖擊力，能夠選擇性通過含C1～C8烷烴類油氣組分。為此采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為油氣分離的半透膜［5，6］，它是有機硅材料中的一種，化學性質非常穩定，具有顯著的疏水性，能透過烴類組分，膜兩側壓差不小于50 kPa，燃點高，可在－50 ℃～180 ℃溫度范圍內長期使用，滿足工程要求。

膜分離器組件采用平板式，用長為170.0 mm、寬為28.0 mm、厚為8.0 mm 耐腐蝕的不銹鋼作為膜組件，其表面兩側對稱設計了回型凹槽，用于其內部構架平板膜的矩形氣體通道，將制備好平板膜分別置于兩側，用相應的固定板條將平板膜固定密封即可，膜組件用Φ3 mm 的標準氣路接頭，可與氣體傳輸管線直接相連，膜分離器也可稱為探頭，如圖2 所示。

3 實驗裝置與鉆井液的配置

鉆井液循環裝置由四部分構成:即供氣部分、氣液混相部分、動力部分和測量部分，在工作過程中含氣鉆井液處于完全密閉狀態，如圖3 所示。

供氣部分:實驗用氣樣由雪龍氣體服務有限公司生產，每瓶8 升，壓力7.0 MPa，為了能夠很好地模擬鉆井現場鉆井液含烴類氣體的真實情況，氣樣濃度分別為0.99%、2.50%、9.99%、50.00%、99.90%等。

混相部分:是由泥漿槽和氣泡分布器組成，泥漿槽長280.0 mm，寬180.0 mm，高350.0 mm;泥漿槽內置相距120.0 mm 的雙層氣泡分布器，并隨機分布著32 個直徑為1.0 mm 小氣孔。當氣樣通過氣室進入氣泡分布器后，便在槽里泥漿中形成較均勻的氣－液混相介質。另外每次試驗所注氣樣一般分2 ～3 次來完成，且每次注氣后都要循環泥漿3 min 左右再進行下一次注氣，這樣使樣氣更加均勻分布在鉆井液中。

動力部分:選用G30－1 型具有防爆功能的螺桿泵，具有對介質適應性強，流動平穩，壓力脈動小等特點，可輸送高粘度介質、含固體顆粒或軟顆粒(氣泡)介質等。功率為22 kW，揚程66 m，排量4 m3/h，能夠很好滿足實驗要求。

測量部分:由對膜分離器分離出來烴類氣體的檢測和循環鉆井液中烴類氣體的真實含量的標定這兩部分構成。檢測部分是將膜分離器(探頭)安裝在由一個長為560.0 mm，直徑為114.0 mm，壁厚為6.0 mm 的鋼管構成測試區內，探頭通過密封格蘭與其連接，測試位置具有代表性。這樣當含有一定量烴類氣體的鉆井液流過測試區時，探頭將鉆井液中烴類氣體分離出來，通過載氣將其輸送到檢測儀器。檢測儀器采用DATALOG 公司生產的全烴檢測儀，它由氣動控制模塊、電子控制模塊、氣體檢測裝置、環境控制模塊構成，其測量范圍:0.02 ～100%(2 個量程)，測量精度為0.02%。

實驗裝置內循環鉆井液含氣濃度的標定采用下式［7］:

式中:c 為氣液循環裝置內鉆井液含氣濃度，用%表示;vg為注入氣樣的體積，單位為L;v0為整個循環系統內鉆井液的體積，單位為L;cg為注入氣樣濃度，用%表示。注入氣樣的體積由實驗裝置中的節門5 來控制。

實驗所用鉆井液(泥漿)的配置按照要求先從低粘度和低密度開始，所用材料有增粘劑(CMC)、分散劑、乳化劑、膨潤土、重晶石、穩定劑、原油等。泥漿的攪動采用NS－1VM 電動攪拌器，粘度測量采用MN 型馬氏漏斗式粘度計，密度測量用NB－1 型泥漿比重計。

4 實驗結果

4.1 檢測值與鉆井液中烴類氣體真實含量的相關性

鉆井液的密度、粘度以及鉆井液中烴類氣體的多少都會對膜分離器的分離效果產生一定的影響。在實驗中采用水基鉆井液，循環壓力為0.6 MPa，溫度為26 ℃。若鉆井液經膜分離器分離出來的烴類氣體的檢測凈值用g 表示(檢測凈值為鉆井液注入氣樣后的檢測值與未加入氣樣時的檢測值之差)、鉆井液中加入的真實烴類氣體的含量用β 表示、密度用ρ 表示、粘度用η 表示，在鉆井液密度ρ 為1.15 g/cm3、粘度η 為70 s 時，通過注入氣樣，改變鉆井液中烴類氣體的真實含量β，進而對膜分離出來的烴類氣體進行檢測，得到他們之間的關系如圖4 所示。其擬合的曲線方程為:

從圖4 中可以看出隨著鉆井液烴類氣體含量增大，檢測凈值也隨之增大，且相關性很好，但不是線性關系，這與膜氣液分離的實際情況一致。對于其他密度、粘度下的實驗，也得到類似的關系。

4.2 檢測值與鉆井液粘度的相關性

根據鉆井現場對泥漿參數的具體要求，在鉆井液密度ρ為1.15 g/cm3、含氣量β 為3.57%時，改變鉆井液的粘度η，進而對膜分離出來的烴類氣體進行檢測，得到他們之間的關系如圖5 所示。其擬合的曲線方程為:

從圖5 中可以看出鉆井液粘度對檢測凈值g 有影響，在粘度η 小于70 s 時，檢測凈值隨粘度變化而增大，高于70 s 后，系統的檢測凈值隨粘度變化而明顯減小。這說明泥漿的粘度在高于某一值后，影響了PDMS 半滲透膜對烴類氣體分子的吸附作用，使膜分離油氣的效果降低。在其他密度、含氣量參數下實驗，也得到類似的關系。

4.3 檢測值與鉆井液密度的相關性

從鉆井現場對泥漿參數的要求出發，在密度為1.15 g/cm3、1.25 g/cm3時，對鉆井液的檢測凈值隨含氣量和粘度的變化關系分別進行比較，如圖6、圖7 所示;

從圖6、圖7 可以看出不同密度的兩條測試曲線基本上都是重合的，說明在鉆井液含氣濃度、粘度變化時，密度對系統的檢測凈值基本上沒有影響，可以忽略鉆井液的密度對檢測值的影響。對于其他相應參數下實驗，也得到類似的關系。

5.4 反演鉆井液中烴類氣體的含量

通過對鉆井液中檢測凈值影響因素的分析和比較，鉆井液含氣濃度β 對檢測凈值g 影響較大，鉆井液的粘度η對檢測凈值g 也有一定的影響，密度ρ 對鉆井液檢測凈值影響較小，這樣在忽略密度的情況下，構建鉆井液檢測凈值與含氣濃度和粘度之間的數學模型，即

在鉆井過程中，某一個階段所用鉆井液的粘度、密度等都是已知的，只要對膜分離出來的氣體檢測出g 值，就可以利用此模型，反演出鉆井液中真實烴類氣體的濃度，及時了解地下油氣層的情況。我們對所有實驗點進行多元非線性擬合，如圖8 所示。得到鉆井液中烴類氣體的濃度為:

對該模型反復驗證后，結果發現對鉆井液含氣濃度較小和較大時誤差稍大，最大絕對誤差為0.77%，對中間試驗點穩合較好，能夠滿足鉆井工程的要求。

5 結束語

綜上所述，利用膜分離技術制作了鉆井液油氣分離器，對不同密度、粘度及含氣濃度的水基鉆井液進行了分離烴類氣體的實驗。在實驗范圍內，其全烴檢測凈值與鉆井液中真實氣體的含量有很好的相關性，能夠通過檢測全烴凈值來反映鉆井液中的含氣濃度;鉆井液密度對檢測凈值影響很小，可以忽略其對膜分離效果的影響，鉆井液粘度對膜分離效果有影響，粘度高于70 s 后，檢測凈值隨粘度變化而明顯減少，膜分離效果降低。考慮這些因素后，建立數學模型，反演得到鉆井液中烴類氣體的真實濃度，這對鉆井過程中及時得到地下油氣層的數據信息、保證鉆井安全具有一定的指導意義。

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