基于抽吸原理的岩屑自动取样系统研制及应用.pdf

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：[phone]。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 principleWANG 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 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 phase 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 sampling 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，adaptability 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，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；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取样最小值，即V取样27.56 L/min即可满足取样要求。2.2固相/液相分离装置固相/液相分离装置由侧板、筛网、支撑横梁、支撑弹簧、骨架、激振电机和张紧装置组成。物料从直线筛进料段进入振动体，振动体在双电机激振器的周期运动作用下形成特定轨迹的振动，物料在振动体筛网上向前运动，通过筛网对物料进行固相和液相的分离5。分离装置直线筛的动力来源于两台规格型号相同的振动电机，如图4所示。振动电机两端偏心轮的偏心质量和偏心距都相等，以 Y 轴为对称轴对称安装，Y轴通过筛机的质心，并与筛面呈45夹角，两台振动电机速度相同，初始相位相差180，旋转方向相反，振动电机偏心轮产生的瞬时离心惯性力，沿X轴方向激振力相互抵消，沿 Y 轴方向总是保持相互叠加，从而合成单一方向的激振力，当振动电机的偏心块运动到图5a和图5c位置时，两个电机在Y轴上产生的激振力完全叠加，这时激振力达到最大值，当偏心块运动到图5b和图5d位置时，产生的离心惯性力完全相互抵消，激振力最小，数值为0。这样激振力大小呈周期性规律变化，实现了振动筛在Y轴方向上的往复直线运动。当振动筛运转处于任意时刻t时，其激振力计算公式如下：PyMr2sin（t）Psin（t）式中：Py为沿Y轴方向的激振力，N；P为最大激振力，N；M为激振器上的偏心块质量和，kg；r为偏心块的回转半径，cm；为激振器的回转角速度，rad/s。2.3岩屑自动取样主控单元岩屑自动取样主控单元构成如图6所示，由信号采集电路、状态检测电路、振动电机驱动电路、外设控制电路、RFID检测电路、无线通信电路5和数据存储电路组成。（1）信号采集电路：包括信号调理、多路模拟开关、24位A/D转换电路，可实现岩屑重量、系统气源消耗量、管线温度测量，并具有数字陷波功能，可以有效抑制50 Hz工频干扰6。（2）状态检测电路：岩屑取样过程中各电气、机械、气动部件需要通过严谨的逻辑配合才能实现取样功能，各动作均由上位机软件根据井场工况通过下行指令来控制硬件系统，存在取样流程不可控风险，因此设计时需要对取样流程全方位感知（每一个动作），通过安装霍尔型、电感型接近开关传感器，实现对推杆、气缸和升降台各动作以及岩屑盒位置状态的检测。（3）振动电机驱动电路：实现固液分离装置中双振动电机振动控制，振动速度可根据需要进行自适应调整，并使振动电机输出振动力相位始终相差180，图4固相/液相分离装置外观图5振动电机偏心块在不同位置所受激振力图3取样速度与钻井液出口流量、钻头直径关系 85录 井 工 程装备2023年6月使激振力输出达到最大值。（4）外设控制电路：外设控制电路主要作用是通过控制气动推杆、气动升降台、旋转气缸、气动泵、电机状态，实现取样流程状态控制。（5）RFID检测电路：装载岩屑的岩屑盒上安装有射频标签，通过RFID读取电路可对岩屑盒底部标签码进行识别，传送至上位机软件内，实现岩屑盒与迟到深度的一一对应7。（6）无线通信电路：岩屑自动取样主控单元通过无线方式与上位机软件间进行数据交互，并设计了无线控制遥控器，便于在调试阶段对系统各功能模块进行调试。（7）数据存储电路：通过存储电路，可实现对系统硬件电路重要参数和状态的保存。2.4岩屑传送/存储单元岩屑传送/存储单元（图7）通过集合器、岩屑盒、称重传感器、RFID读卡器以及气源驱动的传送推杆、升降平台的动作控制，实现了岩屑收集、称重、传送和存储，最大可支持10盒岩屑的存储。本单元上安装有接近开关传感器，信号由岩屑自动取样主控单元获取，可对岩屑盒传送过程中各状态进行实时监测。3现场应用情况在长庆苏里格南油田开展了多口井的应用。岩屑自动取样系统上位机布置在录井地质房内，通过一根网线同录井采集机处于同一个局域网内，以WITS的方式获取录井的迟到深度、井深、钻头位置、钻时、立管压力、泵冲等参数8，岩屑自动取样系统设计了岩屑取样算法，可以根据钻时自适应控制岩屑取样流程，从而获取更具代表性的岩屑样本。由于WITS传输8的是实时钻时，而迟到深度对应的是历史钻时，采用SQLServer网络读写技术，读取录井应用软件的数据库，可获取迟到深度所对应的钻时数据（图8）。岩屑自动取样系统同下位机之间采用无线方式进行数据通信，无需架设任何连接线缆，仅需要在地质房上方架设一个无线接收节点即可实现通信与控制，系统布局如图9所示。在苏里格南油田应用过程中，为了验证系统的各方面性能，录井队设置人工捞砂、自动捞砂双岗作业，对岩屑自动取样系统岩屑取样量、岩屑代表性、可靠性、易用性方面进行了充分验证。（1）岩屑取样量：虽然根据苏南区块作业要求，岩屑无需装袋，仅在岩屑盒内留够观察样即可，但为了评估基于抽吸原理的岩屑自动取样系统实际捞取量是否可以满足500 g的行业要求，让现场操作人员将取样量控制在500 g以上。这套系统可以根据迟到钻时（迟到深度对应的钻时）对取样速率和传送速率进行自适应调整，并能对捞取的岩屑量实时测量，经应用检验获取的岩屑量都可达到500 g以上。（2）岩屑代表性：将岩屑自动取样系统捞取的岩屑同人工捞取的岩屑进行对比，由现场录井地质专家和甲方地质监督进行了评估，岩屑自动取样系统捞取的岩屑对地层的表征能力，以及薄层捞取的实时性和准确度方面均可满足岩屑描述要求，确保了地质剖面的连贯性，并且取样管线前端的取样头也可以更好地滤除“假性”岩屑带来的干扰。（3）可靠性：在连续运行过程中，发生过一次由于图7岩屑传送/存储单元图6岩屑自动取样系统硬件构成 86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录井实时采集机软件重启，导致同其建立的WITS连接断开，岩屑自动取样系统迟到数据不更新的情况，在及时发现再次建立连接后问题得以解决。除此之外，系统整个连续运行过程中硬件和软件系统均未出现故障情况。在软件优化中将增加WITS断开提示和重连机制。（4）易用性：据现场采集人员反馈，在本系统完成设置，点击自动捞砂后，系统开始捞砂、岩屑称重、岩屑传送、岩屑存储、捞取速度调整、岩屑盒同井深归位、岩屑盒装满后清零以及下个深度捞砂流程的开始均自动实现，无需人工干预，并且系统通过各种传感器对各个动作均可实时感知，在地质房即可了解到系统的运行状态。岩屑存储量为10盒，采集人员由原来跑10趟缩减为跑1趟，节省了时间与人力。4结束语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的地层样品代表性差的问题，确保了所取岩屑地质剖面连贯性；采用机电一体化技术实现系统小型化设计，融合工程参数、钻井液参数和地层模型，设计了岩屑取样控制算法，解决了钻井现场复杂多变的环境适应性难题。经过多口井的现场验证，本系统具有智能化程度高、可靠性高、适应性强、易用性高的特点，解决了困扰录井行业多年的“老大难”问题，为实现提质增效提供了技术支撑。参考文献 1 王志战.一体化、智能化时代的录井技术发展方向探讨J.录井工程，2020，31（1）：16.WANG Zhizhan.Discussion on the development directionof mud logging technology in the era of integration andintellectualizationJ.Mud Logging Engineering，2020，31（1）：16.2 韩昱晨.钻井岩屑自动取样系统的研究D.西安：西安石油大学，2017.HAN Yuchen.Study on automatic sampling system fordrilling cuttingsD.Xi an：Xi an Shiyou University，2017.3 杨献平.钻井液固液动压分离及固液两相流运动规律研究D.成都：西南石油学院，2004.YANG Xianping.The studies on dynamic filter pressing ofdrilling fluid and moving law of twophase flow of solidliquidD.Chengdu：Southwest Petroleum Institute，2004.4 刘成文，李兆敏.钻井过程中岩屑运移模型研究进展J.钻井液与完井液，2019，36（6）：663671.LIU Chengwen，LI Zhaomin.Advances of cuttingstransport models during oil drillingJ.Drilling Fluid&Completion Fluid，2019，36（6）：663671.5 侯勇俊，王禄友，吕良，等.钻井振动筛筛网刚柔耦合动力学仿真J.机械科学与技术，2016，35（7）：9981005.HOU Yongjun，WANG luyou，LYU Liang，et al.Therigidflexible coupling dynamic simulation of shale shakerscreenJ.MechanicalScienceandTechnologyforAerospace Engineering，2016，35（7）：9981005.6 沈铁，谢红武，吕前进.SCW-530录井无线传感器采集系统功能与设计特点J.录井工程，2014，25（3）：6569.SHEN Tie，XIE Hongwu，LYU Qianjin.Functions anddesign features of SCW530 mud logging wireless 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