综合录井-杨琎 第3章第2节综合录井参数检测原理

1、第二节第二节 综合录井参数检测原理综合录井参数检测原理一、一、气体检测气体检测二、深度检测二、深度检测三、立管压力及套管压力检测三、立管压力及套管压力检测四、转盘扭矩检测四、转盘扭矩检测五、泵冲检测五、泵冲检测六、转盘转速检测六、转盘转速检测七、钻井液密度检测七、钻井液密度检测八、钻井液温度检测八、钻井液温度检测九、钻井液电阻率九、钻井液电阻率十、钻井液体积十、钻井液体积一、气体检测一、气体检测 气测录井：气测录井：是应用专门是应用专门仪器仪器直接测定钻井液中气体直接测定钻井液中气体总含量总含量和和组分组分的一种录井方法。的一种录井方法。 气测录井是在钻井过程中进行的，无需停钻就能及时发现油、

2、气测录井是在钻井过程中进行的，无需停钻就能及时发现油、气显示，气显示，是钻探过程中发现油气层、判断油气性质、估计油是钻探过程中发现油气层、判断油气性质、估计油气产能的有效方法气产能的有效方法。 过去，气测录井是由气测仪完成的，目前，其作为综合录井过去，气测录井是由气测仪完成的，目前，其作为综合录井仪的主要功能之一，广泛应用于油气田的勘探、开发之中仪的主要功能之一，广泛应用于油气田的勘探、开发之中。 气体检测是气测录井的关键。首先应了解石油和天然气的气体检测是气测录井的关键。首先应了解石油和天然气的性性质质才能进行检测。才能进行检测。石油的成分和性质石油的成分和性质l 组成石油的化学元素主要有：

3、碳组成石油的化学元素主要有：碳(84(848787) ) 、氢、氢(11(111414，) )、硫、氮、氧。、硫、氮、氧。l 碳、氢两元素主要以碳、氢两元素主要以烃烃的形态存在，占石油成分的的形态存在，占石油成分的97979999。l石油是由各种石油是由各种碳氢化合物碳氢化合物与少量杂质组成的与少量杂质组成的液态可燃液态可燃矿物。矿物。l组成石油的化合物主要为烃类，其次为非烃类。组成石油的化合物主要为烃类，其次为非烃类。烷烃、环烷烷烃、环烷烃和芳香烃烃和芳香烃含硫化合物、含硫化合物、含氮化合物和含氮化合物和含氧化合物含氧化合物l颜色：颜色：变化范围很大，从白色、淡黄色、黄褐色、深褐色、变化范围

4、很大，从白色、淡黄色、黄褐色、深褐色、黑绿色至黑色，但黑绿色至黑色，但深色深色石油占绝大多数；石油的颜色与石油占绝大多数；石油的颜色与胶胶质和沥青质质和沥青质含量有关，其含量有关，其含量越高，颜色越深含量越高，颜色越深。l密度：密度：0 075751 10000之间；大于之间；大于0 09090称为重质石油，小称为重质石油，小于于0 09090者称为轻质石油。大于者称为轻质石油。大于0.940.94称为稠油。称为稠油。l溶解性：溶解性：石油可溶解于有机溶剂，但在水中的溶解度很低。石油可溶解于有机溶剂，但在水中的溶解度很低。l其它性质：其它性质：石油还具有石油还具有旋光性、荧光性、非导电性旋光性

5、、荧光性、非导电性以及具以及具有气味等其他一些物理性质。有气味等其他一些物理性质。石油的成分和性质石油的成分和性质l天然气是以天然气是以饱和烃饱和烃为主要成分的为主要成分的可燃性可燃性气体的混合物。气体的混合物。l化学成分以化学成分以甲烷甲烷为主，通常占为主，通常占60609090（体积比）。（体积比）。其次是乙烷、丙烷、丁烷及其他重质气态烃，也含有少其次是乙烷、丙烷、丁烷及其他重质气态烃，也含有少量氮气、二氧化碳、一氧化碳、氢气及硫化氢等。量氮气、二氧化碳、一氧化碳、氢气及硫化氢等。l天然气中的化学组分可分为天然气中的化学组分可分为轻烃和重烃轻烃和重烃。轻烃指甲烷轻烃指甲烷；重烃重烃指分子中

6、指分子中碳原子数大于碳原子数大于1 1的烃类；的烃类；轻烃与重烃的总和称为轻烃与重烃的总和称为全烃全烃。天然气的成分和性质天然气的成分和性质可燃性：可燃性：( (非色谱气测法非色谱气测法) ) 温度达到温度达到800800850850时，在时，在铂丝铂丝的催化作用下能全部燃烧；当温度为的催化作用下能全部燃烧；当温度为500500550550时，则仅有时，则仅有重烃重烃才能燃烧。据此，可对钻井液中的才能燃烧。据此，可对钻井液中的可燃气可燃气体进行测定体进行测定。导热性导热性: :（热导池鉴定器：非烃气测）（热导池鉴定器：非烃气测） 气态烃的热导率比气态烃的热导率比氢气和氦气氢气和氦气的热导率小得

7、多且的热导率小得多且随分子量的增大而减随分子量的增大而减小小。根据这些特点，可以测定。根据这些特点，可以测定天然气中各组分天然气中各组分的含量。的含量。吸附性：（气固吸附色谱法）吸附性：（气固吸附色谱法） 气态烃具有被某种物质吸附的特性。气态烃具有被某种物质吸附的特性。分子量越大的烃，越容易被物质分子量越大的烃，越容易被物质吸附吸附，但不易解吸（摆脱吸附）。据此可进行，但不易解吸（摆脱吸附）。据此可进行气体组分分析气体组分分析。溶解性：（气液分配色谱法）溶解性：（气液分配色谱法） 天然气可溶于石油和水，但在相同条件下，天然气可溶于石油和水，但在相同条件下，天然气在石油中的溶解度天然气在石油中的

8、溶解度远远大于在水中的溶解度远远大于在水中的溶解度；天然气中；天然气中重烃增多重烃增多、降低温度、增大压力，、降低温度、增大压力，都可增加其在石油中的溶解度。都可增加其在石油中的溶解度。天然气的成分和性质天然气的成分和性质一、气体检测一、气体检测 主要硬件设备包括主要硬件设备包括： 全烃全烃检测仪、检测仪、 烃类组分烃类组分检测仪检测仪( (色谱柱、鉴定器色谱柱、鉴定器) ) 非烃组分非烃组分检测仪（或二氧化碳检测仪）、检测仪（或二氧化碳检测仪）、 硫化氢硫化氢检测仪、检测仪、 脱气器、氢气发生器及空气压缩机等。脱气器、氢气发生器及空气压缩机等。1.1.脱气器脱气器是一种将循环钻井液中的天然气

9、及其他气体分离出来，通过是一种将循环钻井液中的天然气及其他气体分离出来，通过样样气管线气管线为气测仪提供为气测仪提供样品气样品气的设备。的设备。( (该设备该设备放置在泥浆槽里放置在泥浆槽里) )脱气器主要有以下几种类型：脱气器主要有以下几种类型： 浮子式脱气器浮子式脱气器 电动式脱气器电动式脱气器 定量脱气器（定量脱气器（QGMQGM） 热真空蒸馏脱气器（热真空蒸馏脱气器（V.M.SV.M.S） （1 1）浮子式脱气器：）浮子式脱气器：由钻井液破碎叶片、集气室、输气孔等组成，是一种结构由钻井液破碎叶片、集气室、输气孔等组成，是一种结构简单、价格低廉的脱气器，它简单、价格低廉的脱气器，它利用钻

10、井液流动自身的动力破碎利用钻井液流动自身的动力破碎钻井液，使其中的气体自动逸出钻井液，使其中的气体自动逸出。其只能破碎钻井液其只能破碎钻井液表层表层，故脱气效率低（仅，故脱气效率低（仅5 5左右）。左右）。利用该类脱气器只能采集钻井液中的利用该类脱气器只能采集钻井液中的游离气游离气。目前，该类。目前，该类脱气器已基本被脱气器已基本被淘汰淘汰。 （2 2）电动式脱气器：）电动式脱气器：原理：原理：应用应用电动搅拌电动搅拌破碎钻井液，使其中的气体大破碎钻井液，使其中的气体大量逸出。量逸出。过程：过程：电动机带着电动机带着搅拌棒搅拌棒高速旋转，高速旋转，搅拌棒搅拌棒带带动钻井液旋转，在动钻井液旋转，

11、在离心力离心力的作用下，钻的作用下，钻井液呈井液呈旋涡状旋涡状沿筒壁快速沿筒壁快速上升上升，遇到挡，遇到挡圈时钻井液圈时钻井液被碰撞破碎被碰撞破碎成成细滴状细滴状淋出，淋出，钻井液钻井液表面积急剧增大表面积急剧增大，钻井液中的气，钻井液中的气体大量逸出；体大量逸出； 逸出的气体通过逸出的气体通过样气出口样气出口进入进入气水分离气水分离器及干燥筒器及干燥筒净化，而后通过净化，而后通过样气管线样气管线进进入分析仪器分析。入分析仪器分析。 应用该脱气器可采集钻井液中的应用该脱气器可采集钻井液中的游离气游离气及及部分吸附气部分吸附气，脱气效率较高，约，脱气效率较高，约2020。 图图3.2.1 3.2

12、.1 电动脱气器电动脱气器 （3 3）定量脱气器（）定量脱气器（QGMQGM）：）：是一种通过对一定量的钻井液进行是一种通过对一定量的钻井液进行彻底彻底脱气脱气的电动脱气器，见右图。的电动脱气器，见右图。图图3.2.2 3.2.2 定量脱气器定量脱气器（4 4）热真空蒸馏脱气器（）热真空蒸馏脱气器（V VM MS S）：）： 俗称俗称“全脱全脱”，是一种利用，是一种利用加热真空蒸馏加热真空蒸馏方方式进行式进行间断取样脱气的装置间断取样脱气的装置，脱气效率高，一般，脱气效率高，一般可达可达 9595以上。以上。2 2色谱柱色谱柱利用色谱法将天然气中各种组分（利用色谱法将天然气中各种组分（主要是甲

13、烷至戊烷主要是甲烷至戊烷）分开，所得到的分析数据多而准确，并且速度快，故目分开，所得到的分析数据多而准确，并且速度快，故目前主要应用的是色谱气测的方法。前主要应用的是色谱气测的方法。气测气测录井录井方法方法色谱气测法色谱气测法非色谱气测法非色谱气测法（可燃性）（可燃性）利用各种气态烃的利用各种气态烃的燃烧温度燃烧温度不同，将甲烷与其他重烃分不同，将甲烷与其他重烃分开，这种方法只能得到开，这种方法只能得到甲烷及重烃或全烃的含量甲烷及重烃或全烃的含量，分析，分析数据少。数据少。 “色谱色谱”就是有颜色的谱带，色谱法最早是用来分离用一般就是有颜色的谱带，色谱法最早是用来分离用一般化学方法很难分离的化

14、学方法很难分离的植物叶绿素、叶黄素植物叶绿素、叶黄素的一种方法。的一种方法。 由俄国化学家由俄国化学家茨维特茨维特19601960年提出，他把年提出，他把植物色素植物色素的的石油醚抽石油醚抽提液提液从一根装有从一根装有碳酸钙吸咐剂碳酸钙吸咐剂的玻璃管上端注入再加入的玻璃管上端注入再加入纯石纯石油醚油醚清洗，结果清洗，结果在管内形成多种颜色的谱带在管内形成多种颜色的谱带，“色谱色谱”一词一词由此而来。由于分离出来的物质是带色的，故名色谱法。由此而来。由于分离出来的物质是带色的，故名色谱法。 虽然这种方法分离的物质大多是不带颜色的，但方法的名称虽然这种方法分离的物质大多是不带颜色的，但方法的名称仍

15、沿用色谱法。仍沿用色谱法。 色谱柱：由色谱柱：由柱子（空心）柱子（空心）和装在柱子里的和装在柱子里的固定相固定相组成。组成。 柱子常用的材料有：不锈钢、铝、铜、玻璃和尼柱子常用的材料有：不锈钢、铝、铜、玻璃和尼龙等。龙等。 柱子越长，分析的组分越多，精度也越高，可视柱子越长，分析的组分越多，精度也越高，可视具体情况选择不同型号的色谱柱。具体情况选择不同型号的色谱柱。色谱仪中最色谱仪中最重要的部件重要的部件2 2色谱柱色谱柱2 2色谱柱色谱柱 色谱法分析中两相：色谱法分析中两相：流动相和固定相流动相和固定相 按流动相的状态可分为按流动相的状态可分为气相色谱法气相色谱法和液相色谱法两种。和液相色谱

16、法两种。 气测录井使用的是气测录井使用的是气相色谱法气相色谱法。按流动相按流动相的状态的状态按固定相按固定相的状态的状态2 2色谱柱色谱柱按分离过程的按分离过程的物理化学原理物理化学原理气固吸咐色谱气固吸咐色谱液固吸咐色谱液固吸咐色谱吸咐色谱吸咐色谱分配色谱分配色谱其它：其它：色谱法色谱法气液分配色谱气液分配色谱液液分配色谱液液分配色谱如离子交换色谱、络合色谱等如离子交换色谱、络合色谱等物理过程物理过程2 2色谱柱色谱柱 固定相：固定相：固体固体固定相和固定相和液体液体固定相两类。固定相两类。 固体固定相：指固体固定相：指活性吸附剂活性吸附剂，如活性炭、硅胶、分子筛等如活性炭、硅胶、分子筛等，

17、这些吸，这些吸附剂能够吸附其他物质在其表面停留一段时间而不起化学反应。附剂能够吸附其他物质在其表面停留一段时间而不起化学反应。利利用固体表面对被分离物质用固体表面对被分离物质各组分吸附能力各组分吸附能力的不同将各组分的气体分的不同将各组分的气体分离开。离开。 液体固定相：由一种惰性固体（常称担体）和固定液组成。液体固定相：由一种惰性固体（常称担体）和固定液组成。l 担体是用来支撑固定液的均匀和规则的多孔性固体微粒，担体是用来支撑固定液的均匀和规则的多孔性固体微粒，它具有表面积大、机械强度高、热和化学稳定性好的特点；它具有表面积大、机械强度高、热和化学稳定性好的特点；l 固定液一般是固定液一般是

18、高沸点的有机化合物高沸点的有机化合物，它均匀涂敷在担体上，它均匀涂敷在担体上，其作用是使样品气在与其接触的过程中不断发生溶解和挥其作用是使样品气在与其接触的过程中不断发生溶解和挥发作用，并根据不同组分溶解和挥发能力的差异将各组分发作用，并根据不同组分溶解和挥发能力的差异将各组分的气体分离开。的气体分离开。气固吸附色谱法、气液分配色谱法气固吸附色谱法、气液分配色谱法 A A：C1C1； B B：C2C2 图图3.2.4 3.2.4 色谱分析峰值图色谱分析峰值图每一个色谱峰对应一个烃组分每一个色谱峰对应一个烃组分 3 3鉴定器鉴定器（检测器）（检测器）鉴定器是将色谱柱流出的鉴定器是将色谱柱流出的气

19、体组分气体组分变成变成电信号电信号，从而鉴别，从而鉴别各各组分浓度及含量组分浓度及含量的仪器，它是色谱仪的关键部件之一。的仪器，它是色谱仪的关键部件之一。常用鉴定器可分为二类：即常用鉴定器可分为二类：即积分型积分型鉴定器和鉴定器和微分型微分型鉴定器。鉴定器。我国色谱气测仪采用的是我国色谱气测仪采用的是微分型微分型鉴定器：如鉴定器：如热导池鉴定器、热导池鉴定器、氢火焰离子化鉴定器氢火焰离子化鉴定器等。等。（1 1）热导池热导池鉴定器鉴定器图图3.2.53.2.5热导池惠斯通电桥原理图热导池惠斯通电桥原理图原理：原理：不同物质有不同的不同物质有不同的热传导系数热传导系数。当样品气进入热导池时，引起

20、当样品气进入热导池时，引起热敏元热敏元件阻值件阻值发生变化，使电桥平衡破坏，产生发生变化，使电桥平衡破坏，产生电信号电信号，被记录器所记录。若，被记录器所记录。若样品浓度越样品浓度越大大，引起热敏元件的阻值变化越大，电桥，引起热敏元件的阻值变化越大，电桥不平衡越显著，不平衡越显著，产生电信号就越大产生电信号就越大。主要检测非烃主要检测非烃类类H2H2和和CO2CO2 （2 2）氢火焰离子化氢火焰离子化鉴定器鉴定器图图3.2.6 3.2.6 氢火焰离子化鉴定器测量原理图氢火焰离子化鉴定器测量原理图原理：原理： 以氢气在空气中以氢气在空气中燃烧燃烧所生成的火焰为能源，使被分析的所生成的火焰为能源，

21、使被分析的含碳有机物含碳有机物中的中的碳元素离子化碳元素离子化，产生了数目相等的，产生了数目相等的正负离子（电子）正负离子（电子）。由于离子室的收集极和底电极（发射极）间有电位差，在电场作用下，由于离子室的收集极和底电极（发射极）间有电位差，在电场作用下，正负离子各往相反的极性移动，产生正负离子各往相反的极性移动，产生微电流微电流。电离电流的大小与有机物的。电离电流的大小与有机物的含碳量和浓度有关。含碳量和浓度有关。主要检测主要检测C1-C5C1-C5实质：实质：将将烃类浓度烃类浓度的不同转变成相应的不同转变成相应的的电信号电信号的变化。的变化。按固定相不同：气固吸附色谱法、气液分配色谱法按固

22、定相不同：气固吸附色谱法、气液分配色谱法 样品气注入样品气注入气相色谱仪气相色谱仪后，在后，在载气载气的携带下，进入装有固的携带下，进入装有固定相的色谱柱，此时定相的色谱柱，此时烃组分烃组分分子与固定相发生分子与固定相发生吸附或溶解吸附或溶解，利，利用固体表面（用固体表面（固定液固定液）对被分离物质各组分）对被分离物质各组分吸附能力（吸附能力（溶解度溶解度）的不同，使物质组分分离。的不同，使物质组分分离。 分离后各组分分离后各组分依次依次进入进入检测器检测器，根据，根据检测信号的大小检测信号的大小判断判断各组分的组成。各组分的组成。 在色谱柱中，它是一个不断吸附（在色谱柱中，它是一个不断吸附（

23、溶解溶解）解吸（）解吸（挥发挥发）再吸附（再吸附（再溶解再溶解）再解吸（）再解吸（再挥发再挥发）的过程。）的过程。气相色谱法的分析原理：气相色谱法的分析原理： A A：C1C1； B B：C2C2 图图3.2.4 3.2.4 色谱分析峰值图色谱分析峰值图每一个色谱峰对应一个烃组分每一个色谱峰对应一个烃组分4.4.气测仪的工作原理气测仪的工作原理鉴定器所产生的电信号经放大后，分别送记录仪和计算鉴定器所产生的电信号经放大后，分别送记录仪和计算机做记录、显示打印和贮存。机做记录、显示打印和贮存。 样品气：就是从循环钻井液中分离出来的天然气和其他气体，它的分样品气：就是从循环钻井液中分离出来的天然气和

24、其他气体，它的分离由离由脱气器脱气器完成。完成。 载气的作用：使样品气在载气的作用：使样品气在载气流载气流的携带下进人色谱柱得到分离。分离的携带下进人色谱柱得到分离。分离后的不同组分后的不同组分按先后顺序按先后顺序又由载气携带流出色谱柱，进入鉴定器。又由载气携带流出色谱柱，进入鉴定器。 载气一般选用载气一般选用氮气、氢气或二氧化碳氮气、氢气或二氧化碳。气体分三路分析：气体分三路分析：第一路为第一路为全烃分析全烃分析，连续监测样品气中烃类气体的，连续监测样品气中烃类气体的总含量总含量；第二路为第二路为烃组分分析烃组分分析，目的是将样品气中的烃类气体进一步，目的是将样品气中的烃类气体进一步进行定性

25、、定量分析，一般只分析进行定性、定量分析，一般只分析C1C1C5C5各组分；各组分；第三路为第三路为热导组分分析热导组分分析，目的是将样品气中的，目的是将样品气中的非烃类气体非烃类气体进进一步进行定性、定量分析，一般分析一步进行定性、定量分析，一般分析H2H2（HeHe）、）、CO2CO2及硫化氢。及硫化氢。全烃和烃组分分析全烃和烃组分分析采用氢火焰离子化检测器，采用氢火焰离子化检测器，热导组分分析热导组分分析采用热导池检测器。采用热导池检测器。 全烃；全烃； 烃类气体组分：烃类气体组分：甲烷，乙烷（甲烷，乙烷（C2C2），丙烷，异丁烷，正丁烷，异戊烷，正戊烷。），丙烷，异丁烷，正丁烷，异戊烷

26、，正戊烷。 非烃类气体：硫化氢，二氧化碳，氢气，氦气非烃类气体：硫化氢，二氧化碳，氢气，氦气二、深度检测系统二、深度检测系统 两个传感器：两个传感器：悬重传感器和深度传感器悬重传感器和深度传感器。 测量参数：测量参数：井深及悬重井深及悬重。通过换算，可得钻压、钻时等。通过换算，可得钻压、钻时等。 悬重悬重钻柱在泥浆中的总重量（不钻进时的大钩负荷）。钻柱在泥浆中的总重量（不钻进时的大钩负荷）。 钻重钻重钻进时的大钩负荷钻进时的大钩负荷( (大钩钩载大钩钩载) )。 钻压钻压钻进时钻头上作用的压力。钻进时钻头上作用的压力。 钻压悬重钻重钻压悬重钻重悬重传感器：悬重传感器：是一个压力传感器，安装在钻

27、机是一个压力传感器，安装在钻机死绳固定器死绳固定器上，用上，用以测量大钩负荷。以测量大钩负荷。深度传感器：深度传感器：有两种，即光学编码传感器及绞车传感器。有两种，即光学编码传感器及绞车传感器。l光学编码传感器：该类传感器是通过与大钩直接相连的引绳牵引，光学编码传感器：该类传感器是通过与大钩直接相连的引绳牵引，当大钩运动时，引绳带动光学编码器使其当大钩运动时，引绳带动光学编码器使其光学编码光学编码发生变化，进发生变化，进而转换成而转换成大钩位置的变化大钩位置的变化。l绞车传感器：该传感器被安装在绞车传感器：该传感器被安装在钻机滚筒轴上钻机滚筒轴上，通过测量钻机大，通过测量钻机大绳收放时滚筒的绳

28、收放时滚筒的角运动角运动来监测来监测大钩垂向运动大钩垂向运动，通过二次仪表或计，通过二次仪表或计算机转换算机转换大钩位置及井深大钩位置及井深等参数的变化。等参数的变化。 三、立管压力及套管压力传感器三、立管压力及套管压力传感器分别测量：立管压力（分别测量：立管压力（泵压）泵压），套管压力（套压）。，套管压力（套压）。立压测量方法：立管中的高压钻井液进入与其直接相连的压立压测量方法：立管中的高压钻井液进入与其直接相连的压力转换器，转换成油压，传递给通过高压软管相连或直接相连力转换器，转换成油压，传递给通过高压软管相连或直接相连的压力传感器，实现立压的测量。的压力传感器，实现立压的测量。套压测量原理与立压相同（套压测量原理与立压相同（装在压井管汇上装在压井管汇上）。）。 转盘扭矩