CN109184678A - 一种井下燃爆界限快速测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种井下燃爆界限快速测量装置和方法，该燃爆界限测量装置由高温高压燃爆测试筒和系统总成组成。高温高压燃爆测试筒有气腔与底座两部分，气腔为圆柱状封闭空间，可以模拟地层或井下压力、温度条件，具有一定气密性，可滑动浮盘固定于防倾覆导轨；底座可将测试筒固定在带有震荡装置的实验台上，通过震荡测试筒使气腔内部气体充分混合。围绕高温高压燃爆测试筒，增加空气、变含氧量氮气和烃类气体的自动控制供气部分，点火及温度控制部分，测试尾气的处理及分析部分，各相关传感器和伺服控制机构，构成了测试装置的系统总成。本发明可在现场条件下，通过燃爆界限组合测试流程，准确测量当前地层气体的燃爆界限，避免井下燃爆事故发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下燃爆界限快速测量装置和方法，属于井下燃爆的技术领域。
背景技术
气体钻井具有保护油气储层，机械钻速高，防漏、治漏效果好，不会因外来钻井液导致水敏，成本低，建井周期短等优点，在油气藏开发中有良好的应用价值。但由于井下高温高压的特点以及钻井过程中的各项因素，气体钻井钻进过程中遇到任何油气层，都可能发生井下燃爆，造成钻具损毁、井壁垮塌甚至油井报废、人员伤亡等恶性事故。燃爆界限随着地层压力、温度和烃类气体成分的不断变化也会改变，这更影响了气体钻井技术的安全性。由此，了解地层产出烃类气体在空气中燃爆界限是扩大气体钻井技术的应用范围，提高气体钻井技术的效率的重要手段。
发明内容
本发明目的是为了避免井下燃爆事故的发生，提供了一种快速准确测量当前地层气体烃类的燃爆界限装置及方法。
本发明所采用的技术方案是：
本发明涉及一种井下燃爆界限快速测量装置和方法。燃爆界限测量装置由高温高压燃爆测试筒和测试装置的系统总成两部分组成。高温高压燃爆测试筒由气腔与底座两大部分组成，气腔外部设有温控箱。气腔为一个可以模拟地层或井下压力、温度的圆柱状封闭空间，其直径大于临界熄火直径，其长度可以形成火焰连续传播，并且还能保证了测试中足够大的压力调节范围。气腔内部具有一定自重的浮盘固定在防倾覆导轨上，浮盘可通过导轨上下滑动且具有一定气密性。测试筒上有一套控制供给空气、变含氧量氮气和地层烃类气体的供气系统可以通过安装在其上的传感器将数据输送到计算机，通过计算机实现自动化控制，实现在不同测试条件下的燃爆监测与分析。气腔底部设置有点火器，两个带有单向阀的进气口分布于点火器两侧，分别为空气或氮气进气口、烃类气体进气口，三者成直线排列。点火器与烃类气体进口之间从左至右分别安装一个带防爆功能的安全排气阀和一个全烃浓度传感器。底座与气腔底部成为一体，可将测试筒固定在一个带有震荡装置的实验台上，实验台主要依靠电动机驱动转盘使实验装置沿轴承上下运动，以达到震荡测试筒使气腔内部气体充分混合的目的。实验台上有固定装置，以在实验室固定设备。
围绕高温高压燃爆测试筒，增加空气、变含氧量氮气(或二氧化碳气体)、烃类气体的自动控制供气部分，点火及温度控制部分，测试尾气的处理及分析部分，各相关传感器和伺服控制机构，内置分析、控制软件的计算机，构成了测试装置的系统总成。
S1、燃爆界限组合测试流程
定压燃爆界限测试：保持压力、温度、氧浓度一定，寻找燃爆下限时从富氧最低全烃浓度开始点火测试，每次使全烃浓度增加一个固定值(通过烃类气体定量柱塞泵注入固定量烃类气体，然后震荡均匀)并开动压力恒定控制程序，待压力稳定后点火测试。如果点燃，则测到该条件(压力、温度、氧浓度)下点燃的最低全烃浓度；如果未点燃，则继续增加全烃浓度进行测试。寻找上限时从贫氧最高全烃浓度开始点火测试，每次使空气或氮气浓度增加一个固定值，然后震荡均匀并开动压力恒定控制程序，待压力稳定后点火测试。如果点燃，则测到该条件(压力、温度、氧浓度)下点燃的最高全烃浓度；如果未点燃，则继续增加氧气或氮气浓度进行测试。常压燃爆界限点的测试是根据二分法理，使取值点在要求的精度内无线靠近实际的燃爆界限点。
燃爆界限随压力变化的测试：未知某一压力下燃爆界限时，可通过定压燃爆界限点测试测得某一压力下的燃爆界限，通过不断改变定压设置的大小来测得压力与燃爆限的关系曲线。已知某一压力下的燃爆界限时，可通过微量改变全烃浓度测得相近压力的燃爆界限。如温度和氧浓度保持不变，气腔内通入该压力下全烃浓度为燃爆下限以下的气体(通过减少烃类气体的注入量)。按照气腔内气体的浓度，成比例的通入烃类气体和空气或氮气使气腔内压力增加但不改变烃类气体的浓度。使用振荡器震荡后点火测试，如果点燃，则测到该条件(压力、温度、氧浓度)下点燃的最低全烃浓度；如果未点燃，则继续增加压力进行测试。如果增大至压力极限仍未点燃，则改变全烃浓度继续进行变压力模式测试。燃爆上限随压力的改变的测试与燃爆下限的原理基本相同，已知某一压力下的燃爆界限，温度和氧浓度保持不变，气腔内通入该压力下全烃浓度为燃爆上限以上的气体(通过增加烃类气体的注入量)。按照气腔内气体的浓度，成比例的通入烃类气体和空气或氮气使气腔内压力增加但不改变烃类气体的浓度。使用振荡器震荡后点火测试，如果点燃，则测到该条件(压力、温度、氧浓度)下点燃的最高全烃浓度；如果未点燃，则继续增加压力进行测试。如果增大至压力极限仍未点燃，则改变全烃浓度继续进行变压力模式测试。
给定的温度-压力变化范围内燃爆上下限曲面的测试：根据给定的温度和氧浓度，通过定压燃爆界限点测试得出该压力和温度下燃爆界限，再通过改变压力，得到压力变化条件下的燃爆界限，最后通过改变最初的温度条件即可得出温度和压力变化的燃爆界限。
本发明具有以下优点：可提前检测出地层烃类气体的燃爆界限，为调整工程决策提供依据；固定容积式设备高温高压下的密封性由于可变容积式；设备便携，准确度高，可在复杂的现场条件下根据地层返出气体快速测定燃爆界限；有效促进气体钻井这种低成本、高钻速的钻井方法广泛、大量地应用。
附图说明
图1是本发明一种井下燃爆界限快速测量装置的结构示意图。
图2是井下燃爆快速测量装置安装在震荡试验台上的示意图。
图3是测试系统总示意图。
图4是浮盘示意图
图中：1.排空气口，2.气腔，3.气体浮盘，4.90度排列压力、温度、氧浓度、全烃浓度传感器，5.带防爆功能的安全排气阀，6.全烃浓度传感器，7.烃类气体进口，8底座，9.空气或氮气进口，10.点火器，11.燃爆测试筒，12.防倾覆导轨，13.温控箱，14.轴承，15.实验台，16.带手柄的轴承，17.连接电动机的转盘，18.固定装置，19.阀门，20.带搅拌的高压气瓶，21.烃类气体气瓶，22.定量柱塞泵，23安全排气口，24气体组分分析仪，25流体管道，26.空气压缩机，27氮气瓶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1、图2所示，本发明种是一种井下燃爆界限快速测量装置，其实验机理为，向测试筒的气腔(2)内充入一定量的空气或一定含氧量的氮气，然后按浓度要求注入一定量的某烃类气体，利用足够大点火能量的点火器(10)连续点火，以出现明显爆轰压力为是否点燃的主要判据，并辅助氧浓度和全烃浓度的突然降低、温度的突然升高为辅助判据，判断是否产生燃爆。同时利用利用气体组份分析仪(24)分析燃爆尾气判定燃爆的类型和燃爆的完全程度。按照一定的规律不断改变压力、温度、烃类气体浓度、氧浓度进行燃爆界限测试，实现以最少样品量、最少测试次数、最短测试时间得到预定参数(温度、压力、氧浓度)范围内某类烃类气体燃爆上下限的点、线或面。实验基本步骤如下：
打开温控箱(13)加温气腔(2)至设定温度并达到温度恒定，用空气压缩机(26)向带搅拌的高压气瓶(20)注入高压空气。如果做氮气测试，则注入一定量空气后再向带搅拌的高压气瓶中注入高压氮气并连续搅拌，直至罐中的氧浓度达到要求值。
2.打开进气控制阀(19)使带搅拌的高压气瓶(20)中的混合气体通过空气或氮气进口(9)注入气腔(2)，使气腔(2)内压力达到能够使气体浮盘(3)移动至顶端的最小压力。烃类气体气瓶(21)中的高压烃类气体由柱塞泵(22)经过烃类气体进口(7)注入气腔，注入量由预定烃类气体浓度确定。
3.收起实验台的固定装置(18)，打开电机带动传动机构(17)使测试筒震荡，直至两个全烃浓度传感器读数(4、6)一致且稳定，震荡装置关闭。摇动转盘上的手柄(16)至合适位置，打开实验台的固定装置(18)。通过带防爆安全功能可控排气阀(5)微量放气，调整气腔内压力至合适的压力。关闭可控排气阀(5)，准备测试。必要时调整压力、温度等参数并使用点火器(10)点火，直至点燃。
4.该次测试结束后，打开可控排气阀(5)排气，尾气通过安全排气口(23)排放，同时气体组分分析仪(24)分析尾气组分。此时气体浮盘在自重作用下滑至气腔底端，也可通过测试筒上端排气口(1)充入适量空气，激励浮盘(3)下移，为下一次测试做好准备。
Claims (2)
1.一种井下燃爆界限快速测量装置，主要由排空气口(2)、气腔(2)、防倾覆导轨(12)、浮盘(3)、压力、温度、氧浓度、全烃浓度传感器(9)、带防爆功能的安全排气阀(5)、全烃浓度传感器(6)、空气或氮气进口(9)、烃类气体进口(7)、底座(8)和点火器(10)组成，其特征在于：所述燃爆测试筒(11)外壁上有四个成90度排列的压力、温度、氧浓度、全烃浓度传感器(4)，底座上安装有烃类气体进口(7)和空气或氮气进口(9)以及带有防爆功能的安全排气阀(5)，底座上的全烃浓度传感器(6)与燃爆测试筒上的全烃浓度传感器可形成对比关系，判断气腔(2)内烃类气体的分布。
2.根据权利要求1所述的一种井下燃爆界限快速测量装置，其特征在于：燃爆测试筒(11)内部安装有三根120度竖直排列的防倾覆导轨(12)，浮盘(3)可通过防倾覆导轨(12)上下滑动且带有一定气密性可快速排空气腔(2)内气体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190111 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |