油气钻井现场岩屑自动化处理设备设计

（ 1.广州铁路职业技术学院 机电工程学院，广东 广州 510430；

2.武汉理工大学艺术与设计学院，湖北 武汉 430070)

摘 要：针对油气钻采过程中因人工取样造成的油砂信息遗漏的问题，展开对油气钻井岩屑自动化处理设备的研制与开发。设计出一种可实现全自动工序：采集-清洗-烘干-荧光分析-打包的装置，并能实现以钻井控制平台实时反馈信号为指令自动控制岩屑采集频率。既能有效降低了油气开采现场录井人员的工作强度，又能提高油气勘探、开采效率，为工程应用打下基础。

关键词：油气井；岩屑；自动化

中图分类号：TH16 

项目基金：广州铁路职业技术学院新引进人才科研启动项目，GTXYR2104。

第一作者：李哲，（1986-），男，博士，广州铁路职业技术学院，讲师，主要研究方向：机械工程。

通讯作者：许昌，（1986-），男，博士，武汉理工大学，讲师，主要研究方向：机械工程。

0 前言

目前，钻井岩屑自动化处理设备还处于初步研发试验阶段，虽然国内外出现多种相关专利，但是很少在工程现场见到实物应用。美国CoreLab公司研制出自动岩屑采集仪ASC-200，该设备采用传输带对岩屑进行运移；斯伦贝谢研制的CLEANCUT装置用于钻屑采集，依靠专用输送器将钻井岩屑从振动筛运输至清洗系统中进行清洗储存。

中海油科技公司研制了一种岩屑白光荧光自动录井系统，该系统的硬件部分安装在振动筛附近，能连续获取过滤钻井液的岩屑样品，并进行清洗、白光、荧光图像采集、图像自动存储、多余样品处理等一系列动作[3-4]。西安石油大学、董鹏敏等开发了的钻井岩屑自动采集系统主要由小型振动筛、采集泵与回收泵组成，其主要功能提取岩屑与钻井液并进行分离，并将分离后的钻井液返回泥浆池[5-6]。

由上述内容可见，虽然现阶段录井技术中已经存在部分岩屑自动采集装置，大多数装置体积庞大、结构复杂，且很少有完全实现现场无人化的设备。随着钻采工程延伸至更加恶劣的区域，完全自动化系统是未来发展的趋势。

1 现代化录井需求

目前录井所采用的技术和方法还是传统的，即人工取样、清洗、描述的技术和方法。钻井技术发展很快，钻进速度大幅提高，难免给传统的岩屑荧光录井带来如下一些问题：

（1）PDC钻头所产生的岩屑非常细，钻进速度快，现场工作人员需要在1～2分钟内要完成一包岩屑样品的捞取、清洗、荧光分析等，容易出现提供的岩屑荧光信息不够或不准确；

（2）井场没有实时向基地提供岩屑信息，这期间可能会出现基地研究决策人员与现场地质人员对地层及其含油性认识不一致的情况。

针对油气勘探开发速度快速提升后录井现场工作人员安全问题频发、人工取样不及时等问题，研制一套智能油气钻采岩屑处理设备，能实现如下功能：

（1）设备能自动获取、清洗、传送、烘干、回收岩屑样品；

（2）对岩屑样品进行实时荧光、白光扫描处理分析,能够实时生成报表。

设备可以弥补传统岩屑技术和方法的不足，达到以下目的：

（1）减少现场工作人员劳动强度，避免捞、洗、描述不过来而漏掉重要油砂的情况；

（2）及时提供更加丰富、准确的岩屑荧光信息，保存岩屑荧光最原始信息。

2 岩屑自动化处理设备的方案论证

设备包含以下几个主要系统，其具体技术要求如下：

2.1 岩屑自动取样输送系统：

（1）振动筛出砂时，设备开始工作，停钻不出砂时，设备即停止工作，处于待机状态；（2）样品的量应该足够岩屑荧光扫描，以及回收要求量；（3）采集所有样品粒度范围样品；（4）岩屑样品自动传送不影响现场其他施工。

2.2  岩屑自动清洗系统：

（1）实现岩屑自动清洗；（2）能除去泥饼、极细颗粒、泥浆；（3）岩屑表面快速烘干。

2.3 岩屑荧光、白光实时动态扫描系统：

（1）该部分前端对接岩屑清洗和烘干，后端对接岩屑回收；（2）该部分保持样品进出通畅；（3）岩屑白光、荧光实时动态扫描。

2.4  岩屑图像处理及评价系统：

（1）岩屑荧光图像信息存储；（2）岩屑白光图像信息存储。

2.5  岩屑回收系统：

（1）岩屑时间深度与取样实现连贯统一，将最终深度直接附在样品袋上；（2）样品量保证在500g/份左右；（3）包装方式与目前通用包装统一。

3 岩屑自动化处理设备方案设计

3.1 设计方案1

该方案可以实现由岩屑的取样、冲洗、烘干、荧光分析系统以及打包功能，结构如图1所示。

图1 岩屑自动化处理设备方案1

方案1 所设计的设备完成1个工作流程分为以下6个工序：

工序1：取样杯旋转至振动筛出口处，手腕处装有重量传感器，取样完成后，进行下一步动作。

工序2：手臂由上一工位旋转至45°并抬升一定高度，达到冲洗位置后，冲洗系统开始工作，冲洗一定时间后，水龙头关闭，开始进行下一步工作。

工序3：取样杯再次旋转45°，至烘干位，待烘干系统达到前期测试得到的湿度的平均时间时，烘干系统停止工作，机械臂旋转至下一工位。

工序4：手臂由上一步工位顺时针再次旋转45°达到荧光分析系统，完成后即可进行下一动作。一般的，采集杯中的物料经由冲洗烘干过后，其上表面已经较为平坦，因此可以直接进行荧光分析。

工序5：手臂再一次顺时针旋转45°达到打包位，手腕（手臂旋转机构）旋转180°，将物料直接倒入打包机的进料口。

工序6：手臂由上一步工位逆时针旋转135°，达到冲洗位，收集杯冲洗一段时间后，冲洗系统关闭，手腕（手臂旋转机构）旋转180°，至此，系统完成一次工作。

3.2 设计方案2

方案2可以实现岩屑的自动采集、清洗、烘干、荧光分析及打包作业，其各结构布局如图2所示。 

图2岩屑自动化处理设备方案2

方案2所设计的设备完成1个工作流程同样分为6个工序：

工序1：将岩屑收集运输带布置在振动筛出口位置，取样杯伸出至输送带下方处，样杯连接杆头部装有重量传感器，样杯中岩屑重量达到一定后，进行下一步动作。

工序2：样杯缩回至指定冲洗位置，冲洗系统开始工作，冲洗一定时间后，水龙头关闭，开始进行下一步工作。

工序3：取样杯上升至指定位置，至烘干位，待烘干系统达到前期测试得到的湿度的平均时间时，烘干系统停止工作，样杯回缩至下一工位。

工序4：取样杯上升至达到荧光分析仪位置，完成拍照后即可进行下一动作。一般的，采集杯中的物料经由冲洗烘干过后，其上表面已经较为平坦，因此可以直接进行荧光分析。

工序5：取样杯下降至工位一的高度后，向外伸长至工位一的位置，途经岩屑收集区，通过翻转导向板和电磁铁共同作用，样杯实现翻转，将物料直接倒入漏斗（打包机的进料口）。 

工序6：取样杯行至工位二的位置，进行清洗。清洗完成后行至工位一进行下一轮工作。 

4  结语

在现有的录井条件下，操作人员在岩屑捞取和清洗的速度往往跟不上钻头钻进的速度，不仅增加了操作人员的劳动强度，也降低了岩屑资料录取的准确性。目前市场关于岩屑自动取样还停留在半自动方式，该方式不能与钻进平台实现实时通讯，仍然需要人工干预。国内石油装备企业目前也没有研发一套完善的岩屑自动化处理设备，而全自动岩屑采集装置在石油装备市场的需求已初现倪端，因此关于此次研发的油气钻采现场岩屑自动处理设备是市场急需的产品。

参考文献

[1] 何建春，冉建，刘洋.钻井岩屑收集转运装置的研制与应用[J].中国高新技术企业.2017(07)：216-217.

[2] 石健,李文艳,宋庆义.人工井场岩屑集收系统的优化改进[J].设备管理与维修. 2021,(10)：72-73.

[3] 鲍云杰,刘金玲.基于机器视觉的岩屑自动拣选系统设计[J].电子测量技术.2014(01)：5-7.

[4] 冯杏芬,刘志刚,林莉,等. 应用荧光数字图像技术分析岩屑含油性[J].录井工程.2007(01)：18-20.

[5] 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(06)：663-671.

[6] 杨君，申寿令，陈亮. 细碎岩屑地质录井方法探讨[J].中国石油石化.2016(S1)：269.

       来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第11期  在线投稿  >>