книги из ГПНТБ / Левит А.М. Анализ газа и дегазация при разведке нефтяных, газовых и угольных месторождений

дегазируется в водяной бане 1 при температуре 60° и остаточном давлении 10 мм рт. ст. в течение 15 мин. Время выхода дегаза­ тора на режим 30 мин, потребляемая мощность 850 Вт.

При нагревании пробы 21 выделяющийся газ поступает в гря­ зевик 2 и ловушку 3. Под действием перепада давлений между ловушкой 3 и газосборником 6 открывается обратный клапан 4, и газ поступает в газосборник 6 до тех пор, пока уровень соле­ вого раствора в нем не понизится до контакта. После этого реле отключается от питания, напорный сосуд 7 соединяется с атмос­ ферой, и начинается вытеснение извлеченного газа через обрат­ ный клапан 5 и трехходовой кран 11 в бюретку 10. Эта операция автоматически повторяется несколько раз, пока практически весь газ не будет извлечен из дегазируемой пробы.

Дегазатор может работать как автоматически, так и вручную. Присоединение пробы для дегазации и отбор извлеченного газа для анализа производится всегда вручную.

Основной задачей, решаемой при применении термовакуумных дегазаторов в газовом каротаже, является определение газосодержания бурового раствора и шлама. Критериями для оценки дега­ заторов являются полнота извлечения газа из пробы, воспроизво­ димость получаемых результатов и производительность прибора. Некоторые исследователи [62] считают, что после установления равновесия между газовой и жидкой фазами, при дегазации проб бурового раствора в различных вакуумных и термовакуумных де­ газаторах в дегазированной пробе остается значительное коли­ чество газа. Для уменьшения количества газа, остающегося в пробе после однократной дегазации, они рекомендуют исполь­ зовать многократную откачку извлеченного газа или заменить термовакуумную дегазацию методом вытеснения газа из пробы воздухом, углекислым газом или аммиаком, где извлеченный газ удаляется потоком вымывающего газа.

Ошибочность представлений этих авторов легко доказать, если воспользоваться формулой В. П. Савченко

Пиз (ДПЖ-(- Vгф)

Если в эту формулу ввести коэффициент концентрации опре­

деляемого газа в газовой фазе Кт^тг^, то получим

где KrCt,Vm— содержание определяемого газа в жидкой фазе после установления равновесия; КтКГф — содержание определяе­ мого газа в газовой фазе.

Отсюда легко определить отношение объема оставшегося газа к извлеченному у = а Ѵж/ѴТф.

80

магнитной мешалки. Выделившийся при дегазации газ извле­ кается из измерительной трубки при помощи шприца и подается на хроматограф для компонентного анализа.

При помощи «Вакуумного кипятильника» достигается высокая степень дегазации бурового раствора. Прибор портативен и удо­ бен в работе. Однако он обладает рядом существенных недостат­ ков, к ниМ относятся : 1) потери газа при отборе пробы на сква­ жине в бутылку и переносе ее на газокаротажную станцию; 2) по­ тери газа при отборе пробы из бутылки в реактор кипятильника; 3) малая производительность прибора (четыре пробы в 1 ч вместо 12 на СД-1) [47]. Этот дегазатор значительно уступает по своим свойствам лучшим из применяемых лабораторных дегазаторов.

ПОРТАТИВНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕГАЗАЦИИ ВОДЫ, ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА, ШЛАМА И КЕРНА

Сконструированный нами прибор СД-1 по достигаемой на нем степени извлечения углеводородных газов и воспроизводимости получаемых результатов не уступает лучшим образцам рассмот­ ренных нами дегазаторов и превосходит их по своей производи­ тельности, портативности, простоте устройства [30]. Стоимость при­ бора также ниже стоимости описанных выше дегазаторов.

Дегазатор СД-1 (рис. 27) состоит из двух вакуумных балло­ нов 1 я 2, уравнительного сосуда 3, ловушки 20, трехходовых кра­ нов 4, 5 я 6, зажимов Кохера 7—14, пробников 18 я 19. При по­ мощи ловушки 20 дегазатор присоединяют к вакуумному насосу, при включении которого в сосудах 1, 2 я 3 создается вакуум. Сначала вакуум создают в баллоне 1. Для этого при помощи крана 4 соединяют баллон 1 с вакуумным насосом, закрывают зажимы 7—12, 14, при помощи кранов 5 я 6 соединяют сосуды 3 я 2 с окружающим воздухом и включают насос. Когда в сосуде 1 будет создан нужный вакуум, закрывают зажим 13, кран 4 ставят в нейтральное положение (все три хода крана закрыты) и при помощи вакуумного каучука, ведущего к баллону 1, присоеди­ няют колбу 15 к дегазатору; затем открывают зажим 7 и погру­

в сосуд с холодной водой. При этом пары в колбе 15 конденси­ руются, и часть воды, вытесненная в процессе кипения из колбы 15 в сосуд 1, засасывается обратно в колбу. Открыв зажим 8, переводят воду из уравнительного сосуда 3 в баллон 1. При этом газ, извлеченный при дегазации, остается над водой.

Для отбора извлеченного газа для анализа открывают зажим 11 я из пробника 18 при помощи шприца отбирают пробу. Перед отбором пробы необходимо извлеченный газ хорошо перемешать. Это достигается путем неоднократного отбора газа в шприц и

82

перевода его обратно в баллон. После отбора извлеченного газа зажим 11 закрывают. Объем извлеченного газа определяется по делениям, нанесенным на трубке баллона 1. После отбора из­ влеченного газа отсоединяют колбу с дегазированной пробой и закрывают зажим 7. Для перевода воды из сосуда 1 в сосуд 3 поворачивают кран 4 на воздух, а кран 5 — на вакуум, закрывают

снижает герметичность прибора. Для уменьшения количества воз­ духа, поступающего в извлеченный газ, следует в качестве затвора применять хорошо продегазированный солевой раствор. Дегаза­ цию солевого раствора можно проводить в сосуде 3.

В приборе СД-1 вакуумметр не предусмотрен. Герметичность дегазатора и исправность насоса проверяют путем создания в баллоне 1 вакуума и соединения его по истечении 5 мин с со­ судом с водой 3. Если после заполнения баллона водой в нем остается менее 5 мл воздуха, дегазатор и насос считают исправ­ ными, и можно приступить к дегазации отобранных проб.

Аналогичным образом проверяют герметичность баллона 2. Если после заполнения баллона 2 в нем остается более 5 мл воздуха, следует найти место нарушения герметичности в дега­ заторе или неисправности в работе вакуумного насоса и устра­ нить их. Для некоторых работ необходимо остаточное содержа­ ние воздуха снизить до 1—2 мл.

Время дегазации проб воды и маловязкого бурового раствора на приборе СД-1 3 мин, бурового раствора средней и большой вязкости и шлама — 5 мин.

Для определения влияния продолжительности дегазации на степень извлечения различных углеводородных газов из воды и глинистого раствора на приборе СД-1 мы дегазировали различные пробы воды и глинистого раствора в течение 3, 4 и 5 мин. Коли­ чество газа, оставшееся после каждой дегазации, определялось путем вторичной дегазации пробы в течение 10 мин. Полученные результаты приведены в табл. 25.

Таблица 25

Содержание различных углеводородных компонентов в газовой смеси, извлеченной из воды и глинистого раствора, в зависимости от времени дегазации жидкости на приборе СД-1

84

Из табл. 25 видно, что практически полная дегазация воды достигается на приборе СД-1 за 3 мин, а глинистого раствора — за 5 мин.

В этой главе не рассматривается степень извлечения парооб­ разных углеводородов (пентана, гексана и др.), достигаемая при помощи дегазатора СД-1. Это связано с тем, что по содержанию парообразных углеводородов в газовой смеси, извлеченной из бу­ рового раствора при любых условиях, нельзя судить о содержа­ нии их в дегазируемой трубе, так как в последней эти углево­ дороды находятся в жидком состоянии и при дегазации в паро­ образное состояние обычно выделяется лишь незначительная часть этих углеводородов. Концентрации парообразных углеводо­ родов в извлеченной газовой смеси в значительной степени зави­ сят от температуры пробы в конце дегазации.

Для определения степени извлечения углеводородных газов, до­ стигаемой на приборе СД-1, при дегазации в течение 5 мин пробы глинистого раствора высокой вязкости в колбах объемом 250 мл нами была проведена следующая работа. При определении газосодержания глинистого раствора в процессе бурения скважины отобранные пробы с «нетекучими» глинистыми растворами дега­ зировались дважды, и по газу, оставшемуся в пробе после первой дегазации, определялась степень извлечения.

Опыты показали, что степень извлечения углеводородных га­ зов из глинистого раствора высокой вязкости при его дегазации в течение 5 мин на приборе СД-1 превышает 90%. Степень из­ влечения жидких углеводородов (пентан и гексан) для раствора любой вязкости сильно зависит от их содержания в растворе. При значительном содержании пентана и гексана в глинистом растворе полнота извлечения не будет достигнута даже при многократной дегазации.

Опыты, проведенные с дегазацией шлама, дали близкие ре­ зультаты.

Нами определялась степень извлечения различных углеводо­ родных газов при дегазации на приборе СД-1 в течение 5 мин различных проб шлама. Для этой цели в процессе бурения сква­ жины в колбу емкостью 250 мл отбиралось 100 мл шлама, после чего колба заполнялась водой, закрывалась пробкой и присоеди­ нялась к прибору для дегазации. Извлеченный газ анализиро­ вался на приборе ГСТЛ-3. Как и в предыдущих опытах, для опре­ деления концентраций различных углеводородов, оставшихся в шламе после дегазации в течение 5 мин, проба дегазировалась вторично в течение 10 мин.

Результаты анализа газа, извлеченного при первой и второй дегазациях различных проб шлама, приведены в табл. 26.

Из табл. 26 видно, что при дегазации проб шлама на при­ боре СД-1 в течение 5 мин извлекается более 94% содержащихся в них углеводородных газов. Это значит, что для дегазации пробшлама на приборе СД-1 достаточно 5 мин.

85

Таблица 26

Степень извлечения углеводородных компонентов, достигаемая при дегазации проб шлама в течение 5 мин на приборе СД-1

При определении производительности прибора СД-1 следует учесть, что на этом приборе две пробы дегазируются одновре­ менно.

На приборе СД-1 можно в течение 1 ч продегазировать 10— 12 проб глинистого раствора или шлама.

О ДВУХ СПОСОБАХ ДЕГАЗАЦИИ ПРОБ БУРОВОГО РАСТВОРА

Дегазация проб бурового раствора в применяемых в настоя­ щее время лабораторных дегазаторах осуществляется двумя способами: на одних (СД, ГБЭ, ДГ) дегазация отобранных проб бурового раствора проводится в пробоотборниках, присоединяе­ мых к дегазатору, на других («Вакуумный кипятильник» [69], «Па­ ровой котел» [70]) пробы бурового раствора переводятся из про­ боотборника в дегазатор.

лучше [30]. Представляло интерес установить причины этой раз­ ницы и выяснить, относятся ли эти выводы только к двум рас­ смотренным приборам или они связаны со способами дегазации и их можно отнести ко всем приборам, работающим по этим двум различным способам. Для решения этого вопроса воспользуемся формулой Савченко [14], которая после некоторых преобразований принимает вид

«6

где Y — отношение объема газа, оставшегося в жидкой фазе после установления равновесия, к объему извлеченного газа; а — коэф­ фициент растворимости углеводородных газов в буровом растворе; Ѵт — объем жидкой фазы; Ѵг — объем газовой фазы.

Возьмем в качестве примера способ дегазации, применяемый в дегазаторе «Вакуумный кипятильник», где пробы бурового

растворе в процессе бурения скважины обычно составляет около

До вскрытия углеводородосодержащих пластов при отсутствии добавок нефти или пеногасителя этот газ представляет собой воз­ дух, а при вскрытии газоносных и нефтеносных пластов в раствор попадают и углеводородные газы. При хранении отобранной пробы в полулитровой бутылке пузырьки свободного газа посте­

25 мл. Когда между этими фазами установится равновесие, рас­ пределение углеводородных газов между ними определится по формуле

Т = 0,03 475/25 = 0,57.

Это значит, что в буровом растворе останется только 57% определяемого газа, а 43% его перейдет в газовую фазу и в де­ газатор не попадет. Конечно, 43% является максимальной вели­ чиной потери газа, в действительности они значительно меньше и зависят от вязкости бурового раствора, его газосодержания и времени хранения. Потери газа даже при весьма непродолжитель­ ном хранении проб воды и маловязких буровых растворов могут оказаться весьма значительными.

Из изложенного следует, что способ дегазации бурового раствора путем перевода проб из пробоотборника в дегазатор яв­ ляется ошибочным, так как при этом теряется значительная часть газа.

Определение содержания газа в пробах воды, глинистого раствора, шлама и керна

Для определения газосодержания воды и глинистого раствора следует пользоваться формулой

q = K rа

К гК -ф

“ТД Г-

Если пренебречь количеством газа, остающегося в пробе после

87

в мл/л, Кг в %, а ѴГф и Ѵж в мл. Вследствие этого формула прини­ мает вид

Ю/СгѴгф

В тех случаях, когда объем дегазируемой пробы бурового раствора определяется взвешиванием, формула имеет вид

ШѵѴгф ■d

где G — масса пробы; d — плотность пробы.

При дегазации шлама формула принимает вид

10/СгѴ"Гф

-------- — ■

Об оптимальном объеме дегазируемой пробы и вакуумного баллона дегазатора при термовакуумной дегазации бурового раствора. Нами установлено, что в 1 л бурового раствора обычно содержится 60—100 мл газа. Для анализа газа на хроматермографических приборах газокаротажной станции (ХТ-2М и ГСТЛ-3) применяется порция газа объемом 5 мл. Для получения такого количества газа достаточно дегазировать пробу бурового раствора объемом 100 мл. Дегазация проб большего объема кроме затраты лишнего времени и тепла на дегазацию ничего не дает.

Для уменьшения объема воды или солевого раствора, необхо­ димого для вытеснения извлеченного газа, а следовательно, и ко­ личества воздуха, поступающего в извлеченный газ из раствора, а также для скорейшего достижения нужного вакуума необхо­ димо установить минимальный объем баллона дегазатора, при ко­ тором достигается полнота извлечения.

Выше нами было показано, что степень извлечения газа после установления равновесия между жидкой и газовой фазами опре­ деляется формулой Р= 1 — а Ѵ ж/Ѵг, где а — коэффициент раство­ римости углеводородных газов в буровом растворе; Ѵж— объем дегазируемой пробы бурового раствора; Ѵг — объем вакуумного баллона. При температуре дегазации бурового раствора 60° а = = 0,02. Если допустить, что объем вакуумного баллона в 2 раза больше объема дегазируемой пробы, т. е. когда Ѵж/Ѵг= 0,5, сте­

88

пень извлечения газа из дегазируемой пробы бурового раствора после установления равновесия составит: Р= 1 — 0,02 • 0,5 = 0,99„

или 99%.

Учитывая, что погрешность аналитического прибора превы­ шает ±2%, следует считать такую степень извлечения вполне до­ статочной и объем баллона в 2 раза больше объема дегазируе­ мой пробы вполне приемлемым. Это значит, что объем баллона термовакуумного дегазатора для анализа проб бурового раствора объемом 100 мл должен быть ~200 мл.

Проверка полноты извлечения углеводородных газов, достигаемой при дегазации проб бурового раствора на некоторых дегазаторах

Степень извлечения углеводородных газов из проб глинистого раствора, достигаемая при помощи различных дегазаторов, опре­ деляется путем их многократной дегазации до получения нуле­ вых показаний. Объем определяемого газа, извлеченного при пер­ вой дегазации, делят на объем этого газа, извлеченного при всех дегазациях.

Для проверки полноты извлечения газа из проб глинистого раствора после получения нулевых показаний при их дегазации на термовакуумном дегазаторе СД-1 нами была проведена сле­ дующая работа.

Три колбы объемом по 250 мл каждая были заполнены гли­ нистым раствором, содержащим растворенные этан, пропан и бу­ тан. Каждая колба дегазировалась на приборе СД-1 последова­ тельно 3 раза. Газы, извлеченные при каждой дегазации, анали­ зировались на приборе ГСТЛ-3. При первой дегазации из каждой колбы было извлечено по 3 мл смеси этана, пропана и бутана,, при второй — по 0,02 мл, а при третьей дегазации были получены нулевые показания. Дегазированный глинистый раствор из трех колб быстро отфильтровывали на большой воронке Бюхнера, и

доходящий до середины колбы, закрывали снаружи при помощи каучуковой трубки зажимом, а более короткий отросток присое­ диняли к газометру, где собирались выделяемые из пробы газы. Колбу помещали в глицериновую баню при 150°.

После выдерживания пробы в течение 5 ч при 150° при по­ мощи длинного отвода через колбу пропускали 100 мл воздуха, который, омывая сухую глину, собирался в газометре. Результаты анализа газа из газометра на приборе ГСТЛ-3 показали полное отсутствие в нем этана, пропана и бутана, а также других угле­ водородных газов. Затем температура глицериновой бани была повышена до 200°, и пробу выдерживали при этой температуре

8 »