有沒有氣體半透膜

㈠ 一種新型氣測錄井系統設計與開發

張 衛 陸黃生

（中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

摘 要 針對鑽井液氣測錄井脫氣不定量、分析成分少的問題，設計了一種新型的鑽井液油氣分析系統。系統脫氣單元採用半透膜分離原理，脫氣器可直接插入鑽井液中提取分析成分，擺脫了傳統電動脫氣方式定量化弱的局限；系統分析單元採用了MEMS微型色譜，縮小了體積，擴展了在線分析的組分范圍，可在線分析鑽井液中油氣成分。現場實驗證明新型鑽井液油氣分析系統提高了油氣檢測的定量性和評價的准確性。

關鍵詞 鑽井液 油氣 分析 半透膜 在線色譜

Development of a New Kind of Gas logging System

ZHANG Wei，LU Huangsheng

（Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China）

Abstract In light of non－quantitative degasification and few components for analysis in current traditional gas logging，a new type of gas logging system developed.The system adopts the semi－permeable membrane separation principle to make a pertinent degasification of hydrocarbon gases.The degasser can be inserted directly into drilling fluid to extract the analysis component.The analysis component of the system adopts the method of online －GC technology.The wellsite test showed that the new system can raise the level of gas logging and improve the assessment exactness of oil and gas.

Key words drilling fluid；oil－gas；analysis；semi－permeable membrane；online chromatogram

油氣勘探鑽井過程中，地層輕烴含量直接關聯著地層油氣儲量^［1］，傳統測定方法是將鑽井液引入脫氣器中進行攪拌脫氣，分離出輕烴氣體，再將其送入在線氣相色譜進行分析，從而得到鑽井液中的輕烴含量^［2］。這種測定方法脫氣不定量、檢測不連續、信號延遲時間長，制約了氣測錄井服務質量。

本文結合國外氣測錄井行業的發展趨勢^［3～7］，提出了一種測定鑽井液中輕烴含量的新方法，在此基礎上開發了新型氣測系統。

1 系統原理

系統的結構原理如圖1所示，分為樣品脫氣環節、樣品處理環節、分析檢測環節和評價解釋環節。鑽頭在鑽開地層後，井下油氣被鑽井液從井下循環到地面，脫氣環節中的半透膜脫氣器直接插入泥漿中，通過它把鑽井液中的烴類油氣定量提取出來；提取出來的樣品進入樣品處理環節，進行脫水、乾燥、穩壓、穩流處理；之後樣品進入分析檢測環節，通過在線的分析儀器將烴類樣品成分檢測出來；隨後氣體樣品排出系統，檢測的信息進入評價解釋環節，通過工作站完成樣品標定、數據處理和油氣水的評價。

圖1 油氣檢測系統原理

新型氣測系統與常規氣測錄井系統分離—檢測—評價的功能流程基本一致，但關鍵功能的實現手段有著顯著區別。新型氣測系統對脫氣和氣體檢測兩個關鍵環節進行了重新設計，新設計的系統脫氣環節使用插入式半透膜定量脫氣替代了傳統的電動脫氣，而新的氣體檢測環節將油氣分析范圍由常規系統的C₁—C₅擴展到C₁—C₈，並包括苯和甲苯。

2 技術關鍵

2.1 半透膜脫氣器設計

樣品脫氣要充分考慮鑽井液中烴類氣體的模態變化和鑽井液的循環工藝。首先要讓鑽井液盡量少接觸空氣，其次是減少因為鑽井液的流量、溫度等因素變化造成的影響。綜合各種樣品萃取的利弊，選用半透膜方式脫氣具有很好的針對性。

半透膜是由高分子聚合物材料制備的薄膜，其具有選擇性透過功能，可針對性地分離液體中特定組分，在化工分離工程中應用廣泛。目前Schlumberger 、Halliburton等公司正應用半透膜分離技術開展研究，並取得了一定成果。適合鑽井液油氣脫出的半透膜應只允許檢測所需的烴類及苯類分子以氣體狀態通過，並完全禁止泥漿通過，以保護後續檢測單元。利用半透膜從鑽井液中直接分離組分的原理如圖2所示。

圖2 半透膜工作原理

在膜的內外兩側，由於烴類組分存在不同的滲透壓力，使鑽井液中的烴類氣體穿過半透膜，並以氣體的形式通過載氣輸送至氣相色譜儀等檢測儀器進行分析，達到分離—檢測的目的。利用半透膜作為定量分析手段，檢測結果能夠真實反映鑽遇地層流體的油氣組成比例及性質。

由於半透膜需直接接觸鑽井液進行油氣組分分離，其工作環境惡劣，並且工作溫度高，普通膜材料難以達到要求，因此半透膜選擇上既要保證油氣組分透過，又要重點考慮膜的強度和耐溫性。初步選擇PE（聚乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）及PDMS（硅橡膠）為膜材料，通過化學聚合反應制備了中空纖維聚合物復合膜。PE膜在實驗溫度為40℃、80℃時無檢測信號，在溫度升至100℃時熔化，耐溫性能差。PTFE膜在40℃、80℃ 、100℃、120℃有檢測信號，但檢測信號很小，說明PTFE的透過性不好。PDMS膜在溫度高於50℃時的譜圖均有信號。因此，選用PDMS膜作為鑽井液中輕烴氣體的分離膜。通過性能測試，制備的PDMS復合半透膜強度、耐溫性及透過性適合鑽井液泥漿工作條件，脫出油氣組分能夠滿足後續檢測單元需求。表1為PDMS復合膜對氣體組分的滲透系數。

表1 氣體組分的PDMS膜滲透系數

考慮到鑽井液的化學性質及惡劣的工作環境，半透膜脫氣器封裝採用了圖3所示的設計結構，脫氣器整體為全不銹鋼插頭式，長度為15cm，使用的中空纖維膜膜管外徑為0.8mm，內徑為0.5mm，中空纖維膜覆蓋部分即有效探頭長度為10cm，中空纖維膜置於探頭表面的凹槽內，凹槽起到一定的保護和固定作用。脫氣器內置溫度計凹洞介面，插入熱電阻即可在執行測量任務的同時監控溫度，幫助校正半透膜的滲透效率。

圖3 鑽井液半透膜脫氣器結構

2.2 在線油氣分析單元設計

氣體檢測單元是系統核心模塊之一。傳統的氣體檢測一般採用FID ＋色譜的檢測方式，使用氫火焰離子化檢測器需要配備氫氣和氧氣，這樣既增加了氣相色譜儀的使用成本，而且使用氫氣具有一定的危險性。儀器房一般離脫氣環節幾十米遠，樣品氣輸送存在滯後的問題且受溫度影響。因此新氣測系統設計關鍵是解決樣品快速分析問題、樣品氣輸送問題。同時，儀器也要體積較小，可以現場安裝。

本文設計繼續選用了在線氣相色譜分析原理，但是在儀器上選用了Agilent的490 Micro GC攜帶型氣相色譜儀。490 Micro GC使用的微型熱導檢測器（μTCD）比傳統的熱導檢測器靈敏度高10倍，能夠精確地分析出項目所需要參考的指標氣體，整個系統具有速度快、便攜、適應野外工作的優點。

本設計主要是規劃了在線色譜的分析流程和優化了色譜柱的性能。在線色譜的分析採用模塊化組合，設計了雙分析通道，為了克服C₅之後樣品液化的問題，在進樣口、色譜柱、檢測器都進行了保溫設計，以保證樣品分析的准確性。每個通道流程如圖4所示。

圖4 檢測通道原理

氣體檢測可同時進行兩個通道樣品分析，每個通道包括微電子氣體控制（EGC）、進樣器（Injector，包括樣品加熱裝置和樣品定量管）、氣體分離柱（Column）、微熱導檢測器（μTCD）。色譜柱選用不同填料用於不同成分的針對性分析，以提高分析實效及精度。其中分離柱一採用10m PoraPLOT Q色譜柱，用於分析CH₄；分離柱二採用8m Sil 5CB色譜柱，用於分析高碳數烴類及苯類。色譜柱類型及系統運行參數見表2。

表2 通道類型及參數

由於設備氣路比較精密，在設計中採用乾燥過濾器對樣品氣進行乾燥、過濾，過濾器採用5μm粉末冶金過濾片，另外本身色譜儀配有一個專用的可換過濾器作為最後的凈化保證。為保證樣品氣輸送的定量，保障後續檢測單元測量精度，樣品氣流量使用質量流量閥定量控制。

2.3 系統軟體設計

系統軟體設計採用模塊化設計，設計語言採用C^＃完成，軟體主要功能為實現數據的實時採集、分析和解釋評價，並將成果進行數據或圖形輸出。此系統功能模塊包括控制模塊、數據採集、顯示模塊、解釋模塊、模板建立、數據管理、成果輸出等。整體架構如圖5所示。此外，軟體可以實現與綜合錄井儀的通訊，將採集的氣體成分數據送到綜合錄井儀中，也可以將綜合錄井儀的參數提取到工作站，單獨進行油氣分析及解釋。

圖5 軟體功能架構圖

3 實驗與指標

3.1 現場實驗

2011年9月，新型氣測系統在中國石化中原油田胡XXX井和衛XXX井分別進行了現場氣測錄井測試。整套系統在胡XXX井連續進行了251h、281m進尺的錄氣測錄井工作。在衛XXX井，系統連續進行了223h、1012m進尺的氣測錄井。同時由於衛XXX井在鑽井過程中進行了混油鑽進，系統完成了在混油狀態下的氣測錄井測試。

整個測試期間，系統整體工作性能穩定，C₁—C₈的檢測周期小於90s（圖6），在鑽井液混油的狀態下，氣測異常發現率為100％。現場測試證明了系統工作的可靠性，獲得了現場第一手的數據。

圖6 現場色譜分析

3.2 系統指標

新型鑽井液油氣含量檢測系統的技術指標如表3所示。

表3 新型氣測系統技術指標

4 結束語

新型氣測錄井系統使用膜分離脫氣和多通道檢測，具有檢測范圍擴大、定量化程度高、檢測周期快速的優點。系統整體運行正常，現場實驗達到了預期設計目的。系統的開發研製對提高油氣評價的准確性，解決弱油氣儲藏發現的難題有著重要意義。

參考文獻

［1］張衛，慈興華，張光華，等.鑽井液氣體分析檢測技術研究.天然氣工業.2006，26（5）：64 ～66.

［2］嚴國平，武慶河.脫氣器的現狀及發展趨勢探討.錄井技術，1999，10（1）：10～14.

［3］Pop J J，Taherian R，Poitzsch M E，Tabanou J R.Downhole measurement of formation characteristics while drilling［P］.US：7458257，2008.

［4］Coenen J G C.System for detecting gas in a wellbore ring drilling［P］.US：73 18343，2008.

［5］Jimmy L.Detecting gas compounds for downhole fluid analysis［P］.US：2010/0050761 A1，2010.

［6］Wolcott D K.Use of capillary－membrane sampling device to monitor oil drilling muds［P］，US：5469917，1995.

［7］黃小剛，廖國良，魏忠.FLAIR井場實時流體檢測系統［J］.錄井工程，2005，15（4）：66 ～67

㈡ 高中生物：關於半透膜的基本知識理解》》》

擴散：抄物質的分子由高濃度襲的一方向低濃度的一方運動，最終使各處濃度相等。這個過程可以不需要半透膜，但是也可以有。 擴散分為：自由擴散和協助擴散
如：做飯時，香味由廚房擴散到客廳（此時沒有半透膜存在）
再比如：葡萄糖分子通過協助擴散進入到細胞內。（此時細胞膜作為半透膜）

滲透：一些溶劑分子(如水)透過半透膜從自身濃度高的一側向濃度底的一側轉移的現象.
這時必需要有半透膜的存在。 如：細胞的質壁分離實驗，就是水的滲透現象。

㈢ 什麼是半透膜

半透膜是一種根據粒子的直徑大小進行選擇性的通過，只給某種分子或離子擴散進內出的薄膜，而大分子粒容子是不被允許通過的。

半透膜是一種只允許離子和小分子自由通過的膜結構，生物大分子不能自由通過半透膜，其原因是半透膜的孔隙的大小比離子和小分子大但比生物大分子如蛋白質和澱粉小。半透膜在化學中只允許溶液通過，膠體和濁液均不能通過。分散質粒子直徑濁液：大於100nm；膠體：1~100nm；溶液：小於1nm 。

(3)有沒有氣體半透膜擴展閱讀

在日常生活中，常見的半透膜有雞蛋膜、雞的嗉囊、魚鰾、蠶豆種皮、玻璃紙、青蛙皮、動物膀胱、腸衣、蛋白質膠膜，火棉膠膜以及其他一些可從生物體上剝離的薄膜類物質。 活細胞內的生物膜只允許水分子自由通過，它所選擇的離子、小分子物質可以通過，而其他的離子、小分子和大分子不能透過，是嚴格的半透膜。細胞喪失活力後生物膜的選擇透過能力喪失。

㈣ 半透膜能透過什麼

能通過半透膜的有：常見的陰陽離子；水、二氧化碳、氧氣、葡萄糖、甘油、氨基酸等。

半透膜是一種只讓某些分子和離子擴散進出的薄膜，一般來說，半透膜只允許離子和小分子物質通過，而生物大分子物質不能自由通過半透膜，原因是半透膜的孔隙的大小比離子和小分子大，但比生物大分子例如蛋白質、澱粉等小，如羊皮紙、玻璃紙等都屬於半透膜。

簡介：

半透膜透過物質具有選擇性的薄膜。一般只允透過溶劑或溶劑和小分子溶質而不允許過大分子溶質。如玻璃紙只允許水透過蔗糖溶液中，而蔗糖分子不能透過；動物的膀胱允許水透過，而不允許酒精分子過；灼熱的鈀或鉑允許氫透過，而氬分子不能透過。

半透膜可用多種高分子材料製成，用以分離不同分子量的物質，定滲透壓和氣體分壓等。半透膜主要應於膜分離技術中的反滲透和超濾。

㈤ 是否有一種薄膜,液體可以通過,氣體卻不能通過.在哪裡可以查到這些薄膜的資料

是根據張力的不同做的,半透膜

㈥ 氮化硼能透過半透膜嗎

能通過半透膜的有:常見的陰陽離子;水、二氧化碳、氧氣、葡萄糖、甘油、氨基酸等
半透膜的功能是指膜是向二維伸展兩側均可存在固體與氣體或固體與液體間的界面。膜的基本功能是它能從物質群中有選擇地透過或輸送特定的物質( 如分子、離子、電子、光子等),因而把膜視為一種基礎功能料。
膜的主要功能有:分離功能：不同氣體透過膜的透過系數不同，據此可以集富所需氣體(如集富氧氣)，濃縮天然氣等。離子交換膜可用於海水淡化、硬水軟化。反滲透膜是一種選擇性薄膜(如醋酸纖維素膜),它只讓水通過而不讓鹽等雜質離子通過,將未凈水或鹽水加壓到幾十或上百大氣壓,從而超過其滲透壓,雜質離子等不能通過膜,而水可以通過，從而達到海水淡化或制備超純水的目的。超濾膜可用於膠體分離、廢液處理、溶液濃縮。目透析膜
用於人工腎等人工器官。能量轉化功能它能將光能向化學能轉化(如光解水以產生氫和氧),也可將光能轉化
為電能,用於有機薄膜太陽能電池，這是今後大面積利用太陽能的最好形式之一。