處理含H2S的鉆井密閉循環(huán)系統(tǒng)的研究方案

(中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司 河南 新鄉(xiāng) 453700)

引言

根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展，可以有以下兩個(gè)選擇，采用四相分離器或者采用逐級(jí)分離的獨(dú)立的模塊對(duì)不同相進(jìn)行分離。

一、四相分離器的組成、原理

(一)組成

在研的WS1.6-6-1.5/1型鉆井用臥式油、氣、液、固體四相分離器,設(shè)計(jì)目標(biāo)是為下一步復(fù)雜欠平衡鉆井工藝提供技術(shù)支撐。該型鉆井用四相分離器區(qū)別于油氣井地面測(cè)試用三相分離器和油田采輸用的四相分離器。與后兩者相比,前者不僅是簡(jiǎn)單的改變體積和管道布局,而是針對(duì)其應(yīng)用需要設(shè)計(jì)了許多特殊功能。該分離器由取樣器、漩流分離筒、油水分離隔板、油水分離堰板、噴淋管線、排液/排油泵管組、排氣管線、固相輸出管道以及清砂機(jī)構(gòu)組成。

(二)工作原理

對(duì)于油、水、固、氣四相的分離均采用離心原理，并在氣液分離時(shí)采用化學(xué)消泡劑，油水分離時(shí)配合化學(xué)藥劑和其它化學(xué)藥劑進(jìn)行萃取分離。

二、組合式分離

組合式分離采用的是逐步分離的方法：首先應(yīng)當(dāng)把從井口返出的鉆井液排到一個(gè)承壓能力相對(duì)比較高的密閉容器里。因?yàn)樵谟玫乃南喾蛛x器工作的時(shí)的負(fù)荷壓力比較小(1.5mp)，而且四相分離器在處理返出鉆井液的時(shí)候都是井口裝置直接連接到四相分離器上。而且鉆井液排量隨時(shí)變化，這樣就不能保證四相分離器的工作效率，這樣會(huì)存在很大的安全隱患。因?yàn)?，一旦壓力增大，不但?duì)井身安全造成威脅，而且對(duì)四相分離器也造成了威脅。所以，筆者認(rèn)為在井口與四相分離器之間建立一個(gè)緩沖容器是非常有必要的。這個(gè)緩沖容器能夠承受比較大的壓力變化窗口，再者這個(gè)緩沖容器也可以對(duì)形成負(fù)壓環(huán)境(真空)，對(duì)鉆井液中的氣體做一次脫氣處理。這樣，即使在鉆井工程當(dāng)中發(fā)生溢流、漏失等復(fù)雜情況的時(shí)候也不會(huì)損壞四相分離器的某些器件。

(一)分離系統(tǒng)流程方案一

采用二級(jí)分離，一級(jí)分離器采用被動(dòng)式旋流+重力斜板沉降，二級(jí)分離器采用主動(dòng)旋流方式。

(二)分離系統(tǒng)方案二

與方案一的差別在于二級(jí)分離器的流體進(jìn)口位置，這主要是二級(jí)離心分離器的結(jié)構(gòu)要求。

(三)氣液分離器方案

氣液分離作為四相分離器的分離設(shè)計(jì)重點(diǎn)。因?yàn)?，H2S有劇毒性、酸性和腐蝕性，所以此級(jí)分離也將成為分離器分離的核心部件。

1.一級(jí)氣液分離方案

一級(jí)分離器有上下兩個(gè)入口，可適用于不同含氣量的情況。當(dāng)鉆井液含氣量高時(shí)，關(guān)閉下入口，讓鉆井液只從上入口進(jìn)入。當(dāng)僅含少量小氣泡時(shí)，開(kāi)啟下面閥門(mén)，鉆井液由下入口進(jìn)入。鉆井液出口有兩個(gè)，即側(cè)面出口和底部出口，底部出口主要用于排出巖削和少部分鉆井液，而大部分泥漿從側(cè)面出口排出并導(dǎo)入二級(jí)分離器。分離器底部為錐形,以防止固相在分離器內(nèi)沉積。

該方案主要利用環(huán)空上返流體的能量，使流體強(qiáng)旋，以提高分離效果,其余與一級(jí)分離器方案一相同。

2.二級(jí)氣液分離

氣侵鉆井液經(jīng)過(guò)一級(jí)氣液分離器以后,分離出大宗氣體和大氣泡，同時(shí)固相巖屑由重力式分離器的底部出口排出,避免進(jìn)入二級(jí)分離器。離心式分離器作為二級(jí)分離設(shè)備，主要處理彌散在鉆井液中的小氣泡。根據(jù)不同分離系統(tǒng)方案，提出以下三種離心分離器設(shè)計(jì)方案。

①葉輪式離心分離器。葉輪式離心分離器，底部進(jìn)液，上方出液，上部用擋板隔成氣腔，可滿足分離系統(tǒng)一對(duì)二級(jí)分離器結(jié)構(gòu)的要求。分離器頂部裝有電機(jī)，通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)空心軸，從而帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)鉆井液從底部流入殼體的環(huán)形空間后，葉輪隨空心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，使鉆并液繼續(xù)作圓周運(yùn)動(dòng),從而形成一個(gè)離心力場(chǎng)，加速度一般在20～40g之間。鉆井液內(nèi)的小氣泡在離心力作用下向軸心方向運(yùn)動(dòng),通過(guò)軸上開(kāi)口進(jìn)入軸的空心流道并在氣腔聚集。

②轉(zhuǎn)筒式離心分離器方案。上方進(jìn)液，底部排液，可滿足分離系統(tǒng)二對(duì)二級(jí)分離器結(jié)構(gòu)的要求。分離器頂部裝有電機(jī),通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)空心軸，帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)。進(jìn)入分離器的鉆井液由于自重落到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒上端面時(shí)，被甩向四周，在殼體內(nèi)壁形成鉆井液紊流薄壁并螺旋向下流動(dòng)，最后經(jīng)排液口流出。在鉆井液薄層內(nèi)已形成很強(qiáng)的離心力場(chǎng)，氣泡在離心力作用下迅速向軸心方向運(yùn)動(dòng)，由轉(zhuǎn)筒側(cè)面上的小孔進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，并進(jìn)入軸內(nèi)的空心流道，經(jīng)排氣口流出。

③旋流分離器。該種分離器屬于被動(dòng)式離心分離器，可運(yùn)用在系統(tǒng)方案三中。通過(guò)砂泵增壓的鉆井液從進(jìn)液口流入螺旋流道，在流道的束約下高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生巨大離心力，從而實(shí)現(xiàn)氣液分離。分離出來(lái)的氣體通過(guò)空心軸由排氣口排出。

三、鉆屑和處理后鉆井液的排出處理

處理后的鉆井液可以通過(guò)管匯存儲(chǔ)在密閉的泥漿罐里。在泥漿罐頂部可以設(shè)置一個(gè)閥門(mén)和一個(gè)檢測(cè)器，當(dāng)鉆井液達(dá)到某個(gè)高度的時(shí)候關(guān)閉閥門(mén)，讓鉆井液流入另外一個(gè)泥漿罐。進(jìn)而進(jìn)一步使用，因?yàn)榻?jīng)過(guò)處理后的泥漿的氣相和固相含量已經(jīng)經(jīng)過(guò)處理。

因?yàn)橐呀?jīng)有了第一步的除氣處理，殘留的氣體含量已經(jīng)大幅度降低，所以鉆屑可以在密閉環(huán)境下在經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩后可用粉碎機(jī)粉碎成比較小的固相顆粒(小的固相顆?？梢员ＷC壓實(shí)后的巖屑小的孔隙度)，然后壓實(shí)通在密閉條件下排出。

這種方案采取在壓實(shí)條件下用鉆頭鉆取來(lái)排出巖屑。壓實(shí)后巖屑的孔隙度大幅度降低，其攜帶硫化氫的量將大幅度減少，這為進(jìn)一步處理巖屑提供安全保障。

四、結(jié)束語(yǔ)

1.鉆井用四相分離器可以在產(chǎn)油地層鉆井作業(yè)、欠平衡作業(yè)以及封閉式欠平衡作業(yè)中發(fā)揮重要作用。

2.待其開(kāi)發(fā)應(yīng)用進(jìn)入成熟階段后,通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu),鉆井用四相分離器具有擴(kuò)展為物理除泡設(shè)備的潛力。

3.鉆井用四相分離器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用對(duì)進(jìn)一步發(fā)展欠平衡以及其它相關(guān)特色技術(shù)有著至關(guān)重要的影響。而真正的核心技術(shù)是買(mǎi)不來(lái)的,只有通過(guò)科技創(chuàng)新,擁有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品,才能提高我們競(jìng)爭(zhēng)力,跟上世界鉆井技術(shù)的步伐。

4.采用鉆井用四相分離器能有力的支持我國(guó)對(duì)于含硫底層采取欠平衡技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采，無(wú)論是從節(jié)約成本、保護(hù)儲(chǔ)層、提高油氣產(chǎn)量等方面都有重要的意義。