钻井液除气工 艺技术

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 钻井液除气工艺技术 钻井液除气工艺技术 时志国 *钻井公司 一、引 言 在钻井过程中，钻开天然气层后，气 体有可能侵入钻井液；振动筛、除砂器、 除泥器、钻井液枪、搅拌器等设备在工 作过程中有可能使空气侵入钻井液。这 些气体侵入钻井液后，会造成钻井液密 度降低；会增加钻井液上返速度，引起 循环罐过满或外溢；会使离心泵气锁、 使水力旋流器、钻井液枪、离心机、灌 注泵等无法工作，甚至会引起井喷的发 生。气侵钻井液一直是钻井工程所遇到 的难题。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 人们一直在探索去处气侵钻井液中气 体的方法，最初人们发现，向气侵钻井 液中加水，会使钻井液密度上升，于是 产生了最原始、最简单的除气办法；向 循环罐内钻井液表面上洒水除气、向振 动筛筛网面喷水除气。在弄明白水能除 气的原理之后，人们发明了除泡剂代替 水除气，并一直沿用至今。 在没有发明除气设备之前，一般使用 搅拌器和泥浆枪搅动钻井液除气，这种 方法见效慢、除气效率低。上个世纪 40 年代产生了除气设备，发展到现在已经 有常压、真空、立式、卧式等不同结构、 不同原理的除气设备，并形成了成熟的 除气工艺流程。 二、气泡必须浮至钻井液表面并破裂 无论除气设备的外形、结构怎样变幻、 无论除气设备采用的除气原理怎样不同， 所有除气设备的基本除气原理都是一样 的，就是使气泡浮至钻井液表面破裂。 侵入钻井液中的气体以大小不一的气 泡形式存在于钻井液中，要想去除这些 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 气体，必须使气泡脱离钻井液。分析气 泡在钻井液中的存在状态，根据阿基米 德定律，气泡的上升浮力等于气泡排开 相同体积钻井液的重量： 其中，F 气泡浮力, g r气泡半径，cm - 钻井液的密度， g/cm3 可以看出，在同一钻井液中，气泡的 浮力与气泡半径成正比，也就是说：大 气泡比小气泡更容易浮上液面， 图 1、气泡上升过程 图 2、在高粘度钻井液中的小气泡 不能浮起来 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 图 3 气泡在钻井液中的状态 图 4 紊流将气泡带至液面破裂 但由于钻井液是高粘度、高切力的液 体，气泡浮到液面需要很长时间，直径 较小的气泡根本无法浮至钻井液液面。 所以，处在钻井液中的气泡有两种状态： 一种是气泡能浮到钻井液液面，并最终 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 破裂；另一种是气泡被裹在钻井液中， 既不能浮动，也不能聚集在一起形成大 气泡。 产生气侵后钻井液中的小气泡特别多， 要想去除钻井液中的气体，必须使小气 泡运动到钻井液液面。利用搅拌器或是 钻井液枪搅动钻井液，所增大的钻井液 液面是有限的，而且效率很低。要想清 除全部气体，必须使所有的钻井液都搅 到表面，并且分布很薄，才能释放出气 泡。于是产生了除气设备。所有除气设 备的设计原则都是增大钻井液液面面积， 使钻井液产生紊流，将气泡带至钻井液 表面、使之破裂。 三、除气设备布置方案 根据现用除气设备清除气泡直径的大 小，可将除气设备分为两类：液气分离 器和真空除气器。 循环罐内的气侵钻井液含有很多很多 的小气泡，直径很小，它们被裹在钻井 液中，既不能浮动的，也不能聚集。所 谓的大气泡是指起钻抽吸气或地层气体 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 气侵形成的，大部分或全部充满井眼的 环形空间某段钻井液的膨胀性气体，大 气泡将造成环空排量增大，使钻井液管 线过载，使钻井液从钻台钻盘喷出。当 在循环罐内采用浅没式泥浆枪或搅拌器 充分搅拌时，通常这些大气泡会浮到钻 井液表面。 液气分离器用于清除环空钻井液中的 大气泡，处理量大于井口出口管线钻井 液的排量。经液气分离器处理后的钻井 液，还含有小气泡，可先经过振动筛除 掉部分气泡，然后流入循环罐内。处理 循环罐内气侵钻井液中小气泡的任务由 真空除气器来完成。 液气分离器不属于正常循环系统的设 备，一般只有当发生井涌时才使用。液 气分离器安装在振动筛之前，进口管线 同井口出口管线或防喷器的节流管汇连 接，从液气分离器分离出的钻井液进入 振动筛或直接流入沉砂罐；分离出的气 体通过排气管线引到安全距离顺风排掉， 或引入火炬管线燃烧。在设计液气分离 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 器时，应保证能够处理可能产生的最大 气体流量，为防止未除气的钻井液再次 循环到井中，需在液气分离器上装一根 旁通管线，一旦出现实际气体流量超过 液气分离器处理能力的危险情况，就将 未经除气的钻井液直接排入废浆池丢弃。 图 6 吸入口、流量平衡器的 正确安装位置 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 图 5 除气器从沉砂罐后的第 一个罐吸浆 真空除气器属常规除气设备，安装除 气器时应使除气器从沉砂罐后的第一个 钻井液罐中吸取气侵钻井液，经除气器 处理过的脱气钻井液排入下游排浆罐中。 除气器的吸入口应位于吸入罐的下 部，并且需在吸入罐中安装搅拌器，以 保证真空除气器吸入的是搅拌均匀的气 侵钻井液，需在真空除气器的吸浆罐和 排浆罐之间需安装流量平衡器，安装位 置要高一些，接近罐的顶部，这样来自 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 排浆罐的脱气钻井液从上部进入吸浆罐， 保证位于吸浆罐底部除气器的吸浆口吸 入的是气侵钻井液。 图 7 流量平衡器在底部 液气分离器的安装位置是固定的，应 在井口和振动筛之间；而真空除气器是 撬装设备，安装的灵活性比较大，在现 场中出现了一些安装错误： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 图 8 用钻井液枪搅拌钻井液 有些井队将流量平衡器安装在罐的底 部，这样脱气钻井液由底部进入吸浆罐， 由于脱气钻井液较气侵钻井液密度高， 容易沉在罐底，使吸浆口吸入密度高、 含气量小的钻井液，而含气量高、密度 低的钻井液在罐内的上部，很难被吸入， 使除气器的工作效率降低。 不安装搅拌器，用泥浆枪搅拌气侵钻 井液。除气器的处理能力是根据钻井液 的循环量来设计的，用泥浆枪搅拌气侵 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 钻井液，会使吸入罐中的钻井液量增加， 超过除气器的设计处理量，使除气器不 能正常工作。 有些井队将真空除气器安装在除砂器、 或除泥器之后，这是非常不可取的。气 体侵入钻井液，会使钻井液密度降低、 体积膨胀，将真空除气器安装在振动筛 之后可尽快清除气体，减少钻井液溢出 循环罐的可能。除砂器、除泥器、离心 机、钻井液枪等固控设备都要求用离心 泵供给钻井液，而气侵钻井液可能造成 离心泵叶轮气锁，使钻井液无法进入到 离心泵中，造成由离心泵供浆的固控设 备无法工作。 四、常用除气设备 1、液气分离器 一般常用的液气分离器有两种类型： 封底式和开底式。 、封底式 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 图 10、封底式液气分离器 除气罐底部封闭，钻井液通过一根 U 型管线回到循环罐内。除气罐内钻井液 面的高度，可通过 U 型管的高度增减来 控制。 开底式 图 11、开底式液气分离器 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 分离器除气罐无底，下部半潜入钻井 液中。罐内的液面依靠底部潜入深度来 控制，这种分离器国外俗称“穷孩子” ， 说明其简易性。 目前最简单、最可靠的液气分离器是 封底式的。开底式分离器次之，因为它 的钻井液柱高度受到循环罐内液面高度 的限制。 2、常压除气器 图 12 由阀控制的钻井液冲击 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 层 常压除气器出现于上世纪 70 年 代初，它通过浸入气侵钻井液中的泵将 气侵钻井液送到罐内，在阀板的作用下， 使气侵钻井液产生足够高的速度，形成 钻井液薄层冲击罐的内壁，使气泡脱离 钻井液破裂，钻井液与气体的分离。 图 13 卧式真空除气器 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 3、卧式真空除气器 卧式真空除气器有一个长的卧式罐， 在罐内有两块较长的向下倾斜的挡板， 进口管线将气侵钻井液引至罐上部的槽 内，两块挡板将钻井液分布开形成很薄 的钻井液层，大部分气泡都能从薄层钻 井液表面逸出并破裂。 4、立式真空除气器 图 14 立式真空除气器 图 15 罐内锥体结构和钻井液薄层 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 立式真空除气器有一个矮的立式大 直径的罐，罐内的锥体结构非常有特点， 它由几个层叠在一起的圆锥体组成，结 构紧凑，能提供较大的分离面积，气侵 钻井液流经层叠的圆锥体表面形成钻井 液薄层，气泡溢出破裂。 5、离心真空除气器 图 16 离心真空除气器 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 离心真空除气器利用真空泵的抽吸作 用，在真空罐内形成负压，钻井液在大 气压的作用下，通过吸入管进入旋转的 空心轴，再由空心轴四周的窗口，呈喷 射状甩向罐壁，在碰撞、真空及气泡分 离器的共同作用下，浸入钻井液中的气 泡破碎，气体逸出，真空泵抽出气体并 将之排往安全地带，除气后的钻井液则 由于自重进入排空腔，经旋转的叶片排 出罐外。 五、结束语 通过以上内容我们了解到：所有气侵 钻井液都必须经过脱气处理，必须保证 提供给每台离心泵不含气体的钻井液， 以确保离心泵的正常可靠运转，坚决杜 绝再次将气侵钻井液循环至井内的情况 发生。 要去除钻井液中所含气体，必须使钻 井液中的气