張保貴韓烈祥羨維偉沈祥東鄭瀟瀟石慶張洪印柳世杰

1.川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院 2.中國石油西南油氣田公司川東北氣礦3.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司 4.中國石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程公司5.中國石油長城鉆探工程有限公司固井公司

鉆井液密閉分離系統(tǒng)流程方案及裝備配套

張保貴1韓烈祥1羨維偉1沈祥東2鄭瀟瀟3石慶4張洪印5柳世杰4

1.川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院 2.中國石油西南油氣田公司川東北氣礦3.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司 4.中國石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程公司5.中國石油長城鉆探工程有限公司固井公司

張保貴等.鉆井液密閉分離系統(tǒng)流程方案及裝備配套.天然氣工業(yè),2010,30(6):73-76.

為解決開式鉆井液循環(huán)分離系統(tǒng)不能滿足在含硫地層實(shí)施欠平衡鉆井作業(yè)要求而研制的鉆井液密閉分離系統(tǒng)(密閉系統(tǒng))是在含硫地層實(shí)施欠平衡鉆井作業(yè)所必配的地面系統(tǒng),也是在環(huán)境敏感地區(qū)進(jìn)行欠平衡鉆井或常規(guī)鉆井避免環(huán)境傷害的重要裝備。在對(duì)國外密閉系統(tǒng)配置方式和流程原理分析的基礎(chǔ)上,提出了“兩步分離”式密閉系統(tǒng)流程方案,即從井內(nèi)返出的含有硫化氫的鉆井液首先通過密閉分離裝置將油、氣以及大顆粒的巖屑清除,同時(shí)向密閉分離裝置中注入除硫劑,以確保硫化氫清除干凈;然后再將經(jīng)分離后不含硫化氫的鉆井液,排入常規(guī)固控系統(tǒng)以維護(hù)和調(diào)節(jié)鉆井液性能,再由鉆井泵泵入井內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。并制訂了井內(nèi)返出鉆井液中硫化氫含量突然升高時(shí)的處理措施;闡述了“兩步分離”式流程方案所需的四相分離器、鉆井液緩沖罐、真空除氣器、密閉式帶壓取樣裝置、密閉式巖屑存儲(chǔ)裝置等配套裝備的結(jié)構(gòu)原理和研究現(xiàn)狀,為國內(nèi)鉆井液密閉系統(tǒng)的研究和應(yīng)用提供了技術(shù)思路。

密閉系統(tǒng) 含硫化氫地層 欠平衡鉆井 井場(chǎng)污染 四相分離器 HSE

0 引言

在石油天然氣鉆井作業(yè)中,對(duì)攜帶巖屑及地層流體的鉆井液進(jìn)行安全高效地分離和循環(huán),是鉆井作業(yè)順利進(jìn)行的前提和保障。鉆井液循環(huán)分離系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鉆井液循環(huán)分離的地面裝置,按照循環(huán)分離過程是否處于密閉狀態(tài),它可分為開式系統(tǒng)和密閉式系統(tǒng)。開式鉆井液循環(huán)分離系統(tǒng),因具有配置靈活、成本低、容易操作等特點(diǎn),在國內(nèi)外得到了廣泛的使用,已成為陸上鉆機(jī)系統(tǒng)的主流配置。但隨著人們 HSE意識(shí)的不斷增強(qiáng),這種井內(nèi)產(chǎn)物直接暴露于大氣中的敞開式循環(huán)分離方式,將會(huì)在對(duì)環(huán)境要求較高的地區(qū)(如離城市或風(fēng)景區(qū)較近、人口較為集中的地區(qū))使用受到限制;此外,開式鉆井液循環(huán)分離系統(tǒng)還難以滿足在含硫地層實(shí)施欠平衡鉆井作業(yè)的需要。而密閉式鉆井液循環(huán)分離系統(tǒng)可使鉆井液在密閉條件下得到分離,分離的廢物及有害物質(zhì)得到妥善處理。這樣不僅提高了鉆井作業(yè)的HSE水平,而且還可使在含硫地層進(jìn)行欠平衡鉆井作業(yè)成為可能。目前,國外數(shù)家石油公司已將密閉式系統(tǒng)應(yīng)用于含硫地層的欠平衡鉆井作業(yè),并取得了預(yù)期的效果;而國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究應(yīng)用還是重視不夠。因此,探索和研究一套適合國內(nèi)地面裝備發(fā)展實(shí)際情況的密閉系統(tǒng)工藝流程,將具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。

1 國外技術(shù)狀況

密閉系統(tǒng)在加拿大、沙特阿拉伯、阿曼、印度尼西亞、美國等國家被廣泛使用。由于各個(gè)油氣田的地層狀況不同以及各石油公司的設(shè)計(jì)理念存在差異,所以密閉系統(tǒng)的配置方式也有較大區(qū)別。其中最具代表性的配置方式有兩種:一種是加拿大的一些石油公司(例如Veteran能源公司)使用的密閉系統(tǒng),另一種為威德福公司使用的密閉系統(tǒng)。這兩種密閉系統(tǒng)都能在一定程度上滿足在含硫地層實(shí)施欠平衡鉆井作業(yè)的需要,同時(shí)又具有各自的特點(diǎn)。Veteran能源公司的密閉系統(tǒng)配置[1]對(duì)井場(chǎng)環(huán)境幾乎沒有污染,但因沒有進(jìn)一步的固控設(shè)備,粒徑較小的巖屑又無法被四相分離器清除,這就影響了鉆井液的性能,從而使該系統(tǒng)的使用受到限制。隨著加拿大AIRDRILLING公司“BAMBI”密閉固相控制系統(tǒng)的成功研制[2],解決了微小固相顆粒的分離問題,但該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,性能也不穩(wěn)定,所以沒有得到大范圍的推廣和應(yīng)用。

Weatherford公司在Veteran能源公司的密閉系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了密閉式離心機(jī),這樣就使鉆井液中的固相得到很好的控制。該種密閉系統(tǒng)是利用除硫劑來對(duì)鉆井液中硫化氫的含量進(jìn)行控制。因此,使用的設(shè)備較多(包括許多監(jiān)測(cè)控制裝備),程序也相對(duì)復(fù)雜。

2 兩步分離式密閉系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

2.1 兩步分離方案

圖1 兩步分離方案框圖

國外現(xiàn)有的密閉系統(tǒng),盡管可以避免環(huán)境污染、保障鉆井安全,但沒有使用固控系統(tǒng)而使應(yīng)用范圍受限,或者使用了密閉式固控系統(tǒng)但因設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜而使研發(fā)周期增長,或者因分離工藝復(fù)雜而使設(shè)計(jì)和使用成本增大。因此,如果完全照搬國外的設(shè)計(jì)模式,將會(huì)增大密閉系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的難度。考慮到國外密閉系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn),兼顧系統(tǒng)的研制目的和可操作性,特將地面流體處理過程分為兩步完成。如圖1所示,即從井內(nèi)返出的含有硫化氫的鉆井液首先通過密閉分離裝置將油、氣(包括氣態(tài)硫化氫)以及大顆粒的巖屑清除,同時(shí)向密閉分離裝置中注入除硫劑,以確保硫化氫清除干凈;然后再將經(jīng)分離后不含硫化氫的鉆井液,排入常規(guī)固控系統(tǒng)以維護(hù)和調(diào)節(jié)鉆井液性能,經(jīng)過常規(guī)固控系統(tǒng)處理后符合鉆井要求的鉆井液,再由鉆井泵泵入井內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。

2.2 鉆井液處理流程

在兩步分離方案中,鉆井液在地面循環(huán)分離的具體流程如圖2所示。從環(huán)空返出含有油、氣相、固相的鉆井液經(jīng)節(jié)流管匯進(jìn)入四相分離器。四相分離器對(duì)鉆井液中的油、氣相、液相、固相進(jìn)行分離,分離出的固體泵入密閉式沉砂罐,氣體經(jīng)排氣管線引入安全的地方進(jìn)行燃燒處理,分離出的油排入密閉式儲(chǔ)油罐,剩余的鉆井液泵入鉆井液緩沖罐。泵入沉砂罐的固相中通常還含有鉆井液及少量氣體,經(jīng)在沉砂罐中靜止后,氣體會(huì)逸出,液相、固相也會(huì)分層,逸出的氣體經(jīng)排氣管道進(jìn)行燃燒處理;靜止在罐體上部的鉆井液也將定時(shí)排入鉆井液緩沖罐中;固相顆粒則留在沉砂罐,沉砂罐中的固相物質(zhì)如果超過設(shè)計(jì)限量后,關(guān)閉此罐(將罐運(yùn)至井場(chǎng)外或停鉆后進(jìn)行處理),改用備用罐。

圖2 兩步分離方案流程圖

儲(chǔ)油罐中的油也會(huì)含有少量氣體,這些氣體也將進(jìn)行燃燒處理。如果經(jīng)四相分離器處理后的鉆井液中仍存在微小氣泡,則緩沖罐的鉆井液需經(jīng)真空除氣器處理,真空除氣器將溶解在鉆井液中的微小氣泡進(jìn)行分離,分離出的氣體經(jīng)排氣管道進(jìn)行燃燒處理。與此同時(shí),將除硫劑注入四相分離器、沉砂罐、儲(chǔ)油罐以及鉆井液緩沖罐中,確保硫化氫清除完全。

經(jīng)過上述密閉分離裝置處理后的鉆井液已不含有地層產(chǎn)出的硫化氫,成為“干凈”的鉆井液,此時(shí)排入常規(guī)開式固控設(shè)備(如振動(dòng)篩)將不會(huì)對(duì)環(huán)境及人員造成任何不良影響。經(jīng)過常規(guī)開式固控系統(tǒng)處理后的鉆井液排入鉆井液罐,然后再泵入井眼進(jìn)行循環(huán),如果需要壓井,則將壓井液罐中的鉆井液泵入鉆井液罐中,然后再進(jìn)行壓井作業(yè)。

2.3 特殊情況的處理措施

當(dāng)井內(nèi)返出鉆井液中硫化氫的含量突然升高以至密閉裝置無法處理干凈時(shí),密閉裝置處理后的鉆井液不再排入常規(guī)固控設(shè)備,而直接由鉆井泵泵入井內(nèi)進(jìn)行循環(huán),從而使鉆井液在地面的整個(gè)回路均處于密閉狀態(tài)。同時(shí)在密閉裝置中增大除硫劑的注入量,以使鉆井液中的硫化氫清除完全。當(dāng)井內(nèi)返出鉆井液中硫化氫的含量穩(wěn)定,密閉裝置可以完全清除時(shí),再將鉆井液排入常規(guī)固控設(shè)備進(jìn)行循環(huán)。在整個(gè)操作過程中,需要借助硫化氫監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)來完成。

3 配套裝備

3.1 四相分離器

四相分離器在密閉系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用,是其核心裝備。密閉系統(tǒng)中的儲(chǔ)油罐、沉砂罐、鉆井液緩沖罐等后續(xù)設(shè)備都是為該裝備服務(wù),該裝備的分離效率穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整個(gè)密閉系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。美國、加拿大、英國等國家的一些石油公司相繼研制出了鉆井液四相分離裝置,并進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)使用。目前川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院對(duì)四相分離器進(jìn)行了研制(圖3),并取得了重要進(jìn)展[3-7]。

圖3 四相分離器圖

3.2 鉆井液緩沖罐及真空除氣器

在鉆井作業(yè)過程中,地層中的氣體往往會(huì)侵入到鉆井液中,形成大量的大小不等的氣泡。在密閉系統(tǒng)中,四相分離器只能清除體積較大的氣泡,對(duì)于溶解在鉆井液中的微小氣泡卻難以清除,而這些微小氣泡會(huì)造成鉆井液密度降低、黏度升高、流動(dòng)性變差,從而影響了鉆井液的性能。為了維護(hù)鉆井液的性能,在密閉系統(tǒng)中配置密閉式鉆井液緩沖罐及真空除氣器(圖4)。鉆井液緩沖罐主要作用是使鉆井液流速平穩(wěn)滿足真空除氣器的工作要求。真空除氣器的作用是清除四相分離器無法分離的微小氣泡。川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院研制成功的ZCQ2/3真空式除氣器已在塔里木迪那區(qū)塊和川渝地區(qū)鉆井中得到成功的使用[4]。該除氣器用于密閉系統(tǒng)時(shí),需對(duì)密封等機(jī)構(gòu)進(jìn)行防硫改造以滿足密閉系統(tǒng)的要求。

圖4 真空除氣器圖

3.3 密閉式帶壓取樣裝置

四相分離器分離出的固相顆粒沉淀在罐體內(nèi)部,很難進(jìn)行即時(shí)地質(zhì)取樣。因此,在四相分離器之前需配置密閉式帶壓取樣裝置。為實(shí)現(xiàn)巖屑的連續(xù)取樣,取樣裝置包括兩個(gè)取樣筒,這兩個(gè)筒可以進(jìn)行交替取樣。

3.4 密閉式巖屑存儲(chǔ)裝置

密閉式巖屑存儲(chǔ)裝置是存儲(chǔ)四相分離器分離出巖屑的裝置。從四相分離器泵出的巖屑中還含有鉆井液,靜止后巖屑和鉆井液會(huì)出現(xiàn)分層,巖屑會(huì)沉降在沉砂罐的底部,鉆井液會(huì)溢流至隔離倉內(nèi),再將隔離倉內(nèi)的鉆井液排入鉆井液緩沖罐中進(jìn)行后續(xù)處理。沉砂罐的巖屑中還可能含有少量在四相分離器中未完全分離的氣體,在密閉式巖屑存儲(chǔ)裝置中這些氣體會(huì)逸出,逸出的氣體接入點(diǎn)火管線進(jìn)行燃燒處理。

密閉系統(tǒng)中應(yīng)配置兩個(gè)密閉式巖屑存儲(chǔ)裝置,在正常工作時(shí)只用其中的一個(gè)。當(dāng)沉砂量已達(dá)密閉式巖屑存儲(chǔ)裝置的設(shè)計(jì)要求時(shí),則需停用此裝置,改用另一個(gè)密閉式巖屑存儲(chǔ)裝置。停用的密閉式巖屑存儲(chǔ)裝置運(yùn)至井場(chǎng)外或停鉆后進(jìn)行處理。此外,密閉系統(tǒng)配套裝備還包括密閉式儲(chǔ)油罐、硫化氫中和劑儲(chǔ)存及注入裝置,節(jié)流管匯、點(diǎn)火裝節(jié)流管匯等裝備(圖5、6)。

圖5 密閉式帶壓取樣裝置圖

圖6 密閉式巖屑存儲(chǔ)裝置圖

4 結(jié)束語

密閉系統(tǒng)的研究對(duì)于拓展欠平衡鉆井工藝的應(yīng)用范圍、提高鉆井作業(yè)的 HSE水平具有重要意義;同時(shí)密閉系統(tǒng)的研究也是一個(gè)長期復(fù)雜的過程,它所涉及的專業(yè)較多,其工藝與裝備也較為復(fù)雜。除本文涉及的流程方案以及配套裝備外,還需開展密閉系統(tǒng)參數(shù)的確定、井口裝備及井下鉆具的配套、地層產(chǎn)物的監(jiān)測(cè)與計(jì)量、系統(tǒng)與鉆機(jī)的匹配、作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)等諸方面的研究。因此,研制一套可行的、適合于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的密閉系統(tǒng)需要相關(guān)單位與人員長期努力與通力合作。

[1]中國石油勘探與生產(chǎn)分公司工程技術(shù)與監(jiān)督處.鉆井監(jiān)督[M].北京:石油工業(yè)出版社,2003.

[2]任翔,曾禮賓,劉小瑋.鉆井用四相分離器應(yīng)用范圍的初步探討[J].鉆采工藝,2006,28(6):92-94.

[3]劉小瑋,曾禮賓,鄭沖濤.ZCQ2/3真空除氣器的研究與應(yīng)用[J].鉆采工藝,2006,28(2):91-93.

[4]劉程,李銳,張光華,等.新型無固相鉆井液體系研究新進(jìn)展[J].天然氣工業(yè),2009,29(11):64-66.

[5]朱維兵,徐昌學(xué),王進(jìn)榮,等.鉆井液振動(dòng)篩性能參數(shù)的虛擬測(cè)試系統(tǒng)[J].天然氣工業(yè),2007,27(10):82-84.

[6]陳森,梁大川,李磊.深井超深井安全鉆井液密度窗口研究進(jìn)展[J].天然氣工業(yè),2008,28(1):85-87.

[7]張洪生,宋振清,石曉兵.準(zhǔn)噶爾盆地八區(qū)調(diào)整井高效安全鉆井技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2005,25(7):56-58.

(修改回稿日期 2010-03-17 編輯 鐘水清)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.020

Zhang Baogui,engineer,was born in1981.He holds an M.Sc.degree.He graduated in mechanical and electrical engineering from China Petroleum University(Beijing)in2006.He has been engaged in design and development of underbalanced equipment.

Add:South Sec.2,Zhongshan Avenue,Guanghan,Sichuan618300,P.R.China

Tel:+86-83-85151344 Mobile:+86-13689641172 E-mail:zhgbaogui@yahoo.com.cn

A flow scheme and equipment matching technology of a drilling fluid closed-loop system

Zhang Baogui1,Han Liexiang1,Xian Weiwei1,Shen Xiangdong2,Zhen Xiaoxiao3,Shi Qing4,Zhang Hongyin5,Liu Shijie4
(1.Drilling and Production Technology Research Institute,Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td., CN PC,Guanghan,Sichuan618300,China;2.N ortheast Sichuan Gas Field,PetroChina Southwest Oil& Gasf ield Company,Dazhou,Sichuan635000,China;3.Southwest China B ranch,China Petroleum Group Engineering Design,CN PC,Chengdu,Sichuan610051,China;4.Chuanqing Drilling Engineering Co., L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan610051,China;5.Cementing Company,Great Wall Drilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Beijing100029,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE6,pp.73-76,6/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

The drilling fluid closed-loop system is a necessary ground system for underbalanced drilling in the formations containing sulfur,and also an important equipment for underbalanced or conventional drilling under environmentally sensitive area to protect the formations from damage.Based on analysis of planning modes and flow principles of foreign closed-loop systems,a scheme of"twostep separation"closed-loop system is put forward.First,the drilling fluid containing H2S reversing out from the well is screened by a closed separation device,and the oil,gas and large-particle rock crumb are cleared away;meanwhile,the desulfurizer is injected into the closed separation device in order to totally get rid of H2S.Then,the drilling fluid without H2S after the first separation is led into a conventional solid control system to maintain and adjust its performance,and finally,the fluid is pumped to the well for circulating by the drilling pump.In addition,emergency treatment measures are planned to be taken in such a case when the H2S content in drilling fluid reversing out from the well increases abruptly;the structure principles and research status of four-phase separators, drilling fluid buffer tanks,vacuum degasifiers,closed sampling units with pressure,closed storage devices for rock crumb and other equipments required in the"two-step separation"closed-loop system are introduced in detail,providing a guideline for further study and application of drilling fluid closed-loop system in China.

closed-loop system,sulfur-containing formation,underbalanced drilling,pollution at well site,four-phase separator, HSE

book=73,ebook=245

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.020

國家科技重大專項(xiàng)(編號(hào):2004BA803B02-05)。

張保貴,1981年生,工程師,碩士;2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)機(jī)電學(xué)院;從事欠平衡裝備的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。地址:(618300)四川省廣漢市中山大道南二段鉆采工藝技術(shù)研究院機(jī)械中心。電話:(0838)85151344,13689641172。E-mail:zhgbaogui@yahoo.com.cn