田玉棟（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院）

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氣體鉆井節(jié)能減排裝置的研制及應用

田玉棟（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院）

摘要：針對氣體鉆井常用降塵裝置為單筒式降塵短節(jié)起不到很好的降塵和節(jié)能減排的效果，研發(fā)了氣體鉆井節(jié)能減排裝置，即在氣體鉆井排砂管線上安裝內(nèi)外雙筒式降塵短節(jié)進行降塵。其節(jié)能減排降塵原理是：通過注水泵向降塵短節(jié)外筒內(nèi)注水，水流進入內(nèi)外筒腔體，被內(nèi)筒管壁上若干出水口分割成具有一定速度的小水流，與含屑氣體進行充分接觸，起到良好的降塵效果。研究分析表明，該工具具有水流速度快、與巖屑接觸面積大、降塵效果好等特點，能夠滿足氣體鉆井節(jié)能減排和綠化施工要求。通過現(xiàn)場應用7口井，表明該裝置具有強制除塵和快速拆裝等技術優(yōu)勢，除塵效果可達95%，節(jié)約用水700 m3，有效地解決了氣體鉆井對空氣、土地和環(huán)境造成污染的難題，達到了節(jié)能減排的效果。

關鍵詞：氣體鉆井；節(jié)能減排；新型降塵短節(jié)

目前，氣體鉆井常用降塵裝置為單筒式降塵短節(jié)，缺點是水流速度慢，水流與含屑氣體接觸時間短、接觸面積小，起不到很好的降塵和節(jié)能減排效果，需要搭建防塵棚，給氣體鉆井增加了額外的投入及工作量。鑒于此，研發(fā)了內(nèi)外雙筒式降塵短節(jié)，依靠此裝置可以達到良好降塵的目的，并省去不必要的投入及額外工作量，達到了節(jié)能減排的效果。

1　防塵機理分析及其結(jié)構(gòu)改進

通過對氣體鉆井降塵機理分析屬于管道內(nèi)降塵。管道內(nèi)降塵屬于有限空間降塵，不用考慮粉塵的形態(tài)、運動軌跡、飛揚程度等，只要在粉塵離開該有限空間之前使其降落即可[1-3]。氣體鉆井降塵要通過潤濕機理來迫使粉塵降落，即在排砂管內(nèi)粉塵必須與水充分接觸打濕。

氣體鉆井原有的降塵裝置為現(xiàn)場焊接型，即在排砂管線上選擇1個部位采用電氣焊切割1個直徑約50.8 mm的孔洞（圖1），然后焊接1個球閥，通過潛水泵和管線使水經(jīng)球閥進入排砂管線內(nèi)；當管線內(nèi)有粉塵經(jīng)過的時候就會與水接觸，起到降塵效果。但是，原有的降塵裝置結(jié)構(gòu)過于簡單，在排砂管線內(nèi)降塵面過短，粉塵不能與水充分接觸，所以，在出口排放時仍會有粉塵飄散到空氣中，對鉆井現(xiàn)場造成粉塵污染。因此，需要對降塵短節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，設計一種具有水流速度快、與巖屑接觸面積大等優(yōu)點的新型氣體鉆井節(jié)能減排降塵短節(jié)。新設計的短節(jié)由內(nèi)外筒組成，內(nèi)筒上設有若干排水小孔，外筒上有2個注水口，外筒2側(cè)與內(nèi)筒之間采用焊接密封，內(nèi)筒2側(cè)設有法蘭，直接與排砂管相連。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　中原現(xiàn)場降塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　新型節(jié)能降塵短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

2　降塵短節(jié)參數(shù)設計

氣體鉆井降塵的關鍵是讓粉塵與水充分接觸，因此，新型節(jié)能減排降塵短節(jié)設計重點是內(nèi)筒小孔射出水的速度、小孔的大小、內(nèi)筒上小孔的個數(shù)及排布等技術參數(shù)。

2.1內(nèi)筒小孔射水速度

在氣體鉆井中，從降塵短節(jié)小孔射出水的速度應該滿足，氣體把水滴帶出排砂管之前水滴必須垂直運動排砂管直徑的距離（圖3），即

圖3　水射流運動分析

其中

式中：v1為含屑氣體在排砂管線內(nèi)流速，m/s；v2為水流在內(nèi)筒出水口處流速，m/s；t為水流從內(nèi)筒出水口運動到相對1側(cè)所需時間，s；L為出水口到排砂管線末端距離，m；D為排砂管線內(nèi)徑，mm；Q為排砂管線內(nèi)氣量，m3/min。

根據(jù)氣體鉆井實際情況代入數(shù)據(jù)得v2≥1.65 m/ s，為了使小孔射出的水流沖擊內(nèi)筒壁后進行2次降塵，取v2=4 m/s。

2.2內(nèi)筒水孔直徑

內(nèi)筒水孔直徑根據(jù)經(jīng)驗公式（3）進行確定：

式中：d0為霧滴直徑，μm；K為比例系數(shù)，取3453；P為水壓，kg/cm2；D為小孔直徑，mm。

2.2.1霧滴直徑d0

根據(jù)降塵機理得出粉塵直徑和霧粒直徑之間最佳的對應關系[2-4]，即

其中

式中：d1為現(xiàn)場占比例最大的粉塵直徑，mm；ρ為粉塵密度，kg/m3；v為排砂管線內(nèi)氣流速度，m/s；η為空氣黏度系數(shù)；μ為水的黏度系數(shù)；ρg為氣體密度，kg/m3；ρs為巖屑密度，kg/m3；Rp為機械鉆速，m/h；A為井筒橫截面積，m2；A1為排砂管線橫截面積，m2；Q為注氣量，m3/min。

根據(jù)氣體鉆井現(xiàn)場實際情況，代入數(shù)據(jù)得d0= 170 μm。

2.2.2水壓P

潛水泵的水壓主要來自于整個流動過程中的水頭損失，假設排砂管內(nèi)壓力為0.2 MPa，則需要的水頭損失H為20 m；沿程損失為h1，入口變徑損失為h2，噴水小孔變徑損失為h3，泵距降塵短節(jié)的垂直高度h4為5 m，得

根據(jù)氣體鉆井實際情況，代入數(shù)據(jù)得P =0.27 MPa。

把計算出的d0、P和K值代入公式（3）中，得D =4 mm。

2.3布孔方式及小孔個數(shù)

為了減少水流在降塵短節(jié)中的能量損失，確保每一個小孔都有足夠的射流能量，小孔的當量截面積應該小于注水口的截面積，即

式中：A2為注水口截面積，m2；n為小孔個數(shù)。

根據(jù)實際情況，代入數(shù)據(jù)得n≤90，取n =81。

在內(nèi)筒上每隔10 cm在圓周上開4個小孔，前1個圓周上的孔和下1個圓周上的孔相位相差10°，這樣布孔的好處是：內(nèi)筒壁上的81個小孔都是錯位排布，水流沒有重疊的，確保了每個相位都有水流射出，能提高降塵效率。

2.4潛水泵的選取

根據(jù)小孔個數(shù)和射流速度計算潛水泵的流量Q1，即Q1= 81vπD2/4 =14.6 m3/h。

根據(jù)整個降塵過程中水頭損失來確定潛水泵所需的工作揚程H0。從上述計算水壓的過程可以得出，整個降塵過程中所需的水頭損失為27 m；所以，降塵所需潛水泵必須滿足揚程在27 m時泵的流量要達到14.6 m3/h。

3　現(xiàn)場應用

2011—2014年，大慶油田肇深17、古深3、徐深904等7口氣體鉆井中均應用了該節(jié)能減排裝置[5]，平均每口井使用時間12 d，每口井節(jié)約用水100 m3，共節(jié)約用水700 m3。通過現(xiàn)場應用表明：該裝置是一種新型的具有強制除塵和快速拆裝的氣體鉆井用除塵裝置，能對排砂管內(nèi)粉塵進行有效降塵，出口返出基本無粉塵顆粒（圖4），除塵效果可達95%，有效地解決了由于氣體鉆井排量大導致灰塵飛揚、對土地和環(huán)境造成污染的問題，達到了節(jié)能減排的目的。

圖4　氣體鉆井節(jié)能減排降塵裝置現(xiàn)場應用效果

4　結(jié)論

1）設計的內(nèi)外筒組合式降塵短節(jié)原理可行，具有水流速度快、與巖屑接觸面積大、降塵效果好等特點，能夠滿足氣體鉆井節(jié)能減排和環(huán)保施工要求。

2）通過使用降塵短節(jié)，可以省去搭建防塵棚費用及額外勞動量，減少鉆井成本投入及提高鉆井效率。

3）通過現(xiàn)場應用表明：新型降塵短節(jié)具有強制除塵和快速拆裝等技術優(yōu)勢，節(jié)約用水700 m3，除塵效果可達95%，有效地解決了氣體鉆井對空氣、土地和環(huán)境造成污染的難題，達到了節(jié)能減排效果。

參考文獻：

[1]李高峰，馬勝利，劉亞力.高效噴霧降塵的理論研究[J].礦山機械，2009，37（19）：26-29.

[2]吳瓊，題正義.綜采工作面噴霧降塵技術研究[J].礦山工程，2007（15）：47-48.

[3]李新，王磊，馮秀麗.一種新型連續(xù)降塵裝置的研究與應用[J].科技信息，2008（23）：721.

[4]紀傳東，李文才.氣化噴霧降塵器的應用[J].能源技術與管理，2008（23）：92，116.

[5]楊決算.大慶油田氣體鉆井配套技術及應用[J].石油鉆探技術，2012，40（6）：47-50.

（編輯李發(fā)榮）

收稿日期2015-12-18

作者簡介：田玉棟，工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學（北京）（石油工程專業(yè)），從事氣體鉆井、欠平衡鉆井、控壓鉆井技術研究工作，E-mail：tianyudong@cnpc.com.cn，地址：黑龍江省大慶市紅崗區(qū)八百坰鉆井研究院欠平衡所，163413。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.008