張玉山，趙維青，嚴(yán) 德

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)公司，廣東 深圳 518067)

重力式氣液分離器處理能力分析

張玉山，趙維青，嚴(yán) 德

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)公司，廣東 深圳 518067)

通過對(duì)重力式氣液分離器的結(jié)構(gòu)和工作原理的研究，確定影響其處理能力的關(guān)鍵因素主要為排氣管尺寸和高度、液墊高度、鉆井液的類型以及鉆井液性能。結(jié)合油藏油氣性質(zhì)，計(jì)算出分離器的最大可處理量。采用井控模擬軟件計(jì)算鉆井液出井的放噴速度，綜合評(píng)價(jià)氣液分離器的工作能力。在鉆井設(shè)計(jì)階段，結(jié)合油藏及鉆井工況，對(duì)氣液分離器能力進(jìn)行評(píng)估，為實(shí)際作業(yè)中進(jìn)行井控處理提供理論依據(jù)，同時(shí)為鉆機(jī)檢驗(yàn)時(shí)氣液分離器的評(píng)估提供技術(shù)指導(dǎo)。

重力式氣液分離器；能力評(píng)估；節(jié)流閥；排氣管線

油氣井控處理關(guān)鍵設(shè)備中氣液分離器是保證井內(nèi)氣體安全排出的重要組成部分，很多井控事故是由于鉆井液的出井流量超過了分離器的處理能力，導(dǎo)致分離器超負(fù)荷工作后失效，引起災(zāi)難性事故。雖然氣液分離器的處理能力在其參數(shù)中有標(biāo)示，但對(duì)不同井的油氣類型以及鉆井液的性能，分離器相對(duì)應(yīng)的處理能力也不盡相同。因此，在實(shí)施待鉆井前需要根據(jù)本井的具體情況對(duì)分離器進(jìn)行校核，以保證在出現(xiàn)井控事件后完全將油氣安全處理。液氣分離器種類較多[1-2]，本文以重力式底部封閉的氣液分離器為例，對(duì)其工作原理和處理能力進(jìn)行分析，為油氣井井控安全作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 重力式氣液分離器工作原理

按照結(jié)構(gòu)不同，氣液分離器分為3種：底部封閉式、底部開放式和浮漂式[3]。氣液分離器的工作原理較為簡(jiǎn)單，井內(nèi)循環(huán)出來的鉆井液以及油氣成分通過節(jié)流閥后進(jìn)入分離器，重力使鉆井液下落，較為輕質(zhì)的氣體上浮，通過頂部排氣管線而排出。另外，分離器內(nèi)部安裝有擋板，鉆井液下落的過程中通過擋板的攪動(dòng)，鉆井液內(nèi)部游離的氣體脫出，因此增大了排氣的效果[4]。捕捉網(wǎng)是將夾雜在氣體中間的顆粒較小的液體聚集起來，達(dá)到一定量級(jí)后在重力的作用下下落，達(dá)到分離的效果。

分離器的工作壓力來自于氣體通過排氣管線排放時(shí)產(chǎn)生的摩阻或者是回壓，液封高度提供了靜液柱壓力，保證了分離器鉆井液液面高度，防止液面過低后氣體通過鉆井液返出管線進(jìn)入平臺(tái)內(nèi)部。

2 影響氣液分離器處理能力因素

不同廠家的分離器在結(jié)構(gòu)方面有差異。另外，各區(qū)域使用的鉆井液以及油藏流體性質(zhì)也不盡相同。氣液分離器的處理能力受到自身結(jié)構(gòu)和待處理流體性質(zhì)的影響[5]。

2.1 分離器結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 排氣管線尺寸

氣體在排氣管線內(nèi)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩阻決定了分離器的工作壓力，除了氣體的組成成分外，管線的內(nèi)徑和長(zhǎng)度決定了摩阻的大小[6]，摩阻計(jì)算如式(1)。

pf=0.4fLQ2/d6

(1)

式中：pf為摩阻壓力，kPa；f為氣體與管體摩擦因數(shù)；L為管線長(zhǎng)度，m；Q為氣體量，L/min；d為管體直徑，mm。

回壓的大小與管內(nèi)摩擦因數(shù)、管線長(zhǎng)度以及氣體流量成正比，與管線內(nèi)徑成反比。排氣管線一般沿著井架到達(dá)井架頂部，不同鉆機(jī)的井架高度不同。為滿足不同工況下作業(yè)要求，此處氣體排出速度為氣體最大排出速度，一般是在循環(huán)壓井第1周時(shí)氣體返至井口，經(jīng)過節(jié)流閥后，隨鉆井液進(jìn)入氣液分離器中。

2.1.2 液封高度

液封的高度是影響靜液柱壓力的重要因素，在鉆井液密度一定的情況下，液封高度不足時(shí)，無法與氣體排出時(shí)產(chǎn)生的回壓相平衡，最后導(dǎo)致液封全部頂替出分離器[7]，氣體通過鉆井液返出口進(jìn)入平臺(tái)內(nèi)部。封液柱壓力可用式(2)計(jì)算。

pm=ρmghml

(2)

式中：pm為液封液柱壓力，kPa；ρm為鉆井液密度，g/cm3；hml為液柱高度，m。

2.2 待處理液體性質(zhì)的影響

鉆井平臺(tái)配置的氣液分離器正常情況下工程參數(shù)是固定的，但平臺(tái)在不同井作業(yè)使用的鉆井液不同，包括鉆井液類型和性能，兩者對(duì)分離器工作有影響[8]。

2.2.1 鉆井液類型

通常情況下，鉆井液可分為水基鉆井液和油基鉆井液，兩者在處理氣體井控時(shí)有較大差別，氣體有溶解在油基鉆井液中的特點(diǎn)，氣體到達(dá)其泡點(diǎn)后，大部分氣體脫離出來，但少量氣體仍以溶解的狀體存在于鉆井液中[9]，分離器內(nèi)部分離板的攪動(dòng)也無法將溶解進(jìn)鉆井液的氣體排出，所以油基鉆井液不利于氣體分離。

2.2.2 鉆井液性能

鉆井液密度主要影響液封的液柱壓力。井底返出鉆井液受到地層流體的侵蝕，密度發(fā)生變化，即使通過油氣分離的作用，不同的鉆井液類型和溢流流體類型也會(huì)導(dǎo)致分離的效果有差異，進(jìn)入返出管線的鉆井液密相對(duì)于泵入壓井液偏低；導(dǎo)致液柱壓力也相應(yīng)降低。鉆井液在返出管線流動(dòng)過程中也會(huì)產(chǎn)生摩阻，包括鉆井液黏度和管線尺寸，但流動(dòng)距離和流動(dòng)速度較小，摩阻較小。

3 氣液分離器處理能力分析

3.1 最大液體處理量

當(dāng)井筒返出液體達(dá)到一定數(shù)量后，分離器無法及時(shí)處理，導(dǎo)致溢流氣體攜帶部分鉆井液或者全部鉆井液從氣體返出口溢出，使得分離器失效。液氣分離器最大液處理量與分離器本體直徑、鉆井液與氣體密度差和氣泡顆粒尺寸成正比，與鉆井液黏度成反比。其中，氣泡顆粒尺寸小于18 mm時(shí)分離器無法將其分離[10]。最大液體處理量計(jì)算如式(3)。

(3)

式中：Q1為最大液體處理量，m3/s；dg氣體直徑，m；Ds分離器直徑，m；ρm鉆井液密度。kg/m3；ρg氣體密度，kg/m3；μm鉆井液黏度，MPa·s。

通常，鉆井平臺(tái)配置的液氣分離器尺寸在762～1 000 mm。目前較為先進(jìn)平臺(tái)配置了尺寸為1 200 mm液氣分離器，其處理量更大，如圖1。溢流氣體的密度一定程度上會(huì)影響分離器處理能力，但從計(jì)算結(jié)果來看，其影響較小，如圖2。

圖1 鉆井液密度與最大液體處理量關(guān)系

圖2 天然氣密度與最大液體處理量關(guān)系

3.2 最大氣體處理量

最大氣體處理量與分離器本體尺寸以及氣液密度差成正比，與氣體密度成反比，影響分離器氣體處理量的計(jì)算有2個(gè)方面考慮：

1) 氣體量較大時(shí)，液體被氣體攜帶從排氣管線排出。通過式(4)計(jì)算得到結(jié)果，如圖3。

最大氣體處理量為[9]。

(4)

式中：Qg為最大氣體處理量，m3/s；dm液滴直徑，m。

圖3 鉆井液密度與最大氣體處理量關(guān)系Ⅰ

2) 氣體從排氣管線排出時(shí)，管線摩阻帶來的回壓大于液封的液柱壓力，氣體從鉆井液返出管線排出。

氣體在排放管線中產(chǎn)生的回壓與液封高度形成的液柱壓力達(dá)到平衡，由式(1)和(2)可得：

(5)

最大氣體處理量與排氣管線直徑、鉆井液密度以及液封高度成正比，與排氣管線長(zhǎng)度以及摩擦因數(shù)成反比，通過式(5)計(jì)算得到結(jié)果，如圖4。

圖4 鉆井液密度與最大氣體處理量關(guān)系Ⅱ

在1)和2)工況下計(jì)算得出不同的處理能力，實(shí)際取兩者之間的小值。

4 案例分析

4.1 井基本信息

待鉆井位于南中國海區(qū)域，基本數(shù)據(jù)如下：水深 1 400 m，井深 5 000 m，鉆井液密度(水基) 1 186 kg/m3，鉆井液屈服值 10 Pa，鉆頭尺寸 311.15 mm，BHA尺寸 209.55 mm(長(zhǎng)度250 m)，鉆桿尺寸 139.7 mm，上層套管尺寸 339.725 mm，阻流管線尺寸 76.2 mm，地層壓力 43.9 MPa，地層孔隙度 14%，地層滲透率 2 md，油藏以甲烷為主的濕氣，氣體密度0.90 kg/cm3；地面溫度 30 ℃，海底溫度 4 ℃，地溫梯度 4 ℃/100 m。

本文采用井控模擬軟件drillbench，模擬壓井過程中井口氣體返出峰值。

4.2 氣液分離器

氣液分離器參數(shù)如表1。

表1 氣液分離器參數(shù)

注：分離器的額定工作能力是基于液封鉆井液密度為1 500 kg/m3，待處理氣體密度為0.978 kg/m3。

4.3 放噴速度

根據(jù)油藏物性以及壓井參數(shù)，通過軟件計(jì)算，按照司鉆法以700 L/min的泵速進(jìn)行壓井，氣體返出流量為9×104m3/d，如圖5。

圖5 氣體返出流量

4.4 能力評(píng)估

針對(duì)本井氣體性質(zhì)以及壓井液性能，結(jié)合平臺(tái)配置液氣分離能力，校核結(jié)果如圖6。

在氣體組分不變的情況下，不同的地層壓力所需要的壓井液密度影響分離器處理能力。本井地層當(dāng)量鉆井液密度1 186 kg/m3，附加井涌強(qiáng)度60 kg/m3，井噴時(shí)井底當(dāng)量鉆井液密度為1 246 kg/m3。根據(jù)圖版查到分離器處理能力為37×104m3/d。

圖6 壓井液密度與分離器處理量關(guān)系

5 結(jié)論

1) 分離器是處理井控的重要設(shè)備之一，核實(shí)各部分尺寸，了解其處理能力，可以保證在處理井控時(shí)的安全。

2) 分離器處理能力與其本體直徑、排氣管線長(zhǎng)度和內(nèi)徑、液封的高度等有關(guān)系。

3) 鉆井平臺(tái)固定液氣分離器最大氣體處理量取決于液封中鉆井液的密度，而且在循環(huán)壓井過程中液封中鉆井液的密度是變化的，因此其最大處理能力也在變化。

4) 鉆井設(shè)計(jì)階段，根據(jù)待鉆井油藏組分與物性以及鉆井設(shè)計(jì)中鉆井液的密度，對(duì)選用的鉆井平臺(tái)分離器重新校核，以滿足本井井控的處理要求。

5) 為便于現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整分離器處理氣體能力，可在液封的高度方面考慮設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)式，以便需求時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

[1] SY/T 0515—2014，油氣分離器規(guī)范[S].

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Case Study and Analysis of Mud Gas Separator

ZHANG Yushan，ZHAO Weiqing，YAN De

(EngineeringTechnologyCompany，CNOOCEnergyTechnology&ServicesLimited，Shenzhen518067，China)

To define the influence features of gas separator，researches of separator’s structure and mechanism has to be done，combining properties of reservoir and taking flow rate of well control software which is calculated specifically，it is possible to evaluate main capability of gas separator.As the research of gas-liquid separation，some features such as gas pipe size and height，liquid column height，drilling mud type，mud properties are critical to the capability.During the well design，taking consideration of reservoir and drilling operation，evaluating the capability of separator just to direct well control and rig maintaining as well.

oil gas separator；capability assessment；choke valve；venting lines

1001-3482(2017)01-0025-04

2016-07-19 基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)“深水鉆完井及其救援井應(yīng)用技術(shù)研究”(2011ZX05026-001-04 )

張玉山(1982-)，男，工程師，2007年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)石油工程專業(yè)，主要從事深水現(xiàn)場(chǎng)鉆井監(jiān)督和深水鉆井工藝技術(shù)的研究工作，E-mail：zhangysh3@cnooc.com.cn。

TE931.101

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.006