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        深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器研制與應(yīng)用

        2020-08-01 10:29:24李建亭宰艷玲
        石油礦場機(jī)械 2020年4期

        李建亭,宰艷玲,聶 軍

        (1.中石化中原工程公司 工程服務(wù)管理中心,河南 濮陽 457001;2.中原石油工程技術(shù)有限公司 鉆井工程技術(shù)研究院,河南 濮陽 457001)①

        隨著油氣勘探開發(fā)區(qū)域不斷拓寬,逐漸由淺層向深層、由簡單地層向復(fù)雜地層發(fā)展,深井、超深井將是今后勘探開發(fā)的重點(diǎn)。隨著井深的增加,地層壓力越來越大,所用鉆井液的密度隨之升高,同時伴隨著黏度和切力的增大,鉆井液的流動性能變差,使侵入鉆井液中的氣泡更加難以去除,導(dǎo)致除氣器的除氣效率明顯降低[1-2]。另外,現(xiàn)有真空除氣器普遍采用真空抽吸的方式進(jìn)液,即依靠真空的吸力,將鉆井液吸入除氣器內(nèi)進(jìn)行處理[3-5]。當(dāng)鉆井液密度增高時,吸入的難度增大,造成除氣器的處理量大幅下降。因此,針對高密度鉆井液的特點(diǎn),研制的深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器,設(shè)計了軸流式輔助進(jìn)液裝置和射流式排液裝置,具有較大的抽吸能力,大幅提高了除氣器的真空度,進(jìn)而提升了處理量和除氣效率。

        1 結(jié)構(gòu)組成

        深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器由真空罐、底座、真空泵、輔助進(jìn)液裝置、控制箱及排液裝置等組成,工作原理如圖1所示。真空罐為除氣器的核心部件,罐內(nèi)中心安裝有立管,立管的四周加工有多個排液孔,立管外側(cè)安裝有7層導(dǎo)流板。導(dǎo)流板的表面積較大,是氣液分離的場所;真空泵可為真空罐提供一定的真空度,使氣侵鉆井液進(jìn)入真空罐,同時將氣體抽出真空罐;輔助進(jìn)液裝置用于高密度鉆井液時,為進(jìn)入真空罐的鉆井液提供輔助動力,提高除氣器的處理量;排液裝置用于真空罐內(nèi)除氣后的鉆井液的排出,要求排液裝置具有較強(qiáng)的抽吸能力和較大的排量。除氣器采用撬裝式底座結(jié)構(gòu),所有設(shè)備全部安裝在底座上,便于安裝和運(yùn)輸。

        1—排氣管; 2—真空泵; 3—真空罐; 4—導(dǎo)流板;5—補(bǔ)氣閥;6—排液裝置;7—排液管 ; 8—輔助進(jìn)液裝置;9—進(jìn)液管。

        2 工作原理

        真空泵及排液裝置的抽吸作用使真空罐內(nèi)形成負(fù)壓,同時,鉆井液在大氣壓的作用下,通過進(jìn)液管、輔助進(jìn)液裝置,進(jìn)入真空罐中心的立管,再由立管四周的開孔,分別流到7層導(dǎo)流板上,由于導(dǎo)流板面積很大,將鉆井液攤薄,促使鉆井液中的氣泡逸出。同時,每個導(dǎo)流板的表面成波浪形,使鉆井液在流動過程中形成紊流,加速氣泡逸出。逸出的氣體通過真空泵的抽吸被排往安全地帶,除氣后的鉆井液則由于自重進(jìn)入真空罐底部,經(jīng)由排液裝置排出罐外。當(dāng)鉆井液密度較大時,可啟動輔助進(jìn)液裝置,提高除氣器的處理能力。

        3 主要技術(shù)參數(shù)

        處理量 380 m3/h

        真空度 57 kPa

        除氣效率 93.5%

        真空泵功率 2.2 kW

        輔助進(jìn)液裝置功率 4 kW

        射流泵功率 45 kW

        4 關(guān)鍵技術(shù)

        1) 大排量輔助進(jìn)液裝置。

        在深井鉆井時鉆井液密度較高,單靠真空的抽吸作用,已很難提高除氣器的處理能力。 因此,需設(shè)計輔助進(jìn)液裝置,提高處理量[6-7]。在流體機(jī)械中,能作為除氣器進(jìn)液裝置使用的主要有離心式、容積式、軸流式3種結(jié)構(gòu)型式。作為真空除氣器的進(jìn)液裝置,應(yīng)首先具有較高的排量,其排量應(yīng)不低于除氣器自身的處理量,同時,進(jìn)液裝置的揚(yáng)程不宜太高,以避免在真空罐內(nèi)形成鉆井液飛濺,影響除氣效果。軸流泵具有大排量、低揚(yáng)程的特點(diǎn),體積和功耗都相對較小。因此,采用軸流式結(jié)構(gòu)為輔助進(jìn)液裝置的方案[8-11]。輔助進(jìn)液裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        輔助進(jìn)液裝置由進(jìn)液管、葉輪、泵軸、機(jī)械密封、軸承、軸承座和電機(jī)等組成,為了減少空間占用,將電機(jī)與泵軸直連,泵軸通過三個軸承固定在軸承座上,在軸承座的外端面安裝機(jī)械密封,并在泵軸的末端安裝葉輪,使用螺母將葉輪鎖緊。

        工作時,由于除氣器真空罐內(nèi)產(chǎn)生了真空,將鉆井液吸入進(jìn)液管,鉆井液經(jīng)葉輪和立管進(jìn)入真空罐。當(dāng)鉆井液密度較高時,啟動輔助進(jìn)液裝置電機(jī),帶動泵軸及葉輪高速旋轉(zhuǎn),可將更多的鉆井液送入真空罐,從而提高除氣器的處理能力。

        1—進(jìn)液管;2—葉輪; 3—泵軸; 4—機(jī)械密封;5—軸承; 6—軸承座; 7—電機(jī)。圖2 輔助進(jìn)液裝置結(jié)構(gòu)

        2) 高吸程射流排液裝置。

        排液裝置用于將真空罐內(nèi)的鉆井液抽吸出來,排入循環(huán)罐內(nèi)。由于真空罐內(nèi)具有較高的真空度,因此,要求排液裝置應(yīng)具有較高的吸程,其排量應(yīng)不低于除氣器自身的處理量。綜合考慮離心式、容積式、軸流式、射流式等結(jié)構(gòu)型式,選擇具有高吸程、大排量的射流式排液結(jié)構(gòu),可滿足真空除氣器的排液要求[12-14]。

        圖3為射流排液裝置結(jié)構(gòu)圖,由動力液入口、進(jìn)液腔、噴嘴、喉管、擴(kuò)散管和混合液出口組成。 動力液入口連接1臺功率至少為45 kW的砂泵,在鉆井現(xiàn)場,可用除砂器或除泥器砂泵供液;進(jìn)液腔連接真空罐出口。砂泵提供的鉆井液經(jīng)動力液入口,由噴嘴噴出形成射流,在喉管的收縮及擴(kuò)散管的擴(kuò)散作用下,在進(jìn)液腔內(nèi)形成強(qiáng)大的真空作用。真空罐內(nèi)的鉆井液被吸入進(jìn)液腔,并隨射流經(jīng)喉管、擴(kuò)散管和混合液出口,排入循環(huán)罐。

        1—動力液入口;2—進(jìn)液腔; 3—噴嘴;4—喉管; 5—擴(kuò)散管; 6—混合液出口。

        5 室內(nèi)試驗及現(xiàn)場應(yīng)用

        5.1 室內(nèi)試驗

        深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器試制完成后,進(jìn)行了室內(nèi)試驗,分為清水試驗和型式試驗。室內(nèi)試驗的目的是檢驗新型除氣器各零部件的工作狀態(tài)及測試除氣器的除氣性能,是否具備上井現(xiàn)場應(yīng)用的條件。試驗測試方法應(yīng)符合石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5612—2007《石油鉆井液固相控制設(shè)備規(guī)范》的規(guī)定[15]。

        1) 清水試驗。

        目的是檢驗除氣器各零部件的工作狀態(tài),包括真空泵、輔助進(jìn)液裝置、液面控制機(jī)構(gòu)等是否工作正常,真空罐體、輸氣輸液管道是否泄漏等。經(jīng)測試,除氣器各零部件工作正常,出現(xiàn)泄漏的管道接頭部位均重新緊固,無泄漏發(fā)生。除氣器在清水介質(zhì)下,處理量達(dá)387 m3/h,真空度為0.056 MPa,達(dá)到了設(shè)計要求。

        2) 型式試驗。

        用于測試除氣器的除氣性能。試驗步驟如下:

        ①按要求配制10 m3密度為1.04 g/cm3,黏度為30 s的標(biāo)準(zhǔn)鉆井液。

        ②使用空氣壓縮機(jī),在鉆井液中充入空氣,并使用攪拌器充分?jǐn)嚢琛?/p>

        ③停止充氣,繼續(xù)攪拌30 min,使鉆井液密度穩(wěn)定。

        ④測量充氣鉆井液密度。

        ⑤啟動真空除氣器,并在除氣器出液口取樣。

        ⑥測量除氣后的鉆井液密度。

        ⑦重復(fù)步驟②~⑥ 2次。

        ⑧使用除氣器循環(huán)除氣,使鉆井液密度恢復(fù)為1.04 g/cm3。

        ⑨將鉆井液密度加重至1.8 g/cm3,重復(fù)以上試驗。

        ⑩繼續(xù)加重至1.9 g/cm3,重復(fù)以上試驗。

        繼續(xù)加重至2.0 g/cm3,重復(fù)以上試驗。

        型式試驗的數(shù)據(jù)如表1。

        表1 除氣器型式試驗數(shù)據(jù)

        通過以上試驗數(shù)據(jù)可以看出,除氣器工作性能穩(wěn)定,除氣器的各項性能指標(biāo)先進(jìn),具備了現(xiàn)場應(yīng)用的條件。

        5.2 現(xiàn)場應(yīng)用

        2017-10,深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器在東頁深1井施工現(xiàn)場,如圖4所示。在現(xiàn)場不同鉆井液密度和黏度下,分別測試了除氣器的真空度和處理能力,測試結(jié)果如表2所示。

        圖4 真空除氣器樣機(jī)

        表2 除氣器現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

        通過以上試驗,可以看出,深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器在不同鉆井液密度下,均具有較大的排量和真空度,能夠滿足深井、超深井鉆井施工的需要。

        6 結(jié)論

        1) 針對高密度鉆井液的特點(diǎn),研制了軸流式輔助進(jìn)液機(jī)構(gòu),提高了真空除氣器的處理能力。

        2) 采用射流排液裝置,排量大,真空度高。

        3) 經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用,深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器的工作性能穩(wěn)定,處理量大,除氣效率高,滿足了高密度鉆井液除氣的需要。

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