鉆井液除氣工藝技術(shù)

鉆井液除氣工藝技術(shù)鉆井液除氣工藝技術(shù)時志國***鉆井公司一、引言在鉆井過程中，鉆開天然氣層后，氣體有可能侵入鉆井液；振動篩、除砂器、除泥器、鉆井液槍、攪拌器等設(shè)備在工作過程中有可能使空氣侵入鉆井液。這些氣體侵入鉆井液后，會造成鉆井液密度降低；會增加鉆井液上返速度，引起循環(huán)罐過滿或外溢；會使離心泵氣鎖、使水力旋流器、鉆井液槍、離心機(jī)、灌注泵等無法工作，甚至?xí)鹁畤姷陌l(fā)生。氣侵鉆井液一直是鉆井工程所遇到的難題。人們一直在探索去處氣侵鉆井液中氣體的方法，最初人們發(fā)現(xiàn)，向氣侵鉆井液中加水，會使鉆井液密度上升（鉆井液密度回復(fù)說明氣體離開了鉆井液），于是產(chǎn)生了最原始、最簡單的除氣方法；向循環(huán)罐內(nèi)鉆井液外表上灑水除氣、向振動篩篩網(wǎng)面噴水除氣。在弄明白水能除氣的原理之后，人們創(chuàng)造了除泡劑代替水除氣，并一直沿用至今。在沒有創(chuàng)造除氣設(shè)備之前，一般使用攪拌器和泥漿槍攪動鉆井液除氣，這種方法見效慢、除氣效率低。上個世紀(jì)40年代產(chǎn)生了除氣設(shè)備，開展到現(xiàn)在已經(jīng)有常壓、真空、立式、臥式等不同結(jié)構(gòu)、不同原理的除氣設(shè)備，并形成了成熟的除氣工藝流程。二、氣泡必須浮至鉆井液外表并破裂無論除氣設(shè)備的外形、結(jié)構(gòu)怎樣變幻、無論除氣設(shè)備采用的除氣原理怎樣不同，所有除氣設(shè)備的基本除氣原理都是一樣的，就是使氣泡浮至鉆井液外表破裂。侵入鉆井液中的氣體以大小不一的氣泡形式存在于鉆井液中，要想去除這些氣體，必須使氣泡脫離鉆井液。分析氣泡在鉆井液中的存在狀態(tài)（如圖1），根據(jù)阿基米德定律，氣泡的上升浮力等于氣泡排開相同體積鉆井液的重量：其中，F(xiàn)——?dú)馀莞×?gr——?dú)馀莅霃?，cmγ——鉆井液的密度，g/cm3可以看出，在同一鉆井液中，氣泡的浮力與氣泡半徑成正比，也就是說：大氣泡比小氣泡更容易浮上液面（見圖2），圖1、氣泡上升過程圖2、在高粘度鉆井液中的小氣泡不能浮起來圖3氣泡在鉆井液中的狀態(tài)圖4紊流將氣泡帶至液面破裂但由于鉆井液是高粘度、高切力的液體，氣泡浮到液面需要很長時間，直徑較小的氣泡根本無法浮至鉆井液液面。所以，處在鉆井液中的氣泡有兩種狀態(tài)（見圖3）：一種是氣泡能浮到鉆井液液面，并最終破裂；另一種是氣泡被裹在鉆井液中，既不能浮動，也不能聚集在一起形成大氣泡。產(chǎn)生氣侵后鉆井液中的小氣泡特別多，要想去除鉆井液中的氣體，必須使小氣泡運(yùn)動到鉆井液液面。利用攪拌器或是鉆井液槍攪動鉆井液，所增大的鉆井液液面是有限的，而且效率很低。要想清除全部氣體，必須使所有的鉆井液都攪到外表，并且分布很薄，才能釋放出氣泡。于是產(chǎn)生了除氣設(shè)備。所有除氣設(shè)備的設(shè)計(jì)原那么都是增大鉆井液液面面積，使鉆井液產(chǎn)生紊流，將氣泡帶至鉆井液外表、使之破裂（見圖4）。三、除氣設(shè)備布置方案根據(jù)現(xiàn)用除氣設(shè)備清除氣泡直徑的大小，可將除氣設(shè)備分為兩類：液氣別離器和真空除氣器。循環(huán)罐內(nèi)的氣侵鉆井液含有很多很多的小氣泡，直徑很小（≤1/16英寸），它們被裹在鉆井液中，既不能浮動的，也不能聚集。大氣泡是指起鉆抽吸氣或地層氣體氣侵形成的，大局部或全部充滿井眼的環(huán)形空間某段鉆井液的膨脹性氣體，大氣泡將造成環(huán)空排量增大，使鉆井液管線過載，使鉆井液從鉆臺鉆盤噴出。當(dāng)在循環(huán)罐內(nèi)采用淺沒式泥漿槍或攪拌器充分?jǐn)嚢钑r，通常這些大氣泡（直徑在1/9～1英寸）會浮到鉆井液外表。液氣別離器用于清除環(huán)空鉆井液中的大氣泡，處理量大于井口出口管線鉆井液的排量。經(jīng)液氣別離器處理后的鉆井液，還含有小氣泡，可先經(jīng)過振動篩除掉局部氣泡，然后流入循環(huán)罐內(nèi)。處理循環(huán)罐內(nèi)氣侵鉆井液中小氣泡的任務(wù)由真空除氣器來完成。液氣別離器不屬于正常循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備，一般只有當(dāng)發(fā)生井涌時才使用。液氣別離器安裝在振動篩之前，進(jìn)口管線同井口出口管線或防噴器的節(jié)流管匯連接，從液氣別離器別離出的鉆井液進(jìn)入振動篩或直接流入沉砂罐；別離出的氣體通過排氣管線引到安全距離順風(fēng)排掉，或引入火炬管線燃燒。在設(shè)計(jì)液氣別離器時，應(yīng)保證能夠處理可能產(chǎn)生的最大氣體流量，為防止未除氣的鉆井液再次循環(huán)到井中，需在液氣別離器上裝一根旁通管線，一旦出現(xiàn)實(shí)際氣體流量超過液氣別離器處理能力的危險情況，就將未經(jīng)除氣的鉆井液直接排入廢漿池丟棄。圖6吸入口、流量平衡器的正確安裝位置圖5除氣器從沉砂罐后的第一個罐吸漿真空除氣器屬常規(guī)除氣設(shè)備，安裝除氣器時應(yīng)使除氣器從沉砂罐后的第一個鉆井液罐中吸取氣侵鉆井液（見圖5），經(jīng)除氣器處理過的脫氣鉆井液排入下游排漿罐中。除氣器的吸入口應(yīng)位于吸入罐的下部（見圖6），并且需在吸入罐中安裝攪拌器，以保證真空除氣器吸入的是攪拌均勻的氣侵鉆井液，需在真空除氣器的吸漿罐和排漿罐之間需安裝流量平衡器，安裝位置要高一些，接近罐的頂部，這樣排漿罐的脫氣鉆井液從上部進(jìn)入吸漿罐，保證位于吸漿罐底部除氣器的吸漿口吸入的是氣侵鉆井液。圖7流量平衡器在底部液氣別離器的安裝位置是固定的，應(yīng)在井口和振動篩之間；而真空除氣器是撬裝設(shè)備，安裝的靈活性比擬大，在現(xiàn)場中出現(xiàn)了一些安裝錯誤：圖8用鉆井液槍攪拌鉆井液有些井隊(duì)將流量平衡器安裝在罐的底部（見圖7），這樣脫氣鉆井液由底部進(jìn)入吸漿罐，由于脫氣鉆井液較氣侵鉆井液密度高，容易沉在罐底，使吸漿口吸入密度高、含氣量小的鉆井液，而含氣量高、密度低的鉆井液在罐內(nèi)的上部，很難被吸入，使除氣器的工作效率降低。不安裝攪拌器，用泥漿槍攪拌氣侵鉆井液（見圖8）。除氣器的處理能力是根據(jù)鉆井液的循環(huán)量來設(shè)計(jì)的，用泥漿槍攪拌氣侵鉆井液，會使吸入罐中的鉆井液量增加，超過除氣器的設(shè)計(jì)處理量，使除氣器不能正常工作。有些井隊(duì)將真空除氣器安裝在除砂器、或除泥器之后（見圖9），這是非常不可取的。氣體侵入鉆井液，會使鉆井液密度降低、體積膨脹，將真空除氣器安裝在振動篩之后可盡快清除氣體，減少鉆井液溢出循環(huán)罐的可能。除砂器、除泥器、離心機(jī)、鉆井液槍等固控設(shè)備都要求用離心泵供給鉆井液，而氣侵鉆井液可能造成離心泵葉輪氣鎖，使鉆井液無法進(jìn)入到離心泵中，造成由離心泵供漿的固控設(shè)備無法工作。四、常用除氣設(shè)備1、液氣別離器一般常用的液氣別離器有兩種類型：封底式和開底式。（1）、封底式（見圖10）圖10、封底式液氣別離器除氣罐底部封閉，鉆井液通過一根U型管線回到循環(huán)罐內(nèi)。除氣罐內(nèi)鉆井液面的高度，可通過U型管的高度增減來控制。（2）開底式（見圖11）圖11、開底式液氣別離器別離器除氣罐無底，下部半潛入鉆井液中。罐內(nèi)的液面依靠底部潛入深度來控制，這種別離器國外俗稱“窮孩子”，說明其簡易性。目前最簡單、最可靠的液氣別離器是封底式的。開底式別離器次之，因?yàn)樗你@井液柱高度受到循環(huán)罐內(nèi)液面高度的限制。2、常壓除氣器（見圖12）圖12由閥控制的鉆井液沖擊層常壓除氣器出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代初，它通過浸入氣侵鉆井液中的泵將氣侵鉆井液送到罐內(nèi)，在閥板的作用下，使氣侵鉆井液產(chǎn)生足夠高的速度，形成鉆井液薄層沖擊罐的內(nèi)壁，使氣泡脫離鉆井液破裂，鉆井液與氣體的別離。圖13臥式真空除氣器3、臥式真空除氣器(見圖13)臥式真空除氣器有一個長的臥式罐，在罐內(nèi)有兩塊較長的向下傾斜的擋板，進(jìn)口管線將氣侵鉆井液引至罐上部的槽內(nèi)，兩塊擋板將鉆井液分布開形成很薄的鉆井液層（1/8英寸到3/8英寸），大局部氣泡都能從薄層鉆井液外表逸出并破裂。4、立式真空除氣器(見圖14)圖14立式真空除氣器圖15罐內(nèi)錐體結(jié)構(gòu)和鉆井液薄層立式真空除氣器有一個矮的立式大直徑的罐，罐內(nèi)的錐體結(jié)構(gòu)非常有特點(diǎn)(見圖15)，它由幾個層疊在一起的圓錐體組成，結(jié)構(gòu)緊湊，能提供較大的別離面積，氣侵鉆井液流經(jīng)層疊的圓錐體外表形成鉆井液薄層，氣泡溢出破裂。5、離心真空除氣器(見圖16)圖16離心真空除氣器離心真空除氣器利用真空泵的抽吸作用，在真空罐內(nèi)形成負(fù)壓，鉆井液在大氣壓的作用下，通過吸入管進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的空心軸，再由空心軸四周的窗口，呈噴射狀甩向罐壁，在碰撞、真空及氣泡別離器的共同作用下，浸入鉆井液中的氣泡破碎，氣體逸出，真空泵抽出氣體并將之排往安全地帶，除氣后的鉆井液那么由于自重進(jìn)入排空腔，經(jīng)旋轉(zhuǎn)的葉片排出罐外。五、結(jié)束語通過以上內(nèi)容我們了解到：所有氣侵鉆井液都必須經(jīng)過脫氣處理，必須保證提供給每臺離心泵不含氣體的鉆井液，以確保離心泵的正?？煽窟\(yùn)轉(zhuǎn)，堅(jiān)決杜絕再次將氣侵鉆井液循環(huán)至井內(nèi)的情況發(fā)生。要去除鉆井液中所含氣體，必