鑽井液除氣工藝技術

鑽井液除氣工藝技術
時志國
***鑽井公司
一、引 言
在鑽井過程中，鑽開天然氣層後，氣體有可能侵入鑽井液；振動篩、除砂器、除泥器、鑽井液槍、攪拌器等設備在工作過程中有可能使空氣侵入鑽井液。這些氣體侵入鑽井液後，會造成鑽井液密度降低；會增加鑽井液上返速度，引起循環罐過滿或外溢；會使離心泵氣鎖、使水力旋流器、鑽井液槍、離心機、灌注泵等無法工作，甚至會引起井噴的發生。氣侵鑽井液一直是鑽井工程所遇到的難題。
人們一直在探索去處氣侵鑽井液中氣體的方法，最初人們發現，向氣侵鑽井液中加水，會使鑽井液密度上升（鑽井液密度回覆説明氣體離開了鑽井液），於是產生了最原始、最簡單的除氣辦法；向循環罐內鑽井液表面上灑水除氣、向振動篩篩網面噴水除氣。在弄明白水能除氣的原理之後，人們發明了除泡劑代替水除氣，並一直沿用至今。
在沒有發明除氣設備之前，一般使用攪拌器和泥漿槍攪動鑽井液除氣，這種方法見效慢、除氣效率低。上個世紀40年代產生了除氣設備，發展到現在已經有常壓、真空、立式、卧式等不同結構、不同原理的除氣設備，並形成了成熟的除氣工藝流程。
二、氣泡必須浮至鑽井液表面並破裂
無論除氣設備的外形、結構怎樣變幻、無論除氣設備採用的除氣原理怎樣不同，所有除氣設備的基本除氣原理都是一樣的，就是使氣泡浮至鑽井液表面破裂。
侵入鑽井液中的氣體以大小不一的氣泡形式存在於鑽井液中，要想去除這些氣體，必須使氣泡脱離鑽井液。分析氣泡在鑽井液中的存在狀態（如圖1），根據阿基米德定律，氣泡的上升浮力等於氣泡排開相同體積鑽井液的重量：

其中，F——氣泡浮力, g
      r——氣泡半徑，cm
      γ­——鑽井液的密度，g/cm3
可以看出，在同一鑽井液中，氣泡的浮力與氣泡半徑成正比，也就是説：大氣泡比小氣泡更容易浮上液麪（見圖2），






圖1、氣泡上升過程             圖2、在高粘度鑽井液中的小氣泡
不能浮起來











圖3  氣泡在鑽井液中的狀態             圖4  紊流將氣泡帶至液麪破裂






但由於鑽井液是高粘度、高切力的液體，氣泡浮到液麪需要很長時間，直徑較小的氣泡根本無法浮至鑽井液液麪。所以，處在鑽井液中的氣泡有兩種狀態（見圖3）：一種是氣泡能浮到鑽井液液麪，並最終破裂；另一種是氣泡被裹在鑽井液中，既不能浮動，也不能聚集在一起形成大氣泡。
產生氣侵後鑽井液中的小氣泡特別多，要想去除鑽井液中的氣體，必須使小氣泡運動到鑽井液液麪。利用攪拌器或是鑽井液槍攪動鑽井液，所增大的鑽井液液麪是有限的，而且效率很低。要想清除全部氣體，必須使所有的鑽井液都攪到表面，並且分佈很薄，才能釋放出氣泡。於是產生了除氣設備。所有除氣設備的設計原則都是增大鑽井液液麪面積，使鑽井液產生紊流，將氣泡帶至鑽井液表面、使之破裂（見圖4）。
三、除氣設備佈置方案
根據現用除氣設備清除氣泡直徑的大小，可將除氣設備分為兩類：液氣分離器和真空除氣器。
循環罐內的氣侵鑽井液含有很多很多的小氣泡，直徑很小（≤1/16英寸），它們被裹在鑽井液中，既不能浮動的，也不能聚集。所謂的大氣泡是指起鑽抽吸氣或地層氣體氣侵形成的，大部分或全部充滿井眼的環形空間某段鑽井液的膨脹性氣體，大氣泡將造成環空排量增大，使鑽井液管線過載，使鑽井液從鑽台鑽盤噴出。當在循環罐內採用淺沒式泥漿槍或攪拌器充分攪拌時，通常這些大氣泡（直徑在1/9～1英寸）會浮到鑽井液表面。
液氣分離器用於清除環空鑽井液中的大氣泡，處理量大於井口出口管線鑽井液的排量。經液氣分離器處理後的鑽井液，還含有小氣泡，可先經過振動篩除掉部分氣泡，然後流入循環罐內。處理循環罐內氣侵鑽井液中小氣泡的任務由真空除氣器來完成。
液氣分離器不屬於正常循環系統的設備，一般只有當發生井湧時才使用。液氣分離器安裝在振動篩之前，進口管線同井口出口管線或防噴器的節流管匯連接，從液氣分離器分離出的鑽井液進入振動篩或直接流入沉砂罐；分離出的氣體通過排氣管線引到安全距離順風排掉，或引入火炬管線燃燒。在設計液氣分離器時，應保證能夠處理可能產生的最大氣體流量，為防止未除氣的鑽井液再次循環到井中，需在液氣分離器上裝一根旁通管線，一旦出現實際氣體流量超過液氣分離器處理能力的危險情況，就將未經除氣的鑽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  除氣器從沉砂罐後的第一個罐吸漿






真空除氣器屬常規除氣設備，安裝除氣器時應使除氣器從沉砂罐後的第一個鑽井液罐中吸取氣侵鑽井液（見圖5），經除氣器處理過的脱氣鑽井液排入下游排漿罐中。        除氣器的吸入口應位於吸入罐的下部（見圖6），並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鑽井液，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，這樣來自排漿罐的脱氣鑽井液從上部進入吸漿罐，保證位於吸漿罐底部除氣器的吸漿口吸入的是氣侵鑽井液。






圖 7  流量平衡器在底部






液氣分離器的安裝位置是固定的，應在井口和振動篩之間；而真空除氣器是撬裝設備，安裝的靈活性比較大，在現場中出現了一些安裝錯誤：






圖8  用鑽井液槍攪拌鑽井液






有些井隊將流量平衡器安裝在罐的底部（見圖7），這樣脱氣鑽井液由底部進入吸漿罐，由於脱氣鑽井液較氣侵鑽井液密度高，容易沉在罐底，使吸漿口吸入密度高、含氣量小的鑽井液，而含氣量高、密度低的鑽井液在罐內的上部，很難被吸入，使除氣器的工作效率降低。

不安裝攪拌器，用泥漿槍攪拌氣侵鑽井液（見圖8）。除氣器的處理能力是根據鑽井液的循環量來設計的，用泥漿槍攪拌氣侵鑽井液，會使吸入罐中的鑽井液量增加，超過除氣器的設計處理量，使除氣器不能正常工作。
有些井隊將真空除氣器安裝在除砂器、或除泥器之後（見圖9），這是非常不可取的。氣體侵入鑽井液，會使鑽井液密度降低、體積膨脹，將真空除氣器安裝在振動篩之後可儘快清除氣體，減少鑽井液溢出循環罐的可能。除砂器、除泥器、離心機、鑽井液槍等固控設備都要求用離心泵供給鑽井液，而氣侵鑽井液可能造成離心泵葉輪氣鎖，使鑽井液無法進入到離心泵中，造成由離心泵供漿的固控設備無法工作。
四、常用除氣設備
1、液氣分離器
一般常用的液氣分離器有兩種類型：封底式和開底式。
（1）、封底式（見圖10）






圖10、封底式液氣分離器






除氣罐底部封閉，鑽井液通過一根U型管線回到循環罐內。除氣罐內鑽井液麪的高度，可通過U型管的高度增減來控制。
（2）開底式（見圖11）






圖11、開底式液氣分離器






分離器除氣罐無底，下部半潛入鑽井液中。罐內的液麪依靠底部潛入深度來控制，這種分離器國外俗稱“窮孩子”，説明其簡易性。
目前最簡單、最可靠的液氣分離器是封底式的。開底式分離器次之，因為它的鑽井液柱高度受到循環罐內液麪高度的限制。
2、常壓除氣器（見圖12）






圖12  由閥控制的鑽井液衝擊層






    常壓除氣器出現於上世紀70年代初，它通過浸入氣侵鑽井液中的泵將氣侵鑽井液送到罐內，在閥板的作用下，使氣侵鑽井液產生足夠高的速度，形成鑽井液薄層衝擊罐的內壁，使氣泡脱離鑽井液破裂，鑽井液與氣體的分離。






圖 13  卧式真空除氣器






3、卧式真空除氣器(見圖13) 
卧式真空除氣器有一個長的卧式罐，在罐內有兩塊較長的向下傾斜的擋板，進口管線將氣侵鑽井液引至罐上部的槽內，兩塊擋板將鑽井液分佈開形成很薄的鑽井液層（1/8英寸到3/8英寸），大部分氣泡都能從薄層鑽井液表面逸出並破裂。 
4、立式真空除氣器(見圖14)






圖14 立式真空除氣器                     圖15  罐內錐體結構和鑽井液薄層





    立式真空除氣器有一個矮的立式大直徑的罐，罐內的錐體結構非常有特點(見圖15)，它由幾個層疊在一起的圓錐體組成，結構緊湊，能提供較大的分離面積，氣侵鑽井液流經層疊的圓錐體表面形成鑽井液薄層，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，在真空罐內形成負壓，鑽井液在大氣壓的作用下，通過吸入管進入旋轉的空心軸，再由空心軸四周的窗口，呈噴射狀甩向罐壁，在碰撞、真空及氣泡分離器的共同作用下，浸入鑽井液中的氣泡破碎，氣體逸出，真空泵抽出氣體並將之排往安全地帶，除氣後的鑽井液則由於自重進入排空腔，經旋轉的葉片排出罐外。
 
五、結束語
通過以上內容我們瞭解到：所有氣侵鑽井液都必須經過脱氣處理，必須保證提供給每台離心泵不含氣體的鑽井液，以確保離心泵的正常可靠運轉，堅決杜絕再次將氣侵鑽井液循環至井內的情況發生。
要去除鑽井液中所含氣體，必須使鑽井液中的氣泡浮至鑽井液液麪破裂。所有的除氣設備，無論它有什麼樣的外形、有什麼樣的內部結構，運用什麼樣的原理，它們的目的只有一個：將氣泡帶至鑽井液表面破裂。產品的不斷開發和性能的不斷提高是永無止境的，研製出處理能力強、除氣效率高、性能穩定、易於維護操作的除氣設備，永遠是研發人員追求的目標。
 
 
參考文獻：
 龔偉安著《鑽井液故鄉控制技術與設備》石油工業出版社；