密闭式钻井液地面分离系统技术发展现状分析.pdf

第 3 2卷第 3期 Vo l _ 3 2 No ． 3 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆ P R O DU C T I ON T E C H N O L O G Y 71 密闭式钻井 液地 面分离系统技 术发展 现状 分析 张保贵 ， 韩烈祥 ， 羡维伟 ， 刘 勇， 柏 轲 中国石油川庆钻探 工程有限公 司钻采工艺技术研 究院 张保贵等．密闭式钻井液地面分离系统技术发展现状分析． 钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 z 3 7 1 7 4 摘要密闭式钻井液循环分离系统 密闭系统 是在含硫地层实施欠平衡钻井作业所必配的装备， 目前 国内 还无该类系统。文章介绍 了国外使用的密闭系统配置方式和流程原理 ， 明确了它们的应用范围和技术特点。在此 基础上， 阐述 了国内开发密闭系统的必要性， 并建议尽快对该系统的装备及工艺进行研究， 以满足舍硫地层欠平衡 钻 井工艺的需要 。 关键词 密闭 系统 ； 含硫地层 ； 欠平衡钻 井；四相分 离器 中图分类号 T E 9 2 6 文献标识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 7 6 8 X． 2 0 0 9 ． 0 3 ． 0 2 4 在欠平衡钻井过程 中， 由于钻井液 的压力小于 地层压力， 地层流体就会进入井眼并返至地面， 所以 需要对返 出的钻井液进行必要的处理 。欠平衡钻井 一 般都要求地层中不含硫化氢等有害物质 ， 所 以从 井内返出的钻井液可通过常规地面分离系统进行分 离； 如果地层中含有硫化氢或易挥发的烃类物质 ， 则 钻井液必须使用密闭式钻井液地面分离 系统 密 闭 系统 进行循环分离。由于密 闭系统可使钻井液在 密 闭条件下得到分离， 分离的废物及有 害物质得到 妥善处理 ， 所 以它是在含硫地层实施欠平衡钻井作 业的必配装备 。 国外许多石油公 司已经研制出了密闭系统 ， 并 成功地在欠平衡钻井 中使用 。而国内， 在用的地 面 钻井液处 理设备 大多 为 开式结 构 ， 仅有新 疆 钻研 院⋯对泡沫欠平衡 钻井 中泡沫密 闭循 环的方法进 行 了探索 ， 而对多相介质密闭系统的研究还未开始。 控压钻井也涉及到了密 闭循环系统_ 2 J ， 但它仅是对 立管和节流管汇之间的回路进行密闭而 已， 并非真 正意义的密闭系统。为此 ， 本文对 国外密闭系统的 技术发展与使用情况进行了总结和分析。 一 、国外技术概况 密闭系统在加拿大 、 沙特 、 阿曼 、 印尼等 国家被 广泛使用。由于各地的地层状况不同以及各石油公 司的设计理念存在差异 ， 所 以密闭系统的配置方式 也有较大区别。其中最具代表性的配置方式有两 种 一种是加拿大石油公司 例如 V e t e r a n能源公 司 使用的密闭系统 ， 一种 为威 德福公 司使用 的密 闭系统 。这两种密闭系统都能满足在含硫地层实施 欠平衡钻井作业 的需要 ， 同时又具有各 自的特点。 1 ． 加拿大 V e t e r a n能源公司研制的密闭系统 密闭系统是 由加拿大 的石油公 司研制并首先在 欠平衡钻井中使用。加拿大的一些油田 卜 例 如 A l b e r t a油 田 ， 由于开发时间较长 ， 地层压力 已严 重衰竭 ， 为了增加老油井 的产量 ， 需要对油井进行水 平侧钻。在压力 已严重 衰竭 的地层 进行水平钻井 时， 为了减少钻井液对地层的伤害， 需要采用欠平衡 技术进行施工。由于地层中含有硫化氢气体， 所以 在欠平衡作业 时需要用密闭系统对返出的钻井液进 行控制。V e t e r a n能源公司 于 1 9 9 1 年对密闭系统 进行 了研究开发 ， 次年 V e t e r a n能源公司和 B e a n加 拿大勘探公司第一次将密闭系统应用于欠平衡钻井 作业并取得成功。随后密闭系统在加拿大得到了广 泛使用 ， 仅在 1 9 9 2年到 1 9 9 5年 的4年间， 使用密闭 系统进行欠平衡作业 的井已达 7 3 1口。加拿大能源 储备部 E R C B 还制定 了相关标准 以指导密闭系 统的设计和作业。除加拿大外 ， 密闭系统还在 印度 尼西亚苏门答腊北部 A R U N油 田【 得到应用 ， 并成 功实施了三 口高温 大于 1 8 0 o C 、 低压 、 高含硫 的欠 平衡水平井。 该密闭系统的配置 j 一般包括 四相分离器、 密 闭式取样器、 储油罐、 自动点火装置 、 防回火装置、 压 收稿 日期 2 0 0 9 0 31 6 作者简 介张保 贵 1 9 8 1一 ， 硕 士研 究 生 ， 2 0 0 6年毕 业 于 中 国石 油大 学 北 京 机 电 学 院。现从 事 欠平 衡 装备． 的设 计 开 发。地 址 6 1 8 3 0 0 四川广汉市 中山大道南二段钻采研究 院机械 中心 。电话 0 8 3 8 5 1 5 1 4 4 5 。 7 2 钻 采 工 艺 DRI LL I NG ＆ P R0DU CT【 0N r E CHNOL 0GY 2 0 0 9年 5月 Ma v 2 0 0 9 井液罐、 钻井液罐等。在系统配置中， 四相分离器是 核心设备 ， 其工作原理为从井眼返出的钻井液经减 速挡板进入四相分离器的第一室 ， 由于流速减小 ， 固 相颗粒即发生沉降 ， 沉淀在分离器 的底部。分离器 底部的固相 ， 或者通过螺旋泵在带压的情况下泵出， 或者停钻后再进行处理。第一室的钻井液经溢流板 进入第二室 ， 在第二室 内进行油液分层 ， 上层为油 ， 经隔板流入储油室 ， 然后 由泵排 出下面的钻井液泵 人泥浆罐 。钻井液在分离器的整个流动过程均处气 体分离状态 ， 分离出的气体经排气管线进行燃烧处 理。四相分离器的分离效率取决于钻井液在其内停 留的 时 间。加拿 大 常 用 的 四相 分离 器 的 直径 为 2 ． 7 3 I l l ， 长 1 2 ． 2 m， 最大除气体 9 ． 91 0 m 。 ／ d ， 总 液体容量是 6 7 ． 5 7 5 m。 ， 一般 的工作压力 为 0 ． 1 3 8～ 0 ． 3 4 MP a ， 但其最大定额压力是 1 ． 3 8～ 3 ． 4 5 MP a 。 四相 分离器分离 出的固相颗粒沉淀在 内部 ， 很 难进行即时地质取样 ， 因此取样器放置在节流 阀与 四相分离器之间的位置。密闭系统通常配置两个取 样器 ， 这两个取样器可以交替对岩屑进行取样。 密闭系统所需其它设备的结构与常规开式系统 基本相同。由于密闭系统一般是用于处理含有硫化 氢的钻井液 ， 所 以应对密闭系统 的所有设备进行防 酸性气体腐蚀评价， 对于与钻井液发生接触的设备 材料均需按相关标准进行抗硫处理。 钻井液在密闭系统的流程如图 1 所示 ， 即 从井 口返出的钻井液经节流管汇进入 四相分离器 ， 同时 在节流管汇和四相分离器之 问串联一个取样器可以 对地层岩屑进行连续取样 ， 四相分离器将油 、 气 、 液、 固进行分离 ， 分离后的气体通过排气管线进行燃烧 ， 分离出的油排人储 油罐进行封存 ， 沉淀在分离器底 部的固相或者通过螺旋式泵在带压的情况下泵出 ， 或者停钻后再进行 处理 ， 余下 的钻井液排入钻井液 罐 ， 然后 由钻井泵将其注入井内， 如需压井则需将压 井液罐 中的高密度钻井液泵入钻井液罐。 固相颗粒完全是由四相分离器依靠重力沉降作用进 行分离的 ， 显然这种分离方式 只能分离颗粒较大的 固相 ， 且效率难 以稳定。所 以该系统只适 于时间较 短的欠平衡作业 。 2 ． 威德福研制的密闭系统 加拿大密 闭系统 由于没有进一步的固控系统 ， 所以使用条件受限。近年来 ， We a t h e r f o r d公司在加 拿大密闭系统 的基础上 ， 根据具体地层状况配置了 相应 的密闭系统 ， 从而拓宽了密闭系统的使用条件。 2 0 0 5年威德福使用密 闭系统成功地在加拿大 A l b e r t a 南部环境敏感地 区实施 了含硫地层 含 9 ％ 的 H S 欠平衡钻井作业 。如 图 2所示 ， 与加拿 大密闭系统相 比， 该密闭系统 的主要配置 同样也包 括了节流管汇、 取样器 ， 点火装置。但该系统采用三 个独立分离器代替了四相分离器 ， 第一个分离器主 要用来进行液气分离， 第二个分离器用来分离 固相 和钻井液中残存的气体 ， 第三个分离器主要是分离 固相。根据气 固两相 的分离特性 ， 三个分离器的容 积依次增大 ， 额定 压力也就依次减小 。第一个分离 器容积为 8 m ， 额定压力为 3 ． d MP a ； 第二个分离器 的容积为 1 8 m ， 额定压力为 0 ． 3 4 5 MP a ； 第三个分 离器的容积为5 2 13 3 。与加拿大使用的四相分离器 一 样 ， 第三个分离器也只能去 除钻井液中较大颗粒 的固相 ， 对于超细颗粒 的固相则无法清除。为 了维 护钻井液的的性能 ， 该密闭系统采用 了钻井液替换 稀释的方法 ， 即当第三个分离器 中钻井液超细 固相 达到一定浓度时， 即用排浆装 置把部分钻井液排人 到固相清除设备 ， 然后再将备用 的钻井液补充到密 闭系统 ， 以控制钻井 液中超细固相的浓度。在该密 闭系统 中钻井液超细固相 的含量得到了有效控制， 也就可以进行长时间的欠平衡钻井作业 。经过 2 1 d 密闭系统欠平衡作业 ， 加拿大 A b e rt a南部 的高含硫 井最终顺利完钻 ， 并获得了预期的产量。 输气管线 图2 威德福在加拿大使用的密闭系统流程简图 图1 加拿大使用的密闭系统流程图 此外 ， 威德福还于 2 0 0 6年在沙特 U t h m a n y a h油 从密闭系统 的流程过程可以看 出， 地层产生的 田成 功 实 施 了 3 口密 闭 系 统 的欠 平 衡 钻 井 作 第 3 2卷第 3期 V0 1 ． 3 2 No ． 3 钻 采 工 艺 D RI L L I N G＆ P R OD U C T 1 0 N T E C H N 0L 0 G Y 7 3 业 l _ ] ， 且 这三 口井均为 高压 、 高产 ， 高含硫井 ， 含硫量都大于 7 0 0 m r／L 。这 三 口井所用 的密 闭系 统如图 3所示。与威德福在加拿大使用 的密闭系统 相 比， 它增加 了卧式和立式四相分离器 、 离心机 以及 硫化氢清除装置 。该密闭系统 由于使用 了两个 四相 分离器 ， 所以它的钻井液处理能力更大 、 处理效果更 好； 由于使用了离心机， 所以它可使钻井液中的固相 得到很好的控制 ； 由于在钻井液进入离心机之前使 用了硫化氢清除器 ， 所 以钻井液可 以直接排入离心 机而不会造成硫化氢污染。因此该密闭系统的配置 方式即可控制钻井液 的固相含量 ， 又可使钻井液得 到持续循环 ， 同时也满足了 H S E的要求。利用这种 密 闭分离模式 ， 威德福还 曾在美 国德克萨斯州 成 功实施 了一 口高含硫 的欠平衡水平井。 图3 威德福在沙特使用的密闭系统流程简图 3 ． 不同配置密闭系统的比较 加拿大石油公 司与威德福公 司使用的密闭系统 均有 自己的特点。加拿大使用的密闭系统可使钻井 液在整个分离循环 的过程 中均处密闭状态 ， 所 以避 免了钻井液中的地层产物对外界环境造成污染 。但 是没有超细固相 的控制设备 ， 这就使该系统的使用 受到时间的限制 。 威德福在 A l b e r t a 使用的密闭系统 ， 用三个独立 的分离器替代四相分离器 ， 由于分离器 总的容积增 大 ， 钻井液在分离器内停留总的时间较长 ， 所 以分离 效率相对较高； 由于采用了钻井液稀释替换方法来 控制钻井液中固相 的含量 ， 所 以它不受使用 时间的 限制。与此同时 ， 该系统需要较大的井场面积 ， 以及 需要储备较多的钻井液。 威德福在沙特使用的密闭系统 ， 同时应用卧式 和立式 四相分离器来处理井 内返 出的钻井液 ， 这样 就使密闭系统的处理能力得到很大的提高， 从而满 足了高产井欠平衡作业 的需要 ； 在分离器 中注射氨 水以及使用硫化氢清除器 ， 从 而有效清除 了钻井液 中的硫化氢 ； 离心机 的使用 ， 使钻井液中的超细固相 颗粒得到了有效控制 ， 从 而使井 内返 出的钻井液可 以持续循环利用。该密闭系统可以满足 高产 、 高含 硫欠平衡钻井作 业 的需要 ， 但 使用 的设备较 多 包 括许多监测控制装备 ， 程序也相对复杂。 4 ． 密 闭系统的优点 尽管密 闭系统 的配置方式多种多样 ， 但其使用 目的是相 同的， 即满足含硫地层 的欠平衡钻井作业 。 从总体看 ， 密闭系统有如下优点 1 安全可靠 。当烃类 到达地表 ， 对于含硫 的 情况 ， 密闭系统是保证安全操作的唯一方法。 2 数据测量。密闭系统成为精确测量和容纳 钻井操作过程中所有钻井液返出物的唯一途径 。气 体 比率和液体产量很快被测量和读 出， 烃类检测既 快捷又精确。 3 环境控 制。使 用密闭 系统 ， 对地表 没有一 点污染。所有地表流体在密闭的容器中储存或用点 火装置进行燃烧。 二 、 国内开发密 闭系统 的必要性 与建议 随着油气资源需求的不断增长和易采油气藏的 日益衰竭 ， 高含硫 油气藏将成 为重要 的接替 资源 。 我国现已开发的油气 田都不同程度地含有硫化氢气 体 ， 有的还属高含硫油气 田。如川渝地 区含硫化 氢气 田约占开发气 田的 7 8 ． 6 ％ ， 其 中卧龙和气 田硫 化氢含量高达 1 0 ％ ； 华北赵兰庄气 田硫化氢含量高 达 9 2 ％ 。而欠平衡 钻井 技术是一种发 现和保 护油 气层的有效工艺 ， 随着高含硫油气 田开发 的逐渐衰 竭 ， 必然会大量应用于含硫储层的钻井和修井 。目 前 ， 密闭系统在 国内还没有被开发 ， 所 以现行标准 中 明确规定 H s含量大于 7 5 m r ／m。 时就不能应 用欠 平衡钻井技 术 ； 在实 际欠 平衡 钻井过程 中如遇 H s ， 则欠平衡钻井 必须终止。因此有关单位有必 要组织相关 人 员对密闭系统 的装备 及工艺 进行研 究 ， 开发出适合本地区地层特点的密闭系统 ， 才满足 含硫地层欠平衡钻井工艺的需要 。 参考文献 [ 1 ] 许树谦 ， 胡军 ， 陈若铭， 等． 一种可将泡沫欠平衡钻井用 泡沫 进 行 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c h e n b e r g ． D e v e l o p m e n a n d P e rf o r m anc e o f S u rf a c e Eq u i p me n t f o r h i g h T e mp e r a t u r e Un d e r b a l a n c e D ril l i n g i n a S o u r ，S e v e r e y u n d e r P r e s s u r e d F o r ma t i o n [ A] ； E n e r g y S o u r c e s T e c h n o l o gy C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n [ C ] 1 9 9 9 ． [ 8 】 秦文贵． 欠平衡钻井技术规范 释义[ R] ． 北京 石油 钻井工程专业标准化委员会秘书处， 2 0 0 7 6 97 0 ． [ 9 ] A S ME S h a l e S h a k e r C o m m i t t e e ． D ri l l i n g F l u i d s P r o c e s s i n g H a n d b o o k[ M] ． A m e ri c a G u l f P r o f e s s i o n a l P u b l i s h i n g ， 2 0 0 5 5 3 95 4 0 ． [ 1 0 ]K e v i n S c h m i g e 1 ． E n v i r o n m e n t l y S e n s i t i v e We l l S u c c e s s f u l - l y Dri l l s U n d e r b ala n c e d Us i n g R e c y c l i n g T e c h n o l o gy [ C] ； I A D C ／ S P E Ma n a g e d P r e s s u r e D ri l l i n g a n d U n d e r b ala n c e d Op e r a t i o n s C o nfe r e n c e a n d E x h i b i t i o n ． 2 O o 7 ． [ 1 1 ]Ha l l man； J o h n H．C o o k l a i n ； Mu q e e m M A ．F l u i d C u s t o mi z a t i o n and E q u i p me n t Op t i mi z a t i o n E n a b l e S a f e a n d S u c c e s s f u l U n d e r b a l an e e d D ril l i n g o f Hi g h H2 S Ho ri z o n t al We l l s i n S a u d i A r abi a [ C ] ； I A D C ／ S P E Mana g e d P r e s s u r e Dri l l i n g a n d Un d e r b a l anc e d Op e r a t i o n s C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n ．2 0 0 7 ． [ 1 2 ]Mu q e e m M A； J a r r e t t C M；A b d u a l H J ．U n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g o f o i l w e l l s i n S a u d i Ar a b i a c a s e h i s t o r y a n d l e s s o n s l e a r n e d [ C ] ； S P E V I A D C Ma n a g e d P r e s s u r e D ri l l i n g Un d e r b a l a n c e d Op e r a t i o n s C o nfe r e n c e＆ E x h i b i t i o n 2 0 0 8 ． [ 1 3 ]C o y A l a n d r o ； D o n H al l ；V e z z a Ma t t ．A S a f e A p p r o a c h t o U n d e r b a l anc e d D ri l l i n g i n H 2 S P r o d u c i n g F i e l d s [ C 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