气体钻井节能减排装置的研制及应用.pdf

设聋 产品 ，E q u i p me n t P r o d u c t 气体钻井节能减排装置的研制及应用 田玉 栋 大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院 摘要 针对 气体钻井常用降尘装置为单 筒式降尘短节起 不到很好 的降 尘和节 能减排 的效 果，研发 了气体钻 井节能减排装置 ，即在 气体钻井排砂管线上安装 内外双筒式降尘短节进行降 尘。其节能减排降尘原理是 通过注水泵向降尘短节外 筒内注水，水流进入 内外筒腔体，被 内 筒管壁上若干 出水 口分割成具有一定速度的小水流 ，与含屑 气体进行充分接触 ，起到 良好 的降 尘效果 研究分析表明，该工具具有 水流速度快 、与岩屑接触 面积大、降尘效果好等特点，能 够满足气体钻井节能减排和绿化施工要求 。通过现场应用 7口井 ，表明该装置具有强制除尘和 快速拆装等技术优势，除尘效果可达 9 5 ％ ，节约用水 7 O 0 m ，有效地解决 了气体钻井对 空气、土 地和环境造成污染的难题，达到 了节能减排的效果。 关键词 气体钻 井 ；节 能减排 ；新 型 降 尘短 节 D 0I 1 0． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n． 2 0 9 5 - 1 4 9 3 。 2 0 1 6． 0 2 ． 0 0 8 目前 ，气体钻井常用降尘装置为单筒式降尘短 节 ，缺点是水流速度慢 ，水流与含屑气体接触时间 短、接触面积小 ，起不到很好 的降尘和节能减排效 果 ，需要搭建 防尘棚 ，给气体钻井 增加 了额外 的投 入 及工作量。鉴于此，研发了内外双筒式降尘短节 ，依 靠此装置可以达到良好降尘的目的，并省去不必要的 投入及额外工作量 ，达到了节能减排 的效果 。 1 防尘机理 分析及其 结构 改进 通过对气 体钻井 降尘 机理分析属 于管道 内降 尘 。管道 内降尘 属 于有 限空 间降尘 ，不 用 考虑 粉尘 的形 态 、运 动轨 迹 、飞扬程 度 等 ，只要 在 粉尘 离 开 该 有 限空 间之 前 使其 降落 即可 。气体 钻 井 降尘要 通过润湿机理来迫使粉尘降落 ，即在排砂管内粉尘 必须与水充分接触打湿 。 气 体 钻井 原 有 的降尘 装 置 为现 场焊 接 型 ，即 在 排砂管线上选择 1 个部位采用 电气焊切割 1 个直径 约 5 0 ． 8 m m的 孔 洞 图 I ，然 后 焊 接 1 个 球 阀 ，通 过 潜 水泵 和 管线 使 水经 球 阀进 入排 砂 管线 内 ；当管 线 内有 粉 尘 经过 的 时候 就会 与水 接 触 ，起 到 降尘效 果 。但 是 ，原有 的 降尘 装置 结 构过 于 简单 ，在 排 砂 管线 内降尘 面过短 ，粉尘不能 与水 充分接触 ，所 以，在出口排放时仍会有粉尘飘散到空气中 ，对钻 作 者简介 田玉栋 ，工程 师 ，2 0 0 7 年毕业 于 中国石 油大学 北京 石油 工程专业 ，从事气体钻井 、欠平 衡钻井 、控压钻井技术研究 工作 ，E m a i l t i a n y u d o n g e n p e ．c o rn． c n ，地址 黑龙 江省大 庆市红 岗区八 百垧钻井研究院欠平衡所 ，1 6 3 4 1 3 。 石油石化节能 WW W． s y s h j n ． c o m 井 现 场造 成粉 尘 污染 。因此 ，需 要对 降 尘短 节 结构 优 化改 进 ，设 计一 种具 有 水 流速 度快 、与岩 屑接 触 面 积 大 等优 点 的新 型 气 体 钻 井 节能 减 排 降 尘 短 节 。 新 设计 的短 节 由内外筒 组 成 ，内筒 上设有 若 干排 水 小 孔 ，外筒 上 有 2 个 注 水 口 ，外筒 2 侧 与 内筒 之 间 采 用 焊接 密 封 ，内筒 2 侧设 有 法 兰 ，直 接 与 排砂 管 相 连 。其 结 构如 图 2 所示 。 切剞5 O ． 8呻的孔及避水I 1 8哪捧砂譬蛾 图 1 中原现场降尘装置结构示意 图 清洗 口 图 2 新型 节能降尘短节结构 示意图 连接 法兰 21 田玉栋 气体钻井节能减排装置 的研制及应用 第 6 卷第 2 期 2 降尘短节参数设计 气 体钻 井 降尘 的关 键是 让 粉 尘 与 水 充 分 接触 ， 因此 ，新型节能减排降尘短节设计重点是内筒小孔 射 出水 的速 度 、小 孔 的大小 、内筒 上s J , L 的个 数及 排 布等 技术参 数 。 2 ． 1 内筒 小孔射 水速 度 在 气体 钻井 中 ，从 降 尘短 节小 孔 射 出水 的速 度 应该满足 ，气体把水滴带出排砂管之前水滴必须垂 直运动排砂管直径的距离 图3 ，即 _ }． - 昔 _ ． { 图 3水 射 流 运 动 分 析 t v 2 ≥D 1 其 中 寺 2 ， U 式 中 。 为 含 屑 气体 在 排 砂 管线 内流 速 ，m ／ s ； 为水流 在 内筒 出水 口处 流速 ，m／ s ； t 为 水流从 内筒 出水 口运动到相对 1 侧所需时间，s ；L为出水 口到 排 砂 管 线 末 端 距 离 ，m； D为 排 砂 管 线 内径 ， m m Q为排砂 管 线 内气 量 ，m ／ m i n 。 根据气体钻井实际情况代 入数据得 ， I1 ． 6 5 m／ s ，为了使小孑 L 射出的水流冲击内筒壁后进行 2 次降 尘 ，取 ， 4 m／ s 。 2 ． 2内筒水 子 L 直 径 内筒 水孔 直径 根据 经验 公式 3 进行 确 定 D K 1 ． 9 7 X P ／ d 。 P 3 式 中 d 。 为雾滴直径 ， m； K为 比例系数 ，取 3 4 5 3 ； P为水 压 ，k g ／ c m ； D为t J , L 直径 ，mm。 2 ． 2 ． 1 雾 滴直径 d 根 据 降尘 机理 得 出粉 尘直 径 和雾 粒 直径 之 间最 佳 的对 应关 系- z ，即 d 。 d p v ／ 1 8 7 1 t 4 其 中 p 5 Q ／ A ， 6 式 中 d ． 为现场 占比例最大的粉尘直径 ，mm； P 为粉尘密度 ，k g ／ m ； 为排砂 管线 内气 流速度 ，m ／ s ； 叼为 空 气 黏 度 系数 ； 为 水 的 黏度 系数 ； P 为 气 体密 度 ，k g ／ m ； P 为 岩 屑密 度 ，k g ／ m ； R 为 机械 钻速 ，m ／ h ； A为井 筒 横截 面积 ，m ； A ． 为 排砂 管 22 线横 截面 积 ，m ； Q为注气 量 ，m ／ mi n 。 根 据 气体 钻 井现 场 实 际情 况 ，代 人数 据 得 d 1 7 0 m 。 2 ． 2 ． 2 水 压 P 潜 水 泵 的水压 主 要来 自于整个 流 动过 程 中 的水 头损 失 ，假 设 排 砂 管 内压 力 为 O ． 2 MP a ，则 需 要 的 水头损失 日为 2 0 m；沿程损失为 h ，入 口变径损 失为 h ， ，喷水小孔 变径损失为 h ，泵距降尘短节 的垂 直高 度 h 为 5 m，得 P p Hh h h h 7 根据气体钻井实际情况 ，代人数 据得 P 0 ． 2 7 MPa。 把计算 出的 d 、 P和 K值代入公 式 3 中， 得 D 4 mm。 2 ． 3布 孔方 式及 小子 L 个数 为了减少水流在降尘短节中的能量损失 ，确保 每一 个小 孔 都有 足够 的射流 能量 ，小 孔 的 当量截 面 积应 该小 于 注水 口的截 面积 ，即 A 。 ≥ 盯D ／ 4 8 式中 A ， 为注水 口截面积 ，m ； n为小孑 L 个数 。 根 据实 际情 况 ，代人数 据 得 r t ≤ 9 0 ，取 n 8 1 。 在 内筒上每隔 1 0 C IT I 在圆周上开 4 个小孔 ，前 1 个 圆周上 的孔和下 1 个 圆周上的孔相 位相差 1 0 。 ， 这样 布 孔 的好 处 是 内筒 壁 上 的 8 1 个 小 孔 都 是 错 位 排 布 ，水 流没 有重 叠 的 ，确保 了每 个相 位 都有 水 流射出 ，能提高降尘效率。 2 ． 4潜 水泵 的选 取 根据小孔个数 和射流 速度计算潜水 泵的流量 Q 。 ，即 Q 8 l v r D ／ 4 1 4 ． 6 m ／ h 。 根据 整个 降尘过 程 中水 头损 失来 确 定潜 水 泵所 需 的 工作 扬 程 日 。从 上述 计 算 水 压 的过 程 可 以得 出 ，整 个 降 尘 过 程 中所 需 的 水 头 损失 为 2 7 m；所 以 ，降 尘 所 需 潜 水 泵 必 须 满 足 扬 程 在 2 7 m时 泵 的 流 量要 达到 1 4 ． 6 m ／ h 。 3 现场应用 2 0 1 1 2 0 1 4 年 ，大庆油 田肇深 1 7 、古深 3 、徐 深 9 0 4 等 7口气体 钻井 中均应 用 了该节 能减排 装置 ， 平 均 每 口井 使 用时 间 1 2 d ，每 口井节 约用 水 1 0 0 m ， 共 节 约 用水 7 0 0 m 。通 过 现 场应 用 表 明 该 装 置是 一 种 新型 的具 有 强制 除尘 和快 速拆 装 的气 体 钻井 用 除尘 装 置 ，能 对 排砂 管 内粉 尘进行 有 效 降尘 ，出 口 返 出基 本 无 粉尘 颗 粒 图 4 ，除尘 效 果 可 达 9 5 ％， 石 油 石 化 节 能 WWW． s y s h j n． G O IT I