钻井用四相分离器的现状及发展趋势.pdf

第 3 2卷第 2期 钻井 工 程 钻 井用 四相分 离器 的现状及 发展趋势 杨 毅 马晓伟 白晓捷 崔树建 中 国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院 杨毅等． 钻 井用 四相分 离器 的现状及发展趋势． 天然气工业， 2 0 1 2 ， 3 2 2 7 5 7 8 ． 摘 要 钻井用 四相分离器 地 面密闭分 离系统 是实施欠平衡 钻井作 业所 必配 的装备 ， 目前该分 离 系统在 国外 已 被广泛使用。为在国 内推广应用欠平衡钻井技术， 介绍 了国外 VE TE R AN 能源公 司、 哈里伯 顿和威德 福公 司所研制 的 钻井用 四相分离器结构及原理， 阐明了它们 的应用 范围和技术特 点， 同时还介 绍 了中国石油川庆钻探 工程公 司钻采工程 技术研究院研制的 WS 2 x 8 - 1 ． 5 ／ 1型四相分 离器 ， 分析 了国内外 四相分 离器 的设 计差异和 应用 情况。强调 了研 制和使 用钻井用 四相分离器的必要性和其在未来欠平衡钻井作业 中的重要性。 关键词 钻井用 四相分离器 欠平衡钻井 密 闭分离器系统 多相地面分离系统 装备 D0I 1 O ． 3 7 8 7 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 1 2 ． O 2 ． O 1 8 钻井用 四相 分离 器是应 用 于欠平 衡钻 井作 业 中的 地面分离装置 ， 其独特的结构设计使它在钻进过程中 较精确地分离所有从井筒 中产出或循环 出的液体 、 原 油、 气体和 固体 。欠平衡四相分离器安装于地面节流 管汇后， 循环钻井液可 以通过它进行油、 气、 液和固的 多相分离。循环钻井液进入分离器后一般在前舱通过 固液旋流器或者重力沉淀等方式分离 出固相 ， 固相通 过泵 被排 出分 离器 ； 液 相 流人 中舱 后 通过 密 度 差 对 其 进行分离 ， 分离后被送入储蓄罐或者再次循环 ； 气体出 口一般位于分离器顶部 ， 通过旋流器和捕雾器等设备 对气相进行分离 ， 然后排出后进行点火。 加拿 大 VE TE R AN 能源 公 司于 1 9 9 1年成 功研 制 了第一台欠平衡 四相分离器 ， 该分离器不仅能在密闭 状态下对循环钻井液进行 四相分离， 而且分离能力远 远大于液气 分离器 ， 在欠平衡 钻井 中被 迅速推广 使 用 ] 。随后 美 国 S WAC O、 哈里 伯顿 、 威 德福 等 石油 公 司也先后研制出各 自的四相分离器及密 闭分离系统 。 而国内对这种四相分离器一直处于调研和摸索阶段 ， 直到 2 0 0 5年 中国石 油 川 I 庆 钻 探 工 程公 司钻 采 工 程 技 术研究院 以下简称川庆钻采院 才对该设备展开了深 入 的研究 ， 目前 已经 研制 出第一 台分 离器 样机 ， 并进 行 了现 场试 验 。 1 国外钻井用 四相分 离器 的发展现状 国外 许多 石油公 司 已经研 制 出了钻井 用 的四相分 离密闭系统 ， 并成功地在欠平衡钻井 中使用。而且该 分离系统在加拿大、 沙特阿拉伯 、 阿曼 、 印度尼西亚等 国家广泛使用 ， 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 以各 公 司研 制 的 四相分 离器 相关 配置 也有 较 大 区别 ， 主要 有 以 哈里 伯 顿 公 司 为代 表 的垂直 型 四相分 离密 闭系统 和 以威 德福公 司 为 代 表的水 平 型四相 分离 密闭 系统| 2 ] 。 1 ． 1 加 拿大 V E T E R AN能 源公 司 的 地 面 四相 分 离 密 闭系统 加 拿大 VE TE R AN 能源 公 司于 1 9 9 1年对 四相分 离密 闭 系统进 行 了研究 开 发 ， 次 年 该 公 司 和加 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 前后 进 行 3 次 改造 最终 取 得 成 功 ， 随 后该 系统 在 加 拿 大得到了广泛使用 ， 仅在 1 9 9 2 1 9 9 5年的 4年 间， 使 用 四相分 离 密 闭 系 统 进 行 欠 平 衡 作 业 的 井 已达 7 3 l 口 ， 加拿 大能 源 储 备 部 E RC B 还 制定 了相 关 标 准 以 指导 四相分离系统的设计和作业 。除加拿大本土外 ， 密闭系统还在印度尼西亚 苏门答腊北部 AR UN 油 田 得到应用 ， 并 成功实施 了 3口高温 大 于1 8 0℃ 、 低 作者 简介 杨毅 ， 1 9 8 4年生 ， 助理工程师 ， 学士 ； 2 0 0 7年毕业于西安 石油大 学石油工 程专业 ； 现从事 欠平衡钻 井 、 气 体钻井科 研 和现场服务工作。地址 1 6 3 4 1 3 黑龙 江省 大庆 市红 岗区 中国石油大庆 钻探工 程公 司钻井工 程技术 研究 院欠平 衡钻井 技术研 究 所 。 电话 1 3 8 3 6 8 0 2 1 7 1 。E ma i l y a n g y i 0 0 8 c n p c ． c o m． c n 天然气工业 2 0 1 2 年 2月 压 、 高含硫 的欠 平衡水 平井 。 该 密 闭系统 的 配置 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 井 液 罐、 钻井液罐等 一 。在系统配置中， 四相分离器是核心 设 备 ， 为一个 水平 放置 的罐状 结构 ， 其简 易 的内部构 造 如 图 1所示 。 入然 I l l U 流体 入 口 图 1 加拿大钻井用四相分离器结构示意图 注 I ． 螺杆泵 ； 2 ． 检修 口； 3 ． 漏斗 出口； 4 ． 喷射管 ； 5 ． 进料 口； 6 ． 固液 分离挡板 ； 7 ． 钻井液出 口立管 ； 8 ． 排液 F 1 ； 9 ． 油水分 离挡板 ； 1 0 ． 原油 出 口立管 ； 1 1 ． 气体出 13； 1 2 ． 分离器壳体 返 出 的钻井 液从 一 个螺 旋 通 道 进入 分 离 器 内 ， 该 螺旋通 道 用 来 降 低 返 出 物 流 速 和 引 导 返 出物 水 平 流 动 。螺旋 通道 的出 口指 向分 离 器 的前 端 部 ， 这 样 设 计 是 为了降低返 出液 流的紊流度 ， 加 速岩 屑的沉 降 。由于 该 四相 分离器基本采用 的是重力沉 淀式分 离 ， 所 以分离 效率取 决于钻井 液 在其 内停 留的时 间 。加 拿大 在地 面 密闭分离系统中使用的四相分离器参数如表 1 所示。 表 1 加拿大钻 井用四相分离器设计 参数表 项目 设计参数 罐体 直径 罐体 长度 气体 处 理 量 总液体容量 T作 压力 最大额定 压力 2． 73 m 1 2 ．2 m 9 9 X 1 0 m。 ／ d 6 7 ．5 75 m 。 O．1 4～ 0． 3 4 M Pa 1 ． 38～ 3． 45 M Pa 地层 产生 的 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 。 1 ． 2 哈 里伯 顿公 司的钻 井用 四相分 离器 哈里伯顿公司的欠平衡钻井分离系统程序是让返 出流体通过 四相分离器后把混合物分离成高压气体 初级分离器 、 低压气体 二级分离器 、 含屑稠浆 、 轻 质流体 通常指碳氢化合物 、 重质流体 主要包括水基 钻 井液或 者地 层水 然后 从 分 离 器 各 出 口排 出。所 有 出口的流动速率都将被地 面数据采集 系统所测量， 其 目的是 为 了测 定井 下 流体 动 态 和储 层 数 据 ， 当然 人 口 的流体也可能通过地面数据采集系统中的井场数据传 输被测量或者记录， 从而让操作者第一时间了解流体 返 出情况 。 哈里伯顿密闭式 四相分离系统是 由 6个集装 的橇 体组成 ， 分别为节流管汇橇体、 录井取样器、 初级分离 器 、 二级分离器、 泵和管汇橇体以及喷射泵橇体 ] 。除 这 6个橇体之外还包括一些测量、 控制等装置 ， 其中最 主要 的部 分为 初级 和二级 分离 器 。如 图 2所示 。 图 2哈里伯 顿公 司立式 四相分离器实物图 初级 分离 器是整 个管 线上 的首次 分离 装置 。它是 一 个独立的能够移除固相 ， 分离大部分气体和流体的 装置 。井 筒返 出 的混 合物 经过进 口管 汇进 入初次 分离 装置 。固相在 入 口处 通过重 心分 离和旋 流 器分离 后被 运送到锥形底部 。气体通过上部捕雾器被分离 ， 经气 体检测仪后被排出， 而流体通过一个液面控制装置来 引导 和流 动 ， 然 后被 送 人 到二 级 分 离装 置 内进 行再 次 分离 。二 级分 离器是 安装 在初级 分离 器后 的又一 个 四 相分离设备， 其结构和分离方式与初级分离器基本相 似 ， 不 同之处 在 于初级 分离器 是 高压分 离 ， 而二级 分离 器是低压分离 ， 是对初级分离器分 离后的流体进行第 二次全面分离_ 5 j 。其性能参数如表 2所示 。 哈里伯顿公司立式钻井用四相分离器近年来主要 在泰 国、 墨西哥 、 挪威等地使用， 共完成 3 8口欠平衡钻 井作 业 ， 顺 利解决 了欠 平 衡 钻 井 中循 环 钻 井 液 的地 面 分离 问题 ， 并 成功 实现 了含 H。 S地层 的欠 平衡 钻 井作 业， 实施了 3口高温 超过1 8 0℃ 、 低压 、 高含硫 含量 超过 2 的欠 平衡 水 平 井 。2 0 0 8年 在挪 威 提 出 深水 井作业的申请 。 天然气工业 2 O l 2年 2月 WS 2 8 1 ． 5 ／ 1型 四相分离 器 实物 图 。 川 I 庆钻采院研制的钻井用 四相卧式分离器性能参 数 如表 4所示 。 表 4 J l I 庆钻 采院 WS 2 8 - 1 ． s ／ t 型 四相分离器设计参数表 项目 设计参数 外形尺寸 长宽高 液体处理量 气体处理量 额定工作压力 工作介质 工作模式 1 2 m 2． 4 m 3 m 4 8 0 0 1T 1 0 ／ d 4 8 l 0 m ／ d 1 ． 5 M Pa 含 油气钻井介质 有限抗 H z s 电控、 全 自动控制 该 四相分 离器 于 2 0 0 9年 3月 在 川 I 庆 钻 探 工 程公 司承钻 的“ 磨 O l 7 - H6 ” 欠平衡定向井进行了四相分离 器现 场试 验 。对 井 内返 出钻井 液 中的 固相 颗粒 进行 了 分 离 ， 效果 明显 ， 能 够 清 除 7 4 p ． m 粒 径 以 上 的 固相 颗 粒。分离出的气体流量在 1 o ～2 0 0 I n 。 ／ h且经该设备 处理后的钻井液满足循环使用要求。本次试验证明了 川 I 庆钻采 院设计 的 四相分 离 器 原 理正 确 且 固相 清 除 、 气体分离 、 油液分离等效果 良好 ， 在欠平衡钻井中使用 能满足钻井工艺技术 的要求。 3结论与建议 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 。前 者使用 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。后者的四相卧式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 。同时该 密 闭系统使 用 了两个分 离器 ， 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。 随着油 气 资源需求 的不 断增 长和易 采油 气藏 的 日 益衰竭 ， 采用 欠平衡 钻 井 技 术来 开 采 油 气层 是 有 效 而 且必要 的措施 ， 国 内的欠平衡设 备 相对 于美 国 、 加 拿大 等还很 落后 ， 进一 步加 大 对 四相分 离 器 等 欠平 衡 钻 井 重要设 备 的研 究是 非常 有必要 的 。只有 欠平衡 钻井 的 设备满足了工艺技术的需求 ， 才能保证欠平衡作业 的 安全 性 。 参 考 文 献 [ 1 ]付志胜 ， 郑桂荣． 负压钻井分离 器简介 [ J ] ． 石油钻采 工艺 ， 1 9 9 7， 1 9 6 5 2 5 3 ． E 2 2张保贵 ， 韩烈 祥 ， 羡维伟 ， 等． 密 闭式 钻井 液地 面分 离系 统 技术发展现状分析[ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 9 ， 3 2 3 7 卜7 4 ． [- 3 2 KA R I G AN J M， B UR R I S WJ ． Ap p a r a t u s a n d me t h o d s o f s e p a r a t i o n o f ma t e r i a l s i n a n un de r _ ba l a nc e d dr i l l i ng ope r a t i o n US A， 6 3 2 8 1 1 8 r P] ． 2 0 0 1 1 2 - 1 1 ． [ 4 ]HO MAN E D ．Me t h o d f o r s e p a r a t i n g c o mp o n e n t s i n we l l f l u i d s US A， 5 9 2 8 5 1 9 l P 1 ． 1 9 9 9 一 O 7 2 7 ． E 5 3 B UL I O C K R， KAR I G AN J ， WI E ME R S T， e t a 1 ． N e w g e n e r a t i o n u n d e r b a I a n c e d d r i l l i n g 4 - p h a s e s u r f a c e s e p a r a t i o n t e c h ni qu e i mpr o ve s o pe r a t i on a l s a f e t y，e f f i c i e nc y， a nd d a t a ma n a g e me n t c a p a b i i i t i e s [ C ] ／ ／ p a p e r 7 2 1 5 3 p r e s e n t e d a t t h e SPE As i a Pa c i f i c I m p r o v e d Oi l Re c o ve r y Con f e r e n c e， 6 9 Oc t o be r 2 00 1，Kua l a I u mpu r，M a l a ys i a ． Ne w Yo r k SPE， 2 OO1 ． [ 6 ]张保贵 ， 韩烈祥 ， 羡维伟 ， 等． 钻井 液 密闭分 离 系统 流程 方 案及装备配套E J ] ． 天然气工业 ， 2 O 1 o ， 3 0 6 7 3 7 6 ． 修改回稿 日期2 0 1 2 0 2 0 3 编辑凌忠 为改善首都大气环境 ， 中国石油与北京市签署战略合作协议 2 0 1 2年 2月 6日， 中国石油天然气集 团公司 以下 简称 中国石油 与北京市人 民政府在北京签署关于联 合推广 L NG 液化 天然 气 清洁能源公交 车辆 的战略合作协议 。此举可 以降低污染物排放量 ， 改善首都大气环境 。根据协议 ， 北京市将逐 步在全市 范围6 1 推广 L NG清洁能源公交车辆 ， 指定北京市公交集 团等市属单位加快 L NG清 洁能源公交车辆 的推广应用工作 。中国石油将在 今年 上半年 向北京市捐赠 1 0 0辆 L N G公交车 ， 并 于 2 月底前启动长安街沿线公交线路运营 。 天 工摘 编 自中 国石 油 报 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载