钻井用四相分离器工艺原理及结构分析.pdf

2 0 1 3年第 4 2卷 第 1 2 期 第 7 4页 石油矿 0I L FI ELD 场 机 械 E QUI P MENT 2 0 1 3， 4 2 1 2 7 4 ～7 7 o o 文 章 编 号 1 O 0卜3 4 82 2 01 3 l 2 - 0 07 4 04 钻井用四相分离器工艺原理及结构分析 杨 毅 大庆钻探工程公司 钻井工程技术研究 院， 黑龙江 大庆 1 6 3 4 1 3 摘 要 钻 井用 四相 分 离器用于 欠平衡 钻 井、 控 压 钻 井、 含硫 化 氢井 ， 安装在 地 面 ， 能 够 实现 气、 固 、 液 、 油四相分离。该分离器比现有的液气分离器更安全， 功能更全面。分析 了卧式钻 井用四相分 离器 的工 艺原理 、 结 构组成 、 主要 部件 的 结构和 工作 原理 。它不 仅 能 实现 地 面 密 闭分 离， 而且 还 减 少 了 钻 井现场原有的地面固控分离设备， 提 高钻 井安全性 ， 达到节能、 环保的 目的。 关 键词 欠 平衡钻 井 ； 四相分 离器 ； 结构 ； 3 - 艺流 程 中图分 类号 T E 9 2 6 文献标识 码 B Pr o c e s s Pr i n c i p l e s a nd S t r u c t u r e An a l y s i s o f Fo u r - Ph a s e S e p a r a t o r s Us e d f o r Dr i l l i ng YANG Yi Daq i n g Dr i l l i n g En gi ne e r i ng Te c hn ol o gy Re s e ar c h I ns t i t u t e， Da qi n g Dr i l l i ng En g i n e e r i n g C o mp a n y， Da q i n g 1 6 3 4 1 3 ， Ch i n a Ab s t r a c t Fou r p ha s e s e p a r a t o r u s e d i n und e r b a l a ne e d d r i l l i ng， m a n a g e d pr e s s u r e dr i l l i n g， W e l l s c on t a i ni n g He S， i ns t a l l e d o n t he g r ou nd t o r e a l i z e t he s e p a r a t i on o f g a s a n d s ol i d， l i qu i d， a nd o i l ． The s e pa r a t or i s s a f e r t ha n t he e x i s t i n g l i q ui d ga s s e pa r a t or ， a n d i t s f u nc t i o n i s a l s o mor e c omD r e h e n s i v e ． Th e p r o c e s s p r i n c i p l e ， s t r u c t u r e ， c o mp o s i t i o n a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f ma i n c o mp o n e n t s o f t he h or i z o nt a l f ou r ph a s e s e p a r a t o r ha v e be e n a n a l y z e d ．I t c a n n ot o nl y r e a l i z e he r m e t i c s e p a r a - t i on o n t he gr o un d， bu t a l s o r e d uc e s t he s o l i ds c on t r ol a n d s e p a r a t e e q ui p m e nt t h a t o n t h e o r i gi n a 1 d r i l l i ng s i t e， t o i mpr o v e t he s a f e t y o f d r i l l i ng， a c h i e v e t he go a l o f e n e r gy s a v i ng a nd e nv i r o nme n t a 1 p r o t e c t i o n． Ke y wo r d s un de r b a l a nc e d d r i l l i n g； f o ur ph a s e s e pa r a t o r； s t r uc t u r e； t e c h no l o gi c a l pr o c e s s 由于欠 平衡 钻 井 、 控 压 钻井 等 工 艺 允许 地 层 流 体有控制地循环到地 面， 采用液气分离器很难满足 地面分离的需求 ， 同时 由于储层 中可能含有二氧化 碳 、 硫化氢等有害气体 ， 为了保护周围环境不受污染 和作业人员的安全， 钻井 液的地面分离必须在密闭 的环 境 下进行 。国外在 欠平衡 钻井 地 面分离 中使 用 最为成功的设备为钻井用四相分离器。多重 的分离 原理和特殊的结构设计 ， 使钻井用 四相分离器具 有 了强大 的分 离能 力 ， 能 及 时有 效 地 对 井 筒循 环 出 的 混 合 流体进 行分 离 。 加 拿大 VE TE RAN 能源公 司于 1 9 9 1年成 功研 制 了第 l台具 有 代表 性 的 卧式 钻井 用 四相分 离 器口 ， 此后哈里伯顿公司根据原液气分离器的结构 也成功研制 出立式钻井用 四相分离器。2 1世纪 以 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 6 2 0 作者简介 杨 1 9 8 4 一 ， 男 ， 陕西延安人 ， 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 ， E ma i l y a n g y i 0 0 8 c n p c ． c o m． c n 。 第 4 2卷第 1 2 期 杨毅 ， 等 钻井用四相分离器工艺原理及结构分析 来， We a t h e r f o r d公 司在借鉴 了国外 已经成熟 的钻 井用四相分离器设计理念 ， 通过进一步的研究 ， 加强 了分离系统 的部分功能， 成功研 制出了卧式钻井用 四相分离器和立式钻井用 四相分离器。使该设备在 更多的钻井工艺 中使 用 ， 并且 取得 了良好 效果 。 在国内， 川 I 庆钻探工程公 司钻采工艺技术研究 院于 2 0 0 5年着手研究 ， 目前已经研制出了第 2代卧式钻 井用 四相 分离 器 ， 并 通过 了现场试 验 。 1 分离及控制原理 钻井用四相分离器是依靠气、 固、 液 、 油之间的 互不 相容 及各 相 间存 在 的密 度差 进 行 分 离 的装 置 ， 通过优化设备内部结构 、 流场和分离方式， 使气、 固、 液、 油达到高效分离的 目的。 循环钻井液 由人 口进入旋风分离器 ， 首先将大 部分的气体分离 出来 ， 通过气体导管进入捕雾器 ， 与 从设备 内分离出的气体一起流 出分离器， 固相在前 舱经重力沉积后通过锥底 出 口， 经螺杆泵抽吸排 出 分 离器 ， 流过 第 1堰 板 的 油 液混 合 物 在 中舱 经过 整 流 、 破乳 、 聚结后 ， 液经中舱 出口排出， 而油则流经第 2堰板进入后舱 ， 在后舱聚集后被送出分离器。从 而完成循环钻井液中气 、 固、 液、 油的相态分离 ] 。 它的 自控系统主要 由 4部分组成 气路、 固路、 液路 、 油路 ， 通过 P L C与计算机指令来操作各仪表 和 阀组 动作 ， 从 而实 现 远 程 自动 控制 。控 制 系统 由 被控对象 液位、 压力 测量单元 、 调节器 、 执行器组 成。压力监测采用气动或 电动压力变送器 ， 液位监 测采 用 浮球液 位变 送 器 ， 调 节 器 采 用 气 动或 电动 调 节器 ， 执行机构采用气动薄膜调节器或电动调节器， 进行参数调节和动作执行。 2 结构分析 钻井用 四相分离器 内部 主要 由 固相分离系统 包括取样器、 旋流分离器 、 冲洗系统 、 气相分离系 统 杂质过滤机构 、 除泡模块 、 加热机构 、 气体处理系 统 、 油水 液面 自动 控制 系统 油水 分离 隔板 、 液位 自 控模块、 排液／ 排油泵管组 组成， 分离器本体结构如 图 1所示 。 2 ． 1录 井取样 器 在循环 的混合流体进入钻井用 四相分 离器 之 前 ， 有一个专门为录井取样而设计 的取样器。通过 2个取样筒 的交替使用， 使地质工程师随时采集 到 准确的返出物样本 。该取样器采用旋流器原理收集 固体 ， 通过螺杆结构将固体从底部排出， 出 口不会堵 塞。一般设有 2个取样器交替使用 ， 在收集过程 中 只需 切换 阀 门 ， 从 而 实 现连 续 取 样 的 目的 。取样 器 的结 构如 图 2所示 。 1 一人 口管线 ； 2 录井取样器 ； 3 一旋流分离器 ； 4 一防浪板 ； 5 捕雾器 ； 6 一气 体收集器 ； 7 气体排 出 口； 8 一净气器 ； 9 分离器本 体 ； 1 O 一储油舱 ； 1 l 一原油排放 口； l 2 本体承载架 ； 1 3 油水分 离隔板 ； 1 4 一油液分离舱 ； 1 5 一加热管 ； 1 6 一液位控制仪 ； 1 7 液相排 出 口； 1 8 一倾斜 隔板 ； 1 9 固相排 出 口； 2 O 一检修 口； 2 l 环形喷嘴 ； 2 2 一 冲洗管线 ； 2 3 一 固液 分离 舱 图 1 钻井用 四相分离器本体结构示意 图 2 录井取样器结构示意 号取样器 2 ． 2 旋 流分 离器 旋流分离器是利用不 同介质的密度差 ， 产生离 心力场对气一 固、 气一 液等非均质体系进行分离 的一 种机械装置 ] ， 结构简单、 无运动部件 ， 在工业 领域 应用广泛 。当混合介质经切向方向进入旋流分离器 后作 圆周运动 ， 高密度介质 由于较重受到较大离心 力而被抛在容器壁上， 最终从介质中分离出来 ， 并从 底部流出； 低 密度 介质 由于较轻 ， 旋 转速度逐渐减 小 ， 最终向上运动从顶部流出。旋流分离器 的结构