氮气循环钻井开环现场试验.pdf

第 3 2卷 第 3期 2 0 1 0年 5月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG PR0DUCTI ON TECHNOLOGY V0 1 ． 3 2 No ． 3 Ma v 2 01 0 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 0 0 30 0 0 90 4 氮气 循环钻 井开环现场试 验 李 军 柳贡慧 王锡洲 1 ． 中国石油 大学石 油天然 气工程 学院， 北京1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 北京联合大学 ， 北京 1 0 0 1 0 1 ； 3 ． 中国石 油化 工股份 有限公 司科技发展部 ， 北京1 0 0 7 2 8 摘要为降低气体钻井成本， 提高钻井技术水平， 对氮气循环钻井新工艺首次进行 了开环现场试验， 即气体分离处理后再 行排放， 以考察分离过滤设备的X - 作性能以及分离过滤设备对钻井X - ． 艺的适应能力。为保证试验的顺利进行， 设计了气密性试 验、 正常钻进过程试验、 地层出水过程试验等。试验结果表明， 该5 - 艺简单易行， 系统运行稳定可靠。分离后的气体介质所含固 相颗粒粒径与浓度低于 当地 大气条件 ， 可满足 重新进入 压缩机和增压机的要求 ， 为实现 氮气的再次注入 井 内循 环利用创造 了有 利条件。根据现场试验暴露出来的问题 ， 进行了具体分析并提出了改进方案。该系统完善后， 可以在气体钻井中推广应用。 关键词 氮 气钻井 ； 循环 ； 开环 ；现场试验 中图分类号 T E 2 4 9 文献标识码 B Ope n l o o p fie l d t e s t o f n i t r o g e n c i r c u l a t i o n d r i l l i ng s ys t e m L I J u n ． L I U G 0 n g h u i |- ． WA NG X i z h 0 u 1 F a c u l tyo fP e t r o l e u mEn g i n e e r i n g , C h i n aUn i v e r s i tyo f P e t r o l e u m， B e o i n g1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 B e ij i n gU n i o nU n i v e r s i ty, B e ij i n g1 0 0 1 0 1 ， C h i n a ； 3 C h i n a P e t r o l e u m ＆C h e mi c a l C o r p o r a t i o n ， B e ij i n g 1 0 0 7 2 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e o p e n l o o p fi e l d t e s t o f t h e n e w n i t r o g e n c i r c u l a t i o n d r i l l i n g s y s t e m h a s b e e n d o n e f o r t h e fi r s t t i me t o d e c r e a s e n i t r i g e n d r i l l i n g C O S t a n d u p d a t e d r i l l i n g t e c h n o l o g y , t h a t i s ， n i o g e n i s d i s c h a r g e d a f t e r s e p a r a t i n g p r o c e s s ， a s a r e s u l t t h e p e r f o r ma n c e o f s e p a r t i n g a n d fil t e rin g e q u i p me n t a n d i t s a p p l i c a b i l i t y o f t o dr i l l i n g t e c h n o l o g y c o u l d b e e x a mi n e d ． I n o r d e r t o a s s u r e s u c c e s s f u l t e s t ， a i r t i g h t t e s t ， r e g u l a r d r i l l i n g p r o c e s s t e s t ， a n d f o r ma t i o n wa t e r p r o d u c t i o n p r o c e s s t e s t a r e d e s i g n e d ． T h e r e s u l t s h o ws t h a t t h e n e w t e c hn o l o g y i s e a s y t o h a n d l e a n d t h e wh o l e s y s t e m i s c r e d i b l e ． P a r t i c l e s i z e a n d c o n t e n t o f t h e d ril l i n g c u t t i n g s i n n i t r o g e n a fte r s e p a r a t i o n a r e a l l l e s s t h a n t h a t o f t h e l o c a l a t mo s p h e r e ， wh i c h i s s u i t a b l e t o b e i n j e c t e d i n t o t h e c o mp r e s s o r a n d b o o s t e r a g a i n ． T h i s i s h e l p f u l f o r t h e c y c l i c u t i l i z a t i o n o f t h e c o s t l y n i t r o g e n ． Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f p r o b l e ms d u r i n g fi e l d t e s t ， s o me i mp r o v e d s o l u t i o n s a r e p u t f o r wa r d ． T h e n e w n i t r o g e n c i r c u l a t i o n d r i l l i n g s y s t e m c a n b e u s e d wi d e l y a ft e r fur t h e r i mp r o v e me n t ． Ke y wo r ds n i t r og e n d ril l i ng； c i r c u l a t i o n； op e n l o o p；fie l d t es t 近年来 ， 气体钻井在国内得到了广泛的应用 1 - 5 ] 。 在钻进储层时， 为了避免空气与天然气混合 产生井 下燃爆问题 ， 通常采用氮气作为携岩介质。但是， 由于大容量制氮设备成本较高， 限制了氮气钻井的 推广应用。另外， 目 前的钻井作业中， 均采用出井气 基金项 目 作者简介 体直接排放或放燃的方式， 造成一定的资源浪费和 环境污染 。如果能将 出井的气液固混合物进行有效 分离， 将气体介质回收， 象普通钻井液一样循环使用， 则可以大幅度地减少能源消耗 ， 降低钻井成本 。中国 石油大学柳贡慧教授在国内外率先提出了氮气循环 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 课题 2 0 0 6 AA0 6 A1 0 3 ， 中石化重点研 究课题 编号 P 0 5 0 6 2 ， 中石 油科技创新基金研究 项 目 编号 2 0 0 9 D 一 5 0 0 6 0 3 0 9 的部分 内容 。 李 军， 1 9 7 1 年生。 1 9 9 4年毕业 于石油 大学 华 东 钻 井专业 ， 2 0 0 5年 毕业于 中国石 油大学 北京 油 气井工程 专业 ， 获工 学博 士学位， 现主要从事欠平衡与控压钻井技术研究， 副教授 ， 电话 0 1 0 8 9 7 3 1 2 2 5 ， E - ma i l L ij u n 4 4 6 v i p ． 1 6 3 ． c o m。 1 0 石油钻采工艺2 0 1 0年 5月 第 3 2卷 第 3期 钻井的工艺设想， 并针对其设计方案、 工艺流程、 携岩 理论计算、 分离装备研制、 控制系统开发等方面进行 了系统的研究工作 。为验证氮气循环钻井新工艺的 可行性， 与中国石油化工股份有限公司合作， 在四川 大邑 l O 1 井进行了开环现场试验 ， 为该技术的进一步 完善和推广奠定了基础。 1 氮气循环钻 井开环现场试验方案 Op e n l o o p fi e l d t e s t p r o a m f o r ni t r o g e n c i r - c u l a 廿o n d r i l l i n 氮气循环钻井 的总体思路是 对循环 出井 的 气液 固混合物进行有效分离 ， 排放掉液体 和岩屑 ， 而分 离 、 过 滤 、 净化后 的气体再 次进人压 缩机 、 增 压机进 行循 环利用 。由于是初 次现场试 验 ， 为安 全起 见 ， 先 进行 开环实验 。即气体分 离处理 后再 行排放 ， 以考察地 面旋 风分离器 、 精细过滤器 的工 作状况 。 氮气循环钻井开环现场试验整体布置见图 1 。 图 1中空压机 、 压缩 机为气体钻井标准配备设备 。 旋风分离器、 精细过滤器 、 缓冲罐为新增分离处理设 备。其 中旋风分离器分为两级 ， 主要处理掉粒径 7 g m 以上的大颗粒岩屑。精细过滤器可实现对气体 的进一步净化， 除掉 3 g m以上的颗粒。在过滤器出 口安装粉尘浓度监测仪 ， 对过滤后 的气体进行实时 测量。在排砂管线 出口安装天然气浓度检测仪 ， 实 时监测井内出气情况。另外 ， 氮气分离系统安装在 排砂管线中部， 一是防止距离钻台太近， 出现复杂情 况时可避免直接对钻台造成影响；二是防止距离排 砂口太近， 因为排砂口经常会点火， 且风向等自然条 件有一定随机性。一旦分离系统漏气则易造成复杂 情况 。从实际试验情况来看 ， 这样的布置是合理的。 捧 图 1 氮气循环钻 井开环现 场试验示意 图 F i g ． 1 S k e t c h s h o wi n g t h e o p e n l o o p fie l d t e s t f o r n i t r o g e n c i r c u l a t i o n d r i l l i n g 试验过程 中重点考核两方面性能 ， 一是分离过 滤设备 的工作性能 ， 包括一 、 二级旋风分离器分离 效果 、 分 离器稳定 排料性能 、 精细过滤器 出 口的气 体质量等；二是分离过滤设备对钻井工艺的适应 能力 ， 包括正常钻进工况 、 复杂工况如地层 出水 、 出 油 、 出气等 ， 研究新增设备和工艺环节对原钻进过 程的影响。 为保证试验 的顺利进行 ， 设计 了 3个主要顺序 测试环节。一是气密性试验， 确保分离系统的可靠 性 ； 二是正常钻进过程试验 ， 考察系统分离效果；三 是地层 出水过程试验 ， 考察系统适应能力。 2 现场试验 F i e l d t e s t 2 ． 1 系统气密性试验 Ai r t i g h t e s t 大邑 1 0 1 井在三开完成后 ， 进行气举， 排除井 内 清水 和岩屑， 为 四开氮气钻井作准备。气举完成后 进行了 8 h的井眼干燥作业。期间井内基本无水 、 无 岩屑， 气体循环正常。为分离系统 的气密性测试提 供 了有利条件。 气密性试 验时 的注气压力 为 3 ． 8 MP a ， 注气 量 9 0 m ／ mi n 。测试发现 ， 二级旋风分离器 出口有轻微 泄露现象 。由于该系统在出厂前已经进行多次试验， 均无异常。经过紧急排查 ， 确认在运输 吊装过程中 二级分离器 出口发生过碰撞 ， 导致漏气。经过更换 密封垫及紧 固处理后 ， 气密性测试恢复， 正常运转半 小时后安全无泄漏， 说 明密封有效 ， 为后续试验的进 行奠定了基础。 2 ． 2 地层出水过程中分离试验 S e pa r a t i o n t e s t o f t he f o r m a tio n wa t e r pr o d uc t i o n pr o c e s s 四开钻进过程 中遇 到水层。被迫停止钻进 ， 循 环排水并进行井眼干燥。在此期 间， 进行 了分离系 统试验。此时的注气压力约为 4 ．6 MP a ， 注气量为 9 0 m ／ mi n 。切换至分离系统前 ， 排砂 口有 比较 明显 的粉尘和少量的水。切换到分离系统后， 可听见较 明显的气体通过分离系统的呜叫声 ， 排砂出 口点火 一 切正常 ， 说明系统畅通无阻。同时 ， 在排砂 出口可 以看到， 此时的气体非常洁净 ， 没有水滴出现。说 明 分离系统工作有效 ， 已经将地层水 和岩屑进行 了有 效的分离处理 ， 见图 2 。图 2中的白色雾状是由于高 气速造成 的， 而非岩屑粉尘 。 李 军等 氮气循环钻井开环现场试验 一 a 分 离前排砂 曰有 明显水流 b 分离后排砂 口无水无尘 图 2 地层 出水过程 中分 离前后排砂 口现象 Fi g． 2 Th e ph e no me no n a t t he g r i t d i s c ha r g i ng mo ut h b ef or e a n d a ft e r s e p a r a t i o n o f t h e f o r ma t i o n wa t e r p r o d u c t i o n p r o c e s s 由于地层出水量不大， 加之烘井过程中粉尘量已 经很小 ， 因此 ， 此时分离系统工作正常。而实际钻进 时岩屑粉尘量很大 ， 二者工况差别较大。因此 ， 只有 在正常钻井过程中进行分离系统试验才能说明问题。 2 ． 3 正常钻进过程中分离试验 Se pa r a tio n t e s t o f r e g u l a r d r i l l i n g p r o c e s s 井 眼干燥完 毕后 ， 开始正常钻 进 ， 对 分离系统 进行测试试验。为确保作业安全 ， 安排专人值守主 排砂管线开关。如果 出现意外情况， 立刻切换到原 始排砂工作状态 ， 四开钻进开始后， 排砂管线 出口正 常。此时， 打开分离系统人 口阀 2 ， 关闭主排砂管线 阀门 1 。此时 ， 井内返出的气液固混合物顺利进入分 离系统。而在排砂管线出 口， 为了观察分离的效果 ， 暂时关闭了降尘水泵 。这样可以较为直观地观察到 分离前后 的变化。 试验结果表明， 分离系统的分离效果非常明显。 分离前排砂管线 出 口浓烟迷漫 ， 灰尘满天。而经过 分离系统处理后 ， 排砂管线出口没有任何灰尘 ， 气体 非常洁净 ， 见 图 3 。 a 分离前排砂 口烟 尘弥漫 b 分禹后排砂 V I 非常洁净 图 3 正 常钻进过程 中分 离前后排砂 口现 象 Fi g． 3 Th e ph e no me no n of d i s c ha r g i ng mo ut h be f o r e a n d a f t e r s e p a r a t i o n o f r e g u l a r d r i l l i n g p r o c e s s 由于分离后 的气体要进行 回收利用 ， 必须要满 足进压缩机的要求 。因此 ， 需要对分离后 的气体进 行粉尘浓度测试。过滤器的人 口和出口分别加装 了 浓度监测仪表 ， 可以 自动记录并存储数据 ， 以便于分 析分离与过滤效果。 监测 结果 表 明， 过 滤 器入 口粉 尘 浓度 大约 为 5 0 ～ 8 0 mg ／ m ， 出口粉尘浓度大约为 0 ． 0 5 ～ 0 ． 0 8 m m 。 而试 验 前对井 场 的空气 进行 了测 量， 其 浓度值 为 0 ． 0 3 ～ 0 ． 1 mg ／ m3 。由此可见 ， 经过过滤后 的气体所含 粉尘浓度基本达到甚至超过 了当地的大气条件。由 于过滤器采用物理结构 过滤粉尘 ， 因此直径超过 3 p m的颗粒会被完全过滤掉。可见， 净化后的气体完 全可以满足进压缩机要求。 为确保监测数据的准确性 ， 对现场在线监测采 用的 T S I AM5 1 0 智能粉尘检测仪进行了进一步的标 定测试。采用 的仪器是精度较高、 适用于室 内测试 的 P A L AS 3 0 0 0测量 系统。标定后 的对 比曲线参见 图 4所示。显然 ， 实际粉尘浓度值 比现场实测数据 还要小 ， 进一步证明了分离与过滤系统的可靠性。 ’ 拿 ∞ 殛 噩 I] 嚣 ∽ J 图 4 T S I AM5 1 0测量值与 P A L AS测量值对应 曲线 F i g ． 4 Th e c u r v e s h o wi n g t h e c o r r e s p o n d e n c e o f T S I AM 5 1 9 me a s u r e d v a l u e a n d P AL AS me a s u r e d v a l u e 另外 ， 从综合 录井仪监测到 的立管压力可以看 出， 在分离过程 中， 立管压力大约增加 0 ． 1 MP a 。这 主要是 由于分离系统 的压耗损失 造成 的。可见 ， 分 离系统对钻进参数的影响很小 ， 基本可以忽略不计。 3 试验中出现的问题及对策分析 Pr o b l e ms a p p e a r e d d u r i n g t e s t a n d s o l u t i o n s a n a l y s i s 总体来看 ， 首次现场开环试 验是成功 的。整套 设备工作正常， 分离效果 明显 ， 为进一步的闭环试验 奠定 了基础。同时， 在试验过程 中也发现 了一些 问 题 ， 有待于研究解决 。 3 ． 1 连续排砂设计 Co n ti n u o u s g r i t d i s c h a r g e d e s i g n 试验过程 中， 原计划采用循环水连续排料 方式 排除分离后的岩屑 ， 但是 ， 由于原系统采用的吸水泵 电动机不 防爆 ， 不能满足现场安全需求 。因此被迫 采用 了气体排料 方式。在实际排放过程 中， 二级旋 风分离后的排砂始终正常， 而一级分离后的排砂管 线出现了堵塞 。后续的设计 中应改用大尺寸排砂管 1 2 石油钻采工艺 2 0 1 0年 5月 第 3 2卷 第 3期 线 ， 且所有的现场电气设备都必须采用防爆设计。 3 ． 2 设备整体高度与撬装设计 En t i r e de pt h a n d s ki d mo unt e d d e s i g n o f t he e qu i p me n t 从现场实际情 况看， 整套 分离系统的高度 约 7 m。运输及安装过程中容易碰撞 ， 且给各种仪表的监 测 、 设备的维修带来不便 ， 高空作业本身也存在一定 的安全隐患。因此 ， 后续设计 中在不影响分离效率 的基础上， 应降低系统高度。 目前 ， 已经完成了卧式 分离系统 的设计 。另外 ， 由于是初次加工和试验该 套装置， 在设备的优化组合方面还有所欠缺 。在功 能完备后 ， 完全可以实现系统撬装 ， 以便于运输与设 备连接。 3 ． 3 系统测量与控制设计 S y s t e m me a s u r e me nt a nd c o n t r o l de s i g n 由于该系统为密闭系统 ， 为安全起见， 应实现实 时监测压力与流量变化。同时， 阀门的切换应该实 现手动 ／ 自动双控制模式 ， 简化操作程序。另外 ， 从 安全运行角度看 ， 还应增加及时报警 系统。由于时 间和现场条件所 限， 本次试验采用了人工读取方式。 在今后的研究 中需加强测量与控制系统研究。 3 ． 4 压缩机入口改造设计 Re f o r ma t i o n d e s i g n o f c o mp r e s s o r a c c e s s 分离后 的气体 必须要进入压缩机才 能实现循 环使用。 目前空气压缩机的人 口为开放式 ， 而分离 后 的气体需要通过管线进入 空压机 ， 因此需要对压 缩机入口进行适 当的并联改造 ， 见图 1中虚线所示。 目前， 已经对现场常用压缩机进行了改造测试 ， 可以 顺利实现连接， 对其运行没有影响。 4 结论及建议 Co n c l u s i o n s 大邑 1 0 1 井进行 的氮气循环开环试验 ， 是 国内 外首次进行的氮气钻井现场试验 。试验的成功为该 技术 的进一步完善奠定 了较好的基础。鉴于气体钻 井技术的巨大潜力， 该系统完善后， 可以在气体钻井 中推广应用， 对进一步降低国内气体钻井成本、 提高 国内钻井技术水平具有重要意义。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 赵业荣， 丁世宣， 袁孟嘉， 等 ． 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