高密度钻井液除气系统设计与模拟试验.pdf

一 1 0 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 0期 ●试验研 究 高密度钻井液除气 系统设计 与模拟试 验 刘 刚 朱忠喜 李 峰 冯 进 1 ．中国石油大学 华东 2 ．长江大学3 ．塔里木油田勘探事业部 摘要 针对高压气井使用的高密度钻井液受气侵后除气难度大的问题 ，设计 了室内模拟 2级 除气试验 台架 ，并给出了具体 的试验方案。应用计算流体力学软件模拟分离器 内流场分布情况， 优化和完善 了分离器结构和操作参数。结合室内实测数据分析认为，高密度钻井液 由于受高粘度 的影响 ，使得气泡滑脱逃逸能力降低 ，气泡浮于液相中的时间增加；重力式除气可 以清除大气泡 ， 离心式除气可以清除毫米级的小气泡，二者结合使用可 以很好地解决高密度 、高粘度钻 井液除气 困难 的问题 关键词 高密度钻井液 高粘度钻井液 分离器 除气 模拟试验 0 引 言 在高压气层钻井时 ，如果有高压地层流体侵入 井眼 ，钻井液就会受到气侵污染 ，使密度减小 。若 不能及时清除受污染钻井液中的气体而使之再次进 入井筒 ，将导致井筒内液柱压力下降 ，并使进入环 空内的气体进一步增多，加剧钻井液的污染程度。 如此反复循环 ，井筒 内的钻井液密度和粘度将越来 越小 ，气体滑脱 上移速度也越 来越快 J ，使 钻井 液处于一种气侵逐渐加重的恶性循环 中。因此 ，必 须及时采取措施 ，在钻井液受气侵污染后 ，在地面 及时清除，保证钻井液性能尤其是密度的稳定 ，避 免由此引发的钻井液柱压力降低和可能发生的井涌 和井喷事故，确保钻井和井控安全_ 2 J 。 在超高压气层钻井和井控时，需要采用高密度 钻井液 ，增大液柱的压力来平衡地层压力。为了保 证高密度钻井液体系的稳定性 ，一般会 同时提高钻 井液的粘度 。高密度 、高粘度钻井液的除气问题 比 常规钻井液要困难得多，特别是对小气泡的分离更 是难上加难。为此 ，笔者提出了 2级分离的方法 ， 用重力式分离器作为初级分离设备除去气侵钻井液 中的大气泡 ，而用旋流分离器作为 2级分离设备除 去小气泡 ，使得高密度钻井 液的性能达到人井要 求 。对气侵钻井液进行有效的气液分离也为当前高 温高压天然气井的安全钻进提供 了技术和装备 支 持 ，为三高油气藏的开发和增加产能创造了条件。 分析气液两相在分离器内的流动机理 ，对 了解 地面除气装置内的气体分离过程是十分必要的，同 时对 2级甚至多级分离器设计 也是十分重要 的。 目前通常是根据气液两相流动的控制方程 ，通过相 关流体力学数值计算软件进行数值试验 ，模拟分离 器 内受气体污染的钻井液分离流动规律 ，根据数值 模拟的结果优化设计分离器结构 ，之后进行室 内试 验 ，逐步修改和完善设计 内容。 1 分离器结构设计 钻井液的除气是一个多相分离问题 ，主要分为 重力沉降和离心分离 2大类 。重力沉降设备适用于 处理量大而固相浓度不高和颗粒不太小的悬浮液。 通常设计成方形 、圆形或锥形 ，分连续和间歇操作 2种。离心分离包括 被动离心分 离和主动 离心分 离 ，被动分离设备主要是旋流器，主动分离设备主 要包括离心机。不论采用何种原理来完成除气任务 的除气器 ，其基本 点都 是使处于钻井液 内部 的气 泡 ，通过各种方式的作用后 ，有充分的机会从钻井 液深处暴露到表面而破裂。在离心力的作用下产生 基金项 目国家科技支撑计划项 目 “ 三高气井井简压力控制技术” 2 0 0 8 B AB 3 7 B 0 2 ；山东省 自然科学 基金项 目 “ 高风 险井井控安 全评估及对策研究” Y 2 0 0 7 F 4 5 。 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 0期 刘 刚等 高密度钻井液除 气系统设计 与模 拟试验 湍流 ，钻井液被摊薄并产生滚翻，内部气泡被暴露 到表面破碎 ，或在与壁面碰撞时破碎。 由于两相流是复杂的多相流动 ，具有可变形界 面和可压缩的气相 ，同时，关于两相流及湍流的理 论研究还不完善。总体来说 ，国内外对气一 液分离 器的系统研究不多，分离器种类较少。对分离效果 只能做出定性评价，其设计也局限于半经验和直观 的归纳 ，设计周期长 ，费用高，分离效果 不理想。 国内油 田现场多应用重力式分离器 ，且大部分来 自 进 口，价 格 昂贵 。 1 ． 1 重力式气． 液分离器 重力式气 液分离器结 构简单 、无能耗 ，通常 作为 1 级分离设备。气液两相流体进入分离器后 ， 气泡在垂直方 向上主要受液体浮力 、粘性产生的阻 力和重力的作用 ，分离器 的上半部分被气体 占据， 而下半部分被 液体 占据。在处理高压 气侵钻井 液 时 ，清除高密度钻井液 中的大气泡效果较好 ，除气 效率一般可达 9 0 ％ 以上。 设计重力式气． 液分离器试验模型需考虑 以下 问 题①满足处理量要求；②液封高度； ③挡板距离 进 口位置对分离性能的影响；④斜板倾斜角度对分 离性能的影响。通过方案分析 ，初步设计 ，流体力 学数值模拟 ，不断改进设计方案和具体结构 ，优化 设计了重力式气一 液分离器室内试验模型，见图 1 。 图 1 重 力 式 气一 液 分 离器 1 一 出气 管路 ；2 一集气管 ；3 一上 罐 体 ； 4 一 下 罐 体 ； 5 一 旋 流 器 。 1 ． 2 离心式气． 液分离器 经初级分离后 ，大宗气泡 已基本清除，流出钻 井液中的含气量较低 、气泡直径较小 、分离的难度 也加大。通常采用离心分离 ，增加气泡的逃逸浮力 ， 克服钻井液的阻力。离心式气一 液分离器的结构简单 紧凑、质量轻 、占用空间小 、便于安装 ，且能耗小 、 分离效果好，除气效率一般可达 9 7 ％以上。 离心式气一 液分离器 试验模 型还需 要考虑 以下 几个问题 ①满足液体处理量要求 ；②液封高度 ； ③旋转转速对分离性 能的影响 ；④转鼓对分离性能 的影响。同重力式分离器设计过程一样 ，通过方案 分析 ，初步设计 ，应用计算流体力学软件对离心分 离器的内部流场进行数值模拟 ，不断改进设计方案 和具体结构 ，优化设计 了离心式气． 液分离器试 验 模型 ，见 图 2 。 图 2 离心式 气一 液分 离器 1 一 电动机 ；2 一上简体 ；3 ～液气进 口管 ；4 一 轴 ； 5 一导 液管 ； 6 一转鼓 ； 7 一 下筒体 ； 8 一 破旋 器 ； 9一 排 液 管 1 0 一 旁 通 管 ； 1 1 一 排 气 管 。 2 气一 液分离试验台架设计 2 ． 1 气一 液分离系统设计原则 1 在超高压气 井钻井 时 ，由于钻 井区域 的 不同，进入井筒的气量和液量也有很大差别。这就 要求地面第 1级分离器的处理能力应具有 比较宽的 适应范围，其处理气量和液量 的能力必须满足钻井 施工 需要 。 2 1 级分离器必须具有分离厘米 到毫米级气 泡的能力 ，实现大宗气体的分离。 3 1 级分离器分离出来 的气体必须具有一定 的干度 ，以减少钻井液损耗 ，保证火炬正常点火和 充分燃烧 。 4 2级分离器主要对毫米级及以下的小气泡 进行分离 ，小气泡分离在重力情况下需要很长的时 间。因此 ，采用主动旋流或被动旋流 ，通过产生较 高的重力加速度 ，加速小气泡的分离，缩短驻 留时 间，满足处理液量要求 。 5 由于 2级分离采用旋 流分离 ，为 了减轻 磨损和固相与设备的冲击碰撞 ，必须保证大粒径的 固相岩屑不能进入 2级分离器。所 以 1级分离器既 要妥善处理好 固液分离 ，又要保证沉降在 1级分离 器内的岩屑能被及时带走 ，不能聚集岩屑。 一 1 2一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 0期 6 当正常钻进 时，分离系统既 能正 常工作 又不增加泵压。 7 气一 液分离流程简单 ，结构紧凑 ，方便更 换易损件。 2 ． 2 试验室模拟分离系统试验台架 根据气． 液分离系统设计原则 ，进行了室 内气一 液分离系统的试验台架设计 ，如图 3所示 。 图 3 气一 液 分 离试 验 台 架 示意 图 2 ． 3 气． 液分离系统试验流程 1 在 1号和 2号搅拌罐 内按试验方案要求 配置钻井液 ，达到充分混合后 ，取样测量 ，记录钻 井液物性参数。 2 开动离心泵 ，从 1号搅拌罐 内抽取钻井 液 ，经泵增压后钻井液流经液体流量计一气一 液混 合器一重力式分离器一离心式分离器一2号搅拌罐 一1 号搅拌罐 ，构成循环流动。 3 空气经气泵 增压后通 过气 体流量计 和气 液混合器的气体分布头与钻井液混合 ，在流经气液 混合器 的过程中，气液两相充分均匀混合 ，形成气 液两相 流 。 4 气液两相流首先进入重力 式分离器 ，进 行 1 级分离 ，液相从下出 口排出 ，气相从上出口进 入排气管。 5 来 自重力式 分离器的液相进入离 心分 离 器，对钻井液中的残余气体进行深度分离，液相经 排液口流人 2号搅拌罐 ，气体经气相排气 口进入排 气管。分离气量由气体流量计 2计量 ，然后放空。 进入重力式分离器的液量 由液体流量计计量 ， 注入气量由气体流量计 1计量。通过调节控制阀 1 的开度 ，调节液体流量。 3 试验结果及分析 对 比油 田重力式气一 液分离器和现有试验条件 ， 确定原型与试验模 型之 间的关系。按 几何相似原 则 ，确定原型与试验模 型的相似 比为 1 3 ，工作 流量根据运动和动力相似原则 ，确定试验模型的处 理液量为 7 ． 7 2 L ／ s 6 6 6 ． 6 7 IT I ／ d ，等价于原型机 的处理液体量 6 9 ． 4 4 L ／ s 6 0 0 0 IT I ／ d 。泵为离心 泵 ，泵压 2 M P a时实际排量为 7～1 0 L ／ s ，满足试 验要求 。试验时，从 3个方面安排试验 目标 钻井 液密度 、粘度和排量对除气效果的影响。 3 ． 1 钻井液密度 在所采用 的试验条件下 ，采用 2组初始粘度相 同，初始密度分别为 1 ． 8 2和 2 ． 2 0 g ／ e m 钻井液进 行试验 。从采集的 2级除气后所得密度与原始密度 差值曲线图4来看 ，初始钻井液密度的大小对除气 效果没有显著影响，2种密度 的钻井液除气前 、后 的密度差相同。2组曲线的差异体现在 密度高的 钻井液经过 2级除气后密度差的波动要剧烈一些。 g U ● ＼ 柏 嚣 ． 一入 ． 一 ／ cm 、 ／ I 8 2 g ／ c m一 _◆_密 度 2 一 ‘崭 度 乎 均 值 图 4除 气 效 果 与 钻 井 液 密度 的 关 系 3 ． 2 钻井液粘度 为了分析钻井液粘度对 2级分离系统的除气效 果的影响，试验时分别采用 3种不同的漏斗粘度进 行试验。图 5是试验测得的 1 级和 2级除气后钻井 液密度变化情况 。调整钻井液粘度 时维持密度不 变。冈 6为除气效果与粘度 的关系。 综合图 5和图 6 ，有以下认识 1 钻井液初始粘度对除气后 的钻井液密度 及除气效果有直接影响 ，且除气后钻井液的密度随 初 始粘 度 的提高 而减 小 ； 2 重力式 除气 和离心式 除气的结合使用有 助于消除钻井液中的气泡 ，除气效果显著 ，明显地 提高了钻井液密度 ； 3 随着钻井液粘度 的提高 ，离心 除气 前后 钻井液密度差提高 见 图 5 ，这说明在所采用的 试验条件下 ，离心分离有助于提高高粘度钻井液的 除气效果。 钻井液粘度的提高 ，使得气泡滑脱逃逸能力降 低 ，不利于气泡上浮 ，泡沫悬浮于液相 中的时间延 长 ，这是气侵后的高粘度钻井液影响钻井以及井控 施工的关键因素。因为悬浮于液相 中的小气泡难以 采用重力式分离器分离 ，减 小 了钻井液 的有效 密 度 ，造成低密钻井液继续参与循环 ，是降低井眼系 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 l 0期 刘 刚等 高密度钻井液除 气 系统设计 与模 拟试验 统液柱压力 的决定因素。 、 2 ． 2 5 2 ．0 I 8 稍 l 6 ，、 2． 2 g 2 ．0 I 8 船 l 6 2 O 】 ． 8 1 ． 6 辩 1 4 5 l 0 1 5 2 0 25 测 点时 问序 列 a 渊 斗粘度4 0 s 时 测点 时 序 州 b 漏 斗粘 度7 5 s N 测 点时 间序 列 c漏 斗 i 度 1 0 0 s 时 图 5 钻 井液 粘度 对除气效果的影响 3 O 4 5 6 O 75 9 0 l 0 5 漏斗 粘度／ s 图 6除 气 效 果 与 粘 度 的 关 系 3 ． 3 钻 井液排 量 除气效果与钻井液排量 的关系如图 7所示 。试 验时流量一般 由高到低进行 ，且随着试验时间的延 图 7 除气效果与排量的 关 系 长 ，钻井液在试验循环管路 中不断循环 ，每次循环 1 个周期开始时钻井液起始密度 因未完全将气体清 除而降低。加之 由于罐面充满气泡 ，很难准确测量 罐 内钻井液密度 ，试验结论可能具有一定局限性 。 从 图 7可 以看 出 1 低粘度条件 下 ，重 力式 除气 和离心式 除 气后钻井液密度基本不随流量变化 。 2 高粘度条件下 ，重力式 1级除气效果 随 流量的减小而减弱 ，离心式 2级除气效果随流量 的 减 小 而增 强 。 由于受离心泵剪切发泡和充气时间对人 口密度 降低的影响，上述结论可能会与理论分析结果不同。 4 结 论 1 钻井液粘度 的提高 ，使 得气泡 滑脱 逃逸 能力降低 ，不利于气泡上浮 ，泡沫悬浮于液相中的 时问延长 ，这是气侵钻井液影响钻井以及井控施工 的关键 因素。 2 钻井液粘度 对除气后 的钻 井液密度及 除 气效果有直接影响，除气后 的密度随粘度的提高而 减小。 3 随着漏 斗粘度 的提高 ，离心 除气前 、后 的钻井液密度差 提高 ，这 说 明所 采用 的试验 条件 下 ，离 心分 离 有 助 于 提 高高 粘 度 钻 井 液 的分 离 效果 。 4 在所采用 的试 验条件下 ，钻井 液密度对 除气效果没有明显影响。 [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 冯进，刘刚，张慢来，等 ．高密高粘钻井液四 相分 离技 术研 究 [ J ]．过 滤 与分 离，2 0 0 6 ，1 6 1 2 42 8 ． 袁波，刘刚，戴爱国，等 ．高温高压天然气井 常见问题 及安全 钻井工 艺 [ J ]．国外油 田工程， 2 0 0 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