控制氣體鉆井粉塵排放密閉循環分離系統的探討

向雪琳（川慶鉆探工程有限公司井下作業公司）

目前氣體鉆井通常采用出井氣體直接排放的方式[1-3]，這一常規做法由于安全和環境風險較高，使氣體鉆井的應用受到一定限制，在頁巖氣的開發中尤為突出。常規氣體鉆井通常使用液氣分離器，這種兩相分離器只適用于單相流鉆井，不能有效抑制粉塵，也不能實現油氣分離，返出氣體中若含有天然氣或硫化氫則排放至點火池進行燃燒處理，該工藝存在較大安全和環境隱患。針對常規氣體鉆井巖屑處理弊端，威德福公司研發出一種密閉循環Sentry系統，成功實現了氣、液、固的三相分離。

1 密閉循環分離技術

氣體鉆井密閉循環系統，與常規氣體鉆井直接將返出流體排放到土建泥漿池的方法不同，它是將返出流體儲存在系統內，氣、液、固相物質被分別處理后直接排放或點火排放[4]。整個處理過程在密閉條件下完成，有效地減少了常規氣體鉆井引起的土壤、水質的污染，以及大量粉塵對作業人員健康的危害。

傳統氣體鉆井有諸多難點，采用密閉循環技術后，都可得到有效解決，Sentry 系統應用于氣體鉆井主要解決以下問題：

1）氣體鉆井產生的大量粉塵。密閉循環系統通過注水分離技術，有效去除返出流體中的大量粉塵顆粒。

2）回火危及到人身安全。密閉循環系統采用密閉燃燒，并采用自動點火，有效解決了回火帶來的安全隱患。

3）氣體鉆井導致土壤和地下水污染問題。采用密閉循環分離系統不需要土建泥漿池，避免了相關的環境污染風險。

2 結構組成與工作流程

Sentry 密閉循環分離系統（圖1）[4]是在密閉罐內通過注水方法實現密閉罐內氣、液、固三相的分離，經過分離的固、液混合流體通過單獨流動通道輸送至不同處理裝置進行處理，氣體直接排放或點火燃燒排放。

圖1 Sentry密閉循環分離系統

Sentry 系統主要由兩個橇裝單元組成。其中一個橇裝單元是集水泵，主要為整個處理流程提供循環水源，這種集水泵使水源在系統內部反復循環，通過預先潤濕返出管線內的巖屑表面，來改善粉塵抑制效果。集水泵采用可編程邏輯控制單元，與液位計組合使用，自動保持分離系統內液位的恒定。

第二個橇裝單元由一個大型密閉罐和分離系統組成。從井口返出的巖屑、氣體、液體通過氣體鉆井的排砂管線進入密閉罐進行巖屑的分離處理。密閉罐內設計了鏈式擋板，當返出流體經過膨脹式進口時，鏈式擋板能有效去除罐底沉積的大部分固相顆粒，返出流體經過鏈式擋板后，水滴噴頭噴水潤濕微粒表面，同時使氣體從較大固相物質中分離出來。

密閉罐能有效控制氣體點火時回火引起的爆燃事故。密閉罐內設計了一個內罐，包括：背板式分離器，用于從水中分離原油和細微顆粒，保證了經過處理后的氣體達到直接排放標準。防霧裝置，能有效去除排出氣體中的水霧，確保排出氣體為純凈干氣。該系統處理液體能力達到124 m3/h，處理純氣能力達到169 m3/min。

Sentry密閉循環分離系統流程見圖2[4]。

圖2 Sentry密閉循環系統流程圖

3 現場試驗

Sentry 密閉循環分離系統首次在美國賓西法利亞州Fayette縣現場試驗了3口井（圖3），空氣鉆井總進尺達到6548 m，系統運行良好。

為了監控密閉循環系統應用效果，為試驗井建立了績效指標，包括測試并操作儲罐，確保自動液位功能，按照固相處理極限能力進行試驗，在正壓損失或甲烷讀數達到爆炸極限條件下，驗證點火系統。

圖3 Sentry密閉循環分離系統現場應用

3口試驗井井身結構相同。試驗1井共鉆4個井段：508 mm井眼鉆至99 m；381 mm井眼鉆至161 m；276 mm 井眼鉆至693 m；200 mm 井眼鉆至2072 m。試驗3井總井深2519 m，試驗井現場無放噴池，利用密閉循環系統將氣體中的固相成功分離出來，順利實現放噴點火，密閉循環分離系統在3口井運行穩定，達到了設計要求。

4 結論

1）密閉循環分離核心技術是通過注水在罐內實現氣、液、固分離，分離后的流體通過不同流動通道運輸至由不同裝置進行處理。根據氣體介質的不同，可采用直接排放或點火排放的方式。

2）采用密閉循環分離系統，現場無需建造泥漿池，極大地減少了氣體鉆井過程中粉塵的釋放，有效防治了粉塵對健康的危害，控制了環境污染，降低了作業成本。

3）密閉循環分離系統適用于空氣鉆井、控制壓力鉆井和欠平衡鉆井，在3口空氣鉆井井眼試驗中，通過對水源質量、粉塵、空氣質量和數據采集的有效控制，取得良好應用效果。

4）氣體鉆井技術結合新型密閉循環分離系統，解決了常規氣體鉆井粉塵排放的難題，作業更加環保，安全風險降低，對國內氣體鉆井技術的發展具有一定的借鑒意義，可嘗試在頁巖氣開發中進行推廣應用。

[1]李軍,柳貢慧,韓烈祥.氣體循環鉆井工藝系統研究[J].鉆采工藝,2010,33(3):48-50.

[2]竇金永.氣體鉆井專用連續循環系統的研制[J].石油礦場機械,2014,43(1):66-69.

[3]許期聰,鄧虎,周長虹,等.連續循環閥氣體鉆井技術及其現場試驗[J].天然氣工業,2013,33(8):83-87.

[4]David Vieraitis,Craig Lagrandeur,Bansal R K.Sentry closedloop separation system for air drilling[C].Drilling Engineers Association Meeting,2012.