處理含H2S的鉆井密閉循環系統的研究方案

(中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司 河南 新鄉 453700)

引言

根據當前的技術發展，可以有以下兩個選擇，采用四相分離器或者采用逐級分離的獨立的模塊對不同相進行分離。

一、四相分離器的組成、原理

(一)組成

在研的WS1.6-6-1.5/1型鉆井用臥式油、氣、液、固體四相分離器,設計目標是為下一步復雜欠平衡鉆井工藝提供技術支撐。該型鉆井用四相分離器區別于油氣井地面測試用三相分離器和油田采輸用的四相分離器。與后兩者相比,前者不僅是簡單的改變體積和管道布局,而是針對其應用需要設計了許多特殊功能。該分離器由取樣器、漩流分離筒、油水分離隔板、油水分離堰板、噴淋管線、排液/排油泵管組、排氣管線、固相輸出管道以及清砂機構組成。

(二)工作原理

對于油、水、固、氣四相的分離均采用離心原理，并在氣液分離時采用化學消泡劑，油水分離時配合化學藥劑和其它化學藥劑進行萃取分離。

二、組合式分離

組合式分離采用的是逐步分離的方法：首先應當把從井口返出的鉆井液排到一個承壓能力相對比較高的密閉容器里。因為在用的四相分離器工作的時的負荷壓力比較小(1.5mp)，而且四相分離器在處理返出鉆井液的時候都是井口裝置直接連接到四相分離器上。而且鉆井液排量隨時變化，這樣就不能保證四相分離器的工作效率，這樣會存在很大的安全隱患。因為，一旦壓力增大，不但對井身安全造成威脅，而且對四相分離器也造成了威脅。所以，筆者認為在井口與四相分離器之間建立一個緩沖容器是非常有必要的。這個緩沖容器能夠承受比較大的壓力變化窗口，再者這個緩沖容器也可以對形成負壓環境(真空)，對鉆井液中的氣體做一次脫氣處理。這樣，即使在鉆井工程當中發生溢流、漏失等復雜情況的時候也不會損壞四相分離器的某些器件。

(一)分離系統流程方案一

采用二級分離，一級分離器采用被動式旋流+重力斜板沉降，二級分離器采用主動旋流方式。

(二)分離系統方案二

與方案一的差別在于二級分離器的流體進口位置，這主要是二級離心分離器的結構要求。

(三)氣液分離器方案

氣液分離作為四相分離器的分離設計重點。因為，H2S有劇毒性、酸性和腐蝕性，所以此級分離也將成為分離器分離的核心部件。

1.一級氣液分離方案

一級分離器有上下兩個入口，可適用于不同含氣量的情況。當鉆井液含氣量高時，關閉下入口，讓鉆井液只從上入口進入。當僅含少量小氣泡時，開啟下面閥門，鉆井液由下入口進入。鉆井液出口有兩個，即側面出口和底部出口，底部出口主要用于排出巖削和少部分鉆井液，而大部分泥漿從側面出口排出并導入二級分離器。分離器底部為錐形,以防止固相在分離器內沉積。

該方案主要利用環空上返流體的能量，使流體強旋，以提高分離效果,其余與一級分離器方案一相同。

2.二級氣液分離

氣侵鉆井液經過一級氣液分離器以后,分離出大宗氣體和大氣泡，同時固相巖屑由重力式分離器的底部出口排出,避免進入二級分離器。離心式分離器作為二級分離設備，主要處理彌散在鉆井液中的小氣泡。根據不同分離系統方案，提出以下三種離心分離器設計方案。

①葉輪式離心分離器。葉輪式離心分離器，底部進液，上方出液，上部用擋板隔成氣腔，可滿足分離系統一對二級分離器結構的要求。分離器頂部裝有電機，通過減速器驅動空心軸，從而帶動葉輪高速旋轉。當鉆井液從底部流入殼體的環形空間后，葉輪隨空心軸旋轉時，使鉆并液繼續作圓周運動,從而形成一個離心力場，加速度一般在20～40g之間。鉆井液內的小氣泡在離心力作用下向軸心方向運動,通過軸上開口進入軸的空心流道并在氣腔聚集。

②轉筒式離心分離器方案。上方進液，底部排液，可滿足分離系統二對二級分離器結構的要求。分離器頂部裝有電機,通過減速器驅動空心軸，帶動轉筒旋轉。進入分離器的鉆井液由于自重落到高速旋轉的轉筒上端面時，被甩向四周，在殼體內壁形成鉆井液紊流薄壁并螺旋向下流動，最后經排液口流出。在鉆井液薄層內已形成很強的離心力場，氣泡在離心力作用下迅速向軸心方向運動，由轉筒側面上的小孔進入轉筒，并進入軸內的空心流道，經排氣口流出。

③旋流分離器。該種分離器屬于被動式離心分離器，可運用在系統方案三中。通過砂泵增壓的鉆井液從進液口流入螺旋流道，在流道的束約下高速旋轉，產生巨大離心力，從而實現氣液分離。分離出來的氣體通過空心軸由排氣口排出。

三、鉆屑和處理后鉆井液的排出處理

處理后的鉆井液可以通過管匯存儲在密閉的泥漿罐里。在泥漿罐頂部可以設置一個閥門和一個檢測器，當鉆井液達到某個高度的時候關閉閥門，讓鉆井液流入另外一個泥漿罐。進而進一步使用，因為經過處理后的泥漿的氣相和固相含量已經經過處理。

因為已經有了第一步的除氣處理，殘留的氣體含量已經大幅度降低，所以鉆屑可以在密閉環境下在經過振動篩后可用粉碎機粉碎成比較小的固相顆粒(小的固相顆粒可以保證壓實后的巖屑小的孔隙度)，然后壓實通在密閉條件下排出。

這種方案采取在壓實條件下用鉆頭鉆取來排出巖屑。壓實后巖屑的孔隙度大幅度降低，其攜帶硫化氫的量將大幅度減少，這為進一步處理巖屑提供安全保障。

四、結束語

1.鉆井用四相分離器可以在產油地層鉆井作業、欠平衡作業以及封閉式欠平衡作業中發揮重要作用。

2.待其開發應用進入成熟階段后,通過進一步改進結構,鉆井用四相分離器具有擴展為物理除泡設備的潛力。

3.鉆井用四相分離器的開發和應用對進一步發展欠平衡以及其它相關特色技術有著至關重要的影響。而真正的核心技術是買不來的,只有通過科技創新,擁有自主的知識產權的產品,才能提高我們競爭力,跟上世界鉆井技術的步伐。

4.采用鉆井用四相分離器能有力的支持我國對于含硫底層采取欠平衡技術進行開采，無論是從節約成本、保護儲層、提高油氣產量等方面都有重要的意義。