海上鉆井井控期間液氣分離器處理能力研究

任美鵬 楊向前 劉書杰 王元嬌 丁礦

1. 中海油研究總院有限責任公司；2. 中國石油物資公司

鉆井液氣分離器是鉆井過程中重要的井控設備，用于井內可燃氣體、有毒有害氣體安全排出，如果使用不當，鉆井液流速和氣體流速超過了分離器的處理能力，將引起災難性事故，例如，2010年墨西哥灣深水地平線井噴爆炸事故中，井噴流體超過分離器處理能力，導致可燃氣體到達平臺，引起平臺爆炸等一系列特重大事故。

國內外最新的井控標準［1-2］規定了分離器的處理能力和連接管線尺寸，但是一些老舊修井平臺的分離器并不滿足最新的標準要求。目前，鉆井液氣分離器主要參考的相關標準是針對生產過程中油氣分離器［3-5］，與鉆井過程的環境差別較大，另外，鉆井液氣分離器處理能力與排氣管線的尺寸和長度等因素有很大關系，導致按照標準設計的分離器與實際處理能力差別較大。相關文獻對鉆井過程中的液氣分離器也進行了研究，Macdougall等［6］給出了鉆井井控期間最大液體和氣體流量估算方法，考慮管線尺寸和液封段給出現有分離器處理能力，殼牌公司［7］進行簡單修改寫入井控手冊。馮宇［8］針對設計人員根據標準規范設計的分離器，再根據經驗及工程需要進行修正，針對有時最終所選設備會比計算結果大很多、造成不必要的浪費等情況，綜合多種計算方法得出氣液分離器的設計計算方法；劉孝光等［9-10］探討了重力分離器的分離機理，并給出了液封段高度的計算方法；雷宗明等［11］根據分離器內部氣體受力情況，給出了液體最大處理量；Williamson等［12］評估了鉆井液的性能對氣泡的夾帶，液封段的高度等。Butchko等［13］對底部開口式分離器進行了分析；張玉山等［14］給出了影響重力式氣液分離器處理能力關鍵因素。以上文獻，對井控期間最大液體和氣體的流量估算主要根據經驗系數，分離器的處理能力只給出了考慮單因素情況下的處理能力。

筆者綜合分析分離器的直徑、高度，連接管線的尺寸和長度，液封段的高度，鉆井液性能，分離器內部氣液流速以及分離器的沖蝕等對其處理能力的影響，給出了鉆井井控期間分離器失效的關鍵風險因素，得到了分離器失效的4種形式，結合鉆井現場情況給出了合理的分離器改造措施，保證鉆井井控期間液體分離器安全可靠運行。

1 海上鉆井液氣分離器工作原理及類型

氣液分離器分立式和臥式2種類型，立式氣液分離器適用于從高氣液比混合物中分離液體，臥式氣液分離器適用于從低氣液比混合物中分離氣體。立式分離器占地面積小，因此在海上鉆井平臺上廣泛應用。立式分離器根據不同的液面控制方式分為液封式和閥控式(浮子型)，液封式立式分離器海上平臺應用較多［15-16］。

液氣分離通常分為3個階段［8］：第1階段為預分離，即利用氣體中所夾帶液體的動量使大的液滴與入口擋板碰撞，然后利用液滴自重沉降下來，從而將氣液分成以氣體為主和以液體為主的兩個部分；第2階段為二次分離，較小液滴利用重力分離；第3階段為除霧，小的液滴在捕霧器處聚集成較大的液滴，然后靠重力實現氣液的分離。海上平臺常用的液封式立式分離器主要包括前兩個階段的分離。

立式液封式鉆井液氣分離器主要包括分離器總成、安全監控裝置和連接管線，內部可以配置絲網捕霧器、入口換向器、防沖擊擋板等。分離器總成，也就是罐體，主要提供氣液分離器的空間和滯留部分鉆井液，保證氣液的充分分離，罐體的直徑及高度是決定分離器處理能力的主要因素；安全監控裝置包括安全閥、壓力表、人孔和防虹吸管等，其中安全閥和壓力表防止分離器罐體超壓，通過人孔觀察分離器內部情況，防虹吸管防止罐體內部的鉆井液被虹吸排空；連接管線包括進液管、排氣管、排液管和排污管，其中排氣管線和排液管線的尺寸和長度在很大程度上影響分離器的處理能力。

2 鉆井井控期間井口氣液噴量的計算

鉆井液氣分離器的應用可以分為2種情況進行討論。一是溢流階段和循環壓井階段，鉆井液氣分離器主要用在壓井循環期間，在溢流階段也可能用到，例如2010年墨西哥灣井噴事故就在溢流階段應用了分離器；二是放噴(可控制的放噴)和敞噴(井口防噴器和節流管線失效無法控制井口)階段，雖然該階段是否能用分離器并沒有明確規定，但有時可能會用到。

模擬分析鉆井井控期間井口氣液噴量采用的基本參數為：井眼直徑0.311 m，井深2 200、4 470 m，鉆井泵排量為0.5、1、1.5、2、2.6 m3/min，負壓差2、3、5 MPa，溢流體積1、5、8、10、15 m3，壓井泵排量0.8、1 m3/min。

2.1 鉆井液最大流量估算

正常鉆進期間，鉆井液返出流量等于鉆井泵排量，在發生溢流后，返出流量應等于鉆井泵排量與溢流量之和。壓井循環期間，鉆井液返出流量應等于壓井泵排量與環空中氣體向上運移膨脹速度之和，有些學者［6-7］認為司鉆法壓井的環空壓力比其他壓井方法大，根據狀態方程，認為司鉆法壓井期間液體的最大流量比其他壓井方法的最大流量大，并推薦最大鉆井液流量為壓井泵排量的2倍。但經過多相流井控軟件模擬，工程師法壓井的鉆井液返出流量較大，并且氣體的流量也較大(圖1、2)，主要是因為工程師法壓井的環空壓力較小，導致環空中的氣體膨脹較大，截面含氣率也較大，根據質量守恒原理，氣體膨脹增加的體積把更多的鉆井液排出環空，從而增加了鉆井液返出流量。這與鉆桿內容積和環空容積大小有關，在工程師法壓井期間，如果在加重鉆井液到達鉆頭之前，氣體已經到達井口，則氣體和液體的最大流量跟司鉆法相同。

圖1 壓井期間氣體流量對比Fig. 1 Comparison of gas flow rate in the period of well killing

圖2 壓井期間鉆井液流量對比Fig. 2 Comparison of drilling fluid flow rate in the period of well killing

由表1模擬結果可看出，深井壓井階段鉆井液最大流量不超過壓井泵速的2倍；淺井壓井階段鉆井液最大流量可能超過壓井泵速的2倍，具體取決于溢流體積的大小，因為溢流體積越大，鉆井液排出速度越大；正常鉆井期間發生井噴，關井之前的鉆井液最大流量可能大于鉆井泵速2倍。工程師法在壓井階段井噴速度略大于司鉆法，如果在工程師法壓井期間，在壓井初期氣體前沿離井口較近時，氣體到達井口的時間早于加重壓井液到達井底時間，則工程師法和司鉆法的最大井噴液體速度相同。

表1 井控期間液體流量模擬結果Table 1 Simulation result of liquid flow rate in the period of well control

2.2 氣體最大流量估算

殼牌井控手冊［7］給出了井筒全為氣體井控期間最大氣體流量的計算方法，首先，假設井筒全為地層氣體，基于地面和地層情況預測最大的地面壓力，然后根據壓井泵排量和最大地面壓力，基于Boyle定律計算最大氣體流量。在本文條件下，應用殼牌井控手冊方法計算的氣體最大流量分別為56.63×104m3/d和76.46×104m3/d，而根據多相流井控軟件計算的壓井期間氣體最大流量都小于殼牌井控手冊方法計算的結果(表2)。

表2 井控期間氣體流量模擬結果Table 2 Simulation result of gas flow rate in the period of well control

3 鉆井液氣分離器的能力評估

鉆井液氣分離器不同于生產和集輸的油氣分離器，所使用的環境和流體特性也不同，因此，鉆井液氣分離器失效形式有其本身的特點，通過調研鉆井液氣分離器失效事故，結合分離器的構造及分離原理，得出鉆井井控期間液氣分離器存在4種失效形式。(1)鉆井液被高速氣流從排氣管攜帶排出。井控期間出氣量特別大時，由于分離器罐體的內徑比較小，在罐體內的氣體速度超過了臨界攜液速度，鉆井液被高速氣流從排氣管線攜帶排出。(2)氣體從排液管線排出。此失效形式存在2種情況，一是氣量特別大，排氣管線內徑小，管線長，排氣管線的循環摩阻產生的壓降超過液封段靜液壓降，氣體以連續相形式從排液管出口排出；二是鉆井液流量大，在分離器內的滯留時間短，氣液分離不充分，鉆井液中含有的小氣泡隨鉆井液排液管排出。(3)液體從排氣管直接排出。鉆井液流量大，為了克服排液管線的能量消耗，液面上升，有可能出現液相從排氣管排出。(4)分離器的沖蝕。井噴期間鉆井液和氣體流速比較大，并且鉆井液含有巖屑等固體顆粒，對分離器的壁面產生沖蝕。

3.1 鉆井液從排氣管攜帶排出情況分析

鉆井井控期間，液氣混合物通過節流管線進入分離器，分離器內徑大，氣體流速降低，選擇合適的分離器內徑把氣體速度降到臨界攜液速度以下，保證氣液初級分離順利進行，這是重力式分離器遵循的基本原理。如果出氣量特別大，分離器內部的氣體速度超過臨界攜液速度，鉆井液被高速氣流攜帶從排氣管排出，分離器失效。目前分離器的設計遵循標準SY/T 0515—2014《分離器規范》，其中氣體的處理量是根據Stokes定律給出的，公式中用到氣體密度，而氣體密度與分離器實際的內部工作壓力有關，工作壓力是氣體流過排氣管線的循環摩阻產生的。

式中，Va為最大允許表觀流速，m/s；ρl為操作條件下的液體密度，kg/m3；ρg為操作條件下的氣體密度，kg/m3；K為常數，取決于設計和操作條件，具體取值可參考標準；p為分離器分離期間的內部壓力，MPa；γg為氣體相對密度；Z為氣體壓縮因子；T為溫度，K。

除了氣體的組成成分外，排氣管線的內徑和長度決定了其摩阻的大小［17］

式中，Δp為摩阻壓力，MPa；f為氣體與管體摩擦因數；L為管線長度，mm；D為管線直徑，mm；v為氣體流速，m/s；ρ為排氣管線中氣體密度，kg/m3。

海上鉆井平臺的分離器排氣管線一般沿井架引至頂部，并高出天車至少3 m，管線有效長度是排氣管線的長度加上各種彎角的等效長度［6］。標準要求排氣管線直徑不小于152 mm(6 in)，現場一般為203 mm(8 in)。預估的井控期間的產氣量越大，所需的分離器內徑越大。排氣管線直徑越小，循環摩阻越大，分離器工作壓力越大，導致氣體的密度越大，所需的分離器的直徑越小，越不容易產生鉆井液從排氣管攜帶排出的情況。海上平臺空間小，在滿足處理能力的前提下，分離器體積盡量小，這就需要排氣管線長度越長、直徑越小越好，但這樣會導致分離器的工作壓力增大，出現其他失效形式，這是不允許的。因此，在海上平臺空間允許的情況下，在防止鉆井液從排氣管直接攜帶排出的前提下，應盡量增加分離器的內徑。表3為不同氣量和管線直徑條件下計算的分離器直徑。

表3 不同氣量和管線直徑下所需分離器內徑Table 3 Separator ID corresponding to different gas flow rates and pipeline diameters

3.2 氣體從排液管線排出情況分析

3.2.1 氣體以連續相從排液管排出

氣體以連續相從排液管排出是分離器失效的主要形式之一，也稱為串噴，是最危險的形式之一。分離器工作期間，氣體通過排氣管線的循環摩阻產生的壓降超過液封段靜液壓降，將以連續相形式從排液管的出口排出。海洋鉆井手冊要求液封段高度至少3.05 m，但是現場有些分離器內液封段高度達不到3 m，導致氣體很容易從排液管線排出。液封段內液體的密度隨著井噴過程或者壓井過程發生變化，發生油氣侵液封段充滿原油時液封段靜液柱壓力最小，氣侵的液封段密度接近鉆井液密度，水侵的液封段密度更接近鹽水密度。

假設液封段為水，高度3.05 m，靜液柱壓力約為0.029 9 MPa。排氣管線直徑0.203 m條件下，排氣管線有效長度57 m、出氣量50×104m3/d時，產生的分離器內相對壓力0.035 9 MPa已經超過靜液柱壓降，會出現串噴；但是如果排氣管線縮短到30 m，同樣的出氣量就不會出現串噴現象(表4)。排氣管線有效長度［6］可以通過改變彎接頭形式和管道變徑等方式而改變，最有效的縮短有效長度方式是增大排氣管的直徑。

表4 井控期間分離器內相對壓力Table 4 Relative pressure inside the separator in the period of well control

3.2.2 氣泡夾帶在液體中排出

在初級分離之后，分離器的上半部分被氣體占據，而下半部分被液體占據，部分小氣泡隨鉆井液下落到分離器下半部的液體中。分離器設計過程中，會考慮一定的滯留時間，讓液體中的小氣泡逃逸出來，如果分離器內液相段內的氣體上升速度小于液體下降的速度，將導致液相分離不充分。有學者［6］推薦氣體在鉆井液中上升速度為2.56 m/min，根據泡狀流計算公式計算的氣泡上升速度為12～18 m/min。

結合井噴流量模擬結果，得出壓井階段的鉆井液速度都小于2.56 m/min，不會發生氣泡被液體攜帶從排液管線排出。但是，在溢流階段，模擬條件下分離器內鉆井液下落速度都大于2.56 m/min，而且都小于12～18 m/min，見表5，此時，氣泡是否被液體攜帶排出，需要根據實際情況進行評估，因為氣泡在鉆井液中上升速度跟鉆井液的黏度等因素有關。有學者認為［18］高密度鉆井液由于受高黏度的影響，使得氣泡滑脫逃逸能力降低，氣泡浮于液相中的時間增加。

3.3 鉆井液體從排氣管直接排出

鉆井液通過初級分離后，下落到分離器下部，鉆井液需要克服排液管線的循環摩阻排出。如果鉆井液流量特別大，會出現鉆井液從排氣管直接排出，或者鉆井液靜液柱壓力超過分離器工作壓力，從安全閥排出。例如2010年墨西哥灣深水地平線鉆井平臺爆炸事故，在井噴期間大量鉆井液進入分離器，超過液體處理能力，直接從排氣管線和安全閥連接管線排放到平臺。如圖3所示，為分析鉆井液是否能從排氣管直接排出，根據工程流體力學，對截面1和截面2列伯努利方程，假設2個斷面之間存在3個彎接頭，兩截面間的排液管線總長15 m，則

表5 分離器內液體下落速度Table 5 Liquid’s falling velocity inside the separator

式中，Z1為兩截面之間的高程，m；p1、p2分別為截面1、截面2的壓力，Pa；ξ為局部阻力系數；λ為排液管阻力系數；L為排液管長度，m；v2為排液管流速，m/s；ρ為液體密度，kg/m3；d為排液管直徑，m。

圖3 分離器內鉆井液排出Fig. 3 Drainage of drilling fluid out of the separator

井控標準要求分離器液體處理能力要達到3 m3/min，鉆井液滯留時間為1 min，這就要求分離器下部的有效液相段體積至少為3 m3。現場所用的鉆井液氣分離器有效高度大約3.6～7.0 m，假設內徑1 m的分離器，液相段就占據了3.3 m，氣體段的長度一般在2～3 m，而鉆井液從分離器內部排出需要有一定的壓頭，將壓能轉化為動能。表6為根據式(4)計算出的不同直徑排液管流量與分離器液體高程的關系，可以看出，要達到液體處理能力3 m3/min的標準要求，如果排液管直徑0.127 m，液體高程需要3 m多，此時鉆井液會把氣體段全部占據，氣液混合物進入排氣管線，而排氣管線的氣體速度比較大，超過臨界攜液速度，將鉆井液從排液管線排出。如果排液管線為0.203 m，液體高程不到1 m就可以滿足標準要求，不會發生液體從排氣管線排出。另外根據第一部分溢流階段和壓井階段的計算得，鉆井液的排量有可能要超過標準的要求。因此，在分離器大小一定的條件下，盡量選用大直徑排液管，減少彎頭的曲率半徑，減小循環摩阻。

表6 分離器排液管液體流速與液體高程的關系Table 6 Relationship between liquid flow velocity and liquid elevation inside the drainage pipe of the separator

3.4 液氣分離器的沖蝕分析

鉆井井控期間，流動介質為氣液固三相流動，流體中的固體顆粒對分離器產生沖蝕，鉆井液氣分離器的沖蝕以局部磨損為主，正對進液管的分離器內壁面沖蝕最為嚴重。沖蝕率跟流體速度、流體固相含量、進液管的尺寸等因素有關，結合現場狀況和理論分析，分離器的沖蝕原因主要包含2種情況，一是高速粒子對壁面產生沖擊造成變形磨損，二是粒子對壁面的切削磨損。

3.4.1 進液管尺寸分析

進液管尺寸決定了進入分離器流體的流速，如果進液管內徑較小，流體流速高，分離器沖蝕就嚴重。鉆井井控期間存在大量天然氣，流體進入分離器后會迅速膨脹，存在焦耳-湯姆遜效應。流體進入分離器后壓力迅速下降，溶解的氣體析出，增加氣體流量。為減輕上述問題，要控制進入流體的動能。結合鉆井井控期間氣液流速，根據式(5)得到所需的進液管內徑見表7，可以看出，所需的進液管內徑都較大，標準要求進液管內徑不小于0.127 m，現場安裝的進液管內徑一般在0.102～0.203 m(4～8 in)，可以滿足氣量不大的情況，如果氣量特別大，即使分離器處理能力滿足要求也會帶來沖蝕等問題。

式中，Vg，Vl分別為氣體與液體體積流量，m3/h；Dp為進液管內徑，m。

表7 分離器進液管內徑及混合物速度Table 7 ID and mixture velocity inside the incoming pipe of the separator

3.4.2 分離器沖蝕分析

國際上對沖蝕磨損的評判主要采用API RP-14E石油行業流體管道流動沖蝕設計準則，針對沖蝕磨損給出了臨界沖蝕速度的經驗公式［19-20］

式中，C為經驗常數，對于氣液兩相連續流取100、間斷流取125，對于氣液固三相連續流取150～200、間斷流取250；ρm為工作壓力和溫度下氣液兩相混合密度，kg/m3。

鉆井井控條件下臨界沖蝕速度一般為10～20 m/s，而井控期間在不同進液管直徑時，氣液的混合速度都超過了20 m/s(表7)，并且鉆井液中含有大量巖屑等固體顆粒，存在嚴重沖蝕問題，因此，分離器內部正對進液管的部位應該安裝防沖蝕板，減少對分離器壁面的沖蝕。

3.5 鉆井液氣分離器其他方面分析

分離器屬于壓力容器，應按照標準要求安裝安全閥。分離器的安全閥屬于頂端導向安全閥，這種安全閥使用時不允許有任何背壓，允許溢出的氣體在安全閥周圍擴散，不必將排放管接到遠處。分離器上的安全閥排放管，只需接一個能通向大氣的排放彎接頭或者一個通向大氣短管即可，對于海上平臺宜引向舷外，固定式平臺應考慮風向。安全閥的出口不能朝向設備、平臺、梯子、電纜等處。

液封式分離器的排液管的液封高度宜3～5 m，應具有防虹吸管，虹吸管高出液封段0.5 m以上，海上平臺宜將虹吸管線跟排氣管線連接，防止進液量過大從虹吸管排出。如果條件允許，可以安裝液封管線與分離器內部的差值壓力表，可以檢測液封段內液體量的情況，防止分離器排空。

分離器的工作壓力范圍較小，宜安裝量程小的壓力表。液氣分離器的排氣口應設置阻尼板，進液管宜安裝防沖擊板；分離器底部應具有0.3 m左右的排污槽，并設置人孔，便于工作人員觀察分離器內部情況和清潔分離器。

4 案例分析

海上某油田溫度梯度為3.50 ℃/100 m，原始地層壓力系數為0.99～1.03，屬于正常溫度和壓力系統。地層壓力約11.3 MPa，油藏溫度約50～70 ℃。鉆井液氣分離器的尺寸不符合現有標準要求(見表8)，需要對其能力進行重新評估，并提出改進措施。

表8 某油田鉆井平臺分離器的基本數據Table 8 Basic data of the separator at the drilling platform of one certain oilfield

首先，從井控標準看，鉆井液氣分離器的直徑、工作壓力和高度是滿足要求的，根據標準SY/T 0515—2014計算分離器液體最大處理量為142 m3/h，氣體最大處理量為41×104m3/d，也滿足要求，但是，分離器排氣管線內徑較小，結合液封段高度，利用本文的分析方法，得到氣體的處理量只有7×104m3/d，不滿足要求。

此分離器主要是出現串噴限制了分離器的氣體處理能力，在分離器直徑和高度一定的情況下，可通過增大排氣管線的內徑，或者增大液封段的高度等方式，提高分離器的氣體處理能力。將排氣管線內徑增加到203 mm，氣量達到50×104m3/d時，也不會出現串噴，見表9。

表9 排氣管線內徑增加后分離器內壓力Table 9 Internal pressure of the separator after the increase of vent pipe ID

鉆井液氣分離器評估后，如果處理能力不能滿足井噴的需要，可以通過表10的措施進行改進，并遵循以下原則：(1)首先選擇內徑大和高度高的分離器，可以明顯提高鉆井液氣分離器的處理能力；(2)采用內徑較大的排氣管線，并減少彎接頭和變徑的使用，從而減小氣體的循環摩阻；(3)增加液封段長度，防止串噴的發生，并可以輔助增加液體的滯留時間，提高液體的處理能力。

表10 分離器改造措施Table 10 Separator transformation measures

5 結論

(1)鉆井液氣分離器的設計和能力評估，應根據鉆井井控期間井噴的條件，借助多相流井控軟件估算最大的鉆井液流量，氣體的最大流量可按照《殼牌井控手冊》方法預測。

(2)鉆井液氣分離器的主要有4種失效形式，其中，串噴，即氣體通過排氣管線的循環摩阻超過液封段的靜液柱壓力，導致氣體從排液管直接排出是最容易失效的形式。分離器的排液管的液封高度宜3～5 m，應具有防虹吸管，虹吸管高出液封段0.5 m以上，海上平臺宜將虹吸管線跟排氣管線連接，防止進液量過大從虹吸管排出。如果條件允許，可以安裝液封管線與分離器內部的差值壓力表，可以檢測液封段內液體量的情況，防止分離器排空。

(3)鉆井液氣分離器宜安裝量程小的壓力表，液氣分離器的排氣口應設置阻尼板，進液管宜安裝防沖擊板；分離器底部應具有排污槽，并設置人孔，便于工作人員觀察分離器內部情況和清潔分離器。

(4)提高分離器的處理能力應遵循以下原則，首先選擇內徑大和高度高的分離器，再次采用內徑較大的排氣管線，并減少彎接頭和變徑的使用，并增加液封段長度。