钻井液除气工艺技术

钻井液除气工艺技术
时志国
***钻井公司
一、引 言
在钻井过程中，钻开天然气层后，气体有可能侵入钻井液；振动筛、除砂器、除泥器、钻井液枪、搅拌器等设备在工作过程中有可能使空气侵入钻井液。这些气体侵入钻井液后，会造成钻井液密度降低；会增加钻井液上返速度，引起循环罐过满或外溢；会使离心泵气锁、使水力旋流器、钻井液枪、离心机、灌注泵等无法工作，甚至会引起井喷的发生。气侵钻井液一直是钻井工程所遇到的难题。
人们一直在探索去处气侵钻井液中气体的方法，最初人们发现，向气侵钻井液中加水，会使钻井液密度上升（钻井液密度回复说明气体离开了钻井液），于是产生了最原始、最简单的除气办法；向循环罐内钻井液表面上洒水除气、向振动筛筛网面喷水除气。在弄明白水能除气的原理之后，人们发明了除泡剂代替水除气，并一直沿用至今。
在没有发明除气设备之前，一般使用搅拌器和泥浆枪搅动钻井液除气，这种方法见效慢、除气效率低。上个世纪40年代产生了除气设备，发展到现在已经有常压、真空、立式、卧式等不同结构、不同原理的除气设备，并形成了成熟的除气工艺流程。
二、气泡必须浮至钻井液表面并破裂
无论除气设备的外形、结构怎样变幻、无论除气设备采用的除气原理怎样不同，所有除气设备的基本除气原理都是一样的，就是使气泡浮至钻井液表面破裂。
侵入钻井液中的气体以大小不一的气泡形式存在于钻井液中，要想去除这些气体，必须使气泡脱离钻井液。分析气泡在钻井液中的存在状态（如图1），根据阿基米德定律，气泡的上升浮力等于气泡排开相同体积钻井液的重量：

其中，F——气泡浮力, g
      r——气泡半径，cm
      γ­——钻井液的密度，g/cm3
可以看出，在同一钻井液中，气泡的浮力与气泡半径成正比，也就是说：大气泡比小气泡更容易浮上液面（见图2），






图1、气泡上升过程             图2、在高粘度钻井液中的小气泡
不能浮起来











图3  气泡在钻井液中的状态             图4  紊流将气泡带至液面破裂






但由于钻井液是高粘度、高切力的液体，气泡浮到液面需要很长时间，直径较小的气泡根本无法浮至钻井液液面。所以，处在钻井液中的气泡有两种状态（见图3）：一种是气泡能浮到钻井液液面，并最终破裂；另一种是气泡被裹在钻井液中，既不能浮动，也不能聚集在一起形成大气泡。
产生气侵后钻井液中的小气泡特别多，要想去除钻井液中的气体，必须使小气泡运动到钻井液液面。利用搅拌器或是钻井液枪搅动钻井液，所增大的钻井液液面是有限的，而且效率很低。要想清除全部气体，必须使所有的钻井液都搅到表面，并且分布很薄，才能释放出气泡。于是产生了除气设备。所有除气设备的设计原则都是增大钻井液液面面积，使钻井液产生紊流，将气泡带至钻井液表面、使之破裂（见图4）。
三、除气设备布置方案
根据现用除气设备清除气泡直径的大小，可将除气设备分为两类：液气分离器和真空除气器。
循环罐内的气侵钻井液含有很多很多的小气泡，直径很小（≤1/16英寸），它们被裹在钻井液中，既不能浮动的，也不能聚集。所谓的大气泡是指起钻抽吸气或地层气体气侵形成的，大部分或全部充满井眼的环形空间某段钻井液的膨胀性气体，大气泡将造成环空排量增大，使钻井液管线过载，使钻井液从钻台钻盘喷出。当在循环罐内采用浅没式泥浆枪或搅拌器充分搅拌时，通常这些大气泡（直径在1/9～1英寸）会浮到钻井液表面。
液气分离器用于清除环空钻井液中的大气泡，处理量大于井口出口管线钻井液的排量。经液气分离器处理后的钻井液，还含有小气泡，可先经过振动筛除掉部分气泡，然后流入循环罐内。处理循环罐内气侵钻井液中小气泡的任务由真空除气器来完成。
液气分离器不属于正常循环系统的设备，一般只有当发生井涌时才使用。液气分离器安装在振动筛之前，进口管线同井口出口管线或防喷器的节流管汇连接，从液气分离器分离出的钻井液进入振动筛或直接流入沉砂罐；分离出的气体通过排气管线引到安全距离顺风排掉，或引入火炬管线燃烧。在设计液气分离器时，应保证能够处理可能产生的最大气体流量，为防止未除气的钻井液再次循环到井中，需在液气分离器上装一根旁通管线，一旦出现实际气体流量超过液气分离器处理能力的危险情况，就将未经除气的钻井液直接排入废浆池丢弃。






图 6  吸入口、流量平衡器的正确安装位置











图 5  除气器从沉砂罐后的第一个罐吸浆






真空除气器属常规除气设备，安装除气器时应使除气器从沉砂罐后的第一个钻井液罐中吸取气侵钻井液（见图5），经除气器处理过的脱气钻井液排入下游排浆罐中。        除气器的吸入口应位于吸入罐的下部（见图6），并且需在吸入罐中安装搅拌器，以保证真空除气器吸入的是搅拌均匀的气侵钻井液，需在真空除气器的吸浆罐和排浆罐之间需安装流量平衡器，安装位置要高一些，接近罐的顶部，这样来自排浆罐的脱气钻井液从上部进入吸浆罐，保证位于吸浆罐底部除气器的吸浆口吸入的是气侵钻井液。






图 7  流量平衡器在底部






液气分离器的安装位置是固定的，应在井口和振动筛之间；而真空除气器是撬装设备，安装的灵活性比较大，在现场中出现了一些安装错误：






图8  用钻井液枪搅拌钻井液






有些井队将流量平衡器安装在罐的底部（见图7），这样脱气钻井液由底部进入吸浆罐，由于脱气钻井液较气侵钻井液密度高，容易沉在罐底，使吸浆口吸入密度高、含气量小的钻井液，而含气量高、密度低的钻井液在罐内的上部，很难被吸入，使除气器的工作效率降低。

不安装搅拌器，用泥浆枪搅拌气侵钻井液（见图8）。除气器的处理能力是根据钻井液的循环量来设计的，用泥浆枪搅拌气侵钻井液，会使吸入罐中的钻井液量增加，超过除气器的设计处理量，使除气器不能正常工作。
有些井队将真空除气器安装在除砂器、或除泥器之后（见图9），这是非常不可取的。气体侵入钻井液，会使钻井液密度降低、体积膨胀，将真空除气器安装在振动筛之后可尽快清除气体，减少钻井液溢出循环罐的可能。除砂器、除泥器、离心机、钻井液枪等固控设备都要求用离心泵供给钻井液，而气侵钻井液可能造成离心泵叶轮气锁，使钻井液无法进入到离心泵中，造成由离心泵供浆的固控设备无法工作。
四、常用除气设备
1、液气分离器
一般常用的液气分离器有两种类型：封底式和开底式。
（1）、封底式（见图10）






图10、封底式液气分离器






除气罐底部封闭，钻井液通过一根U型管线回到循环罐内。除气罐内钻井液面的高度，可通过U型管的高度增减来控制。
（2）开底式（见图11）






图11、开底式液气分离器






分离器除气罐无底，下部半潜入钻井液中。罐内的液面依靠底部潜入深度来控制，这种分离器国外俗称“穷孩子”，说明其简易性。
目前最简单、最可靠的液气分离器是封底式的。开底式分离器次之，因为它的钻井液柱高度受到循环罐内液面高度的限制。
2、常压除气器（见图12）






图12  由阀控制的钻井液冲击层






    常压除气器出现于上世纪70年代初，它通过浸入气侵钻井液中的泵将气侵钻井液送到罐内，在阀板的作用下，使气侵钻井液产生足够高的速度，形成钻井液薄层冲击罐的内壁，使气泡脱离钻井液破裂，钻井液与气体的分离。






图 13  卧式真空除气器






3、卧式真空除气器(见图13) 
卧式真空除气器有一个长的卧式罐，在罐内有两块较长的向下倾斜的挡板，进口管线将气侵钻井液引至罐上部的槽内，两块挡板将钻井液分布开形成很薄的钻井液层（1/8英寸到3/8英寸），大部分气泡都能从薄层钻井液表面逸出并破裂。 
4、立式真空除气器(见图14)






图14 立式真空除气器                     图15  罐内锥体结构和钻井液薄层





    立式真空除气器有一个矮的立式大直径的罐，罐内的锥体结构非常有特点(见图15)，它由几个层叠在一起的圆锥体组成，结构紧凑，能提供较大的分离面积，气侵钻井液流经层叠的圆锥体表面形成钻井液薄层，气泡溢出破裂。
5、离心真空除气器(见图16)






图16 离心真空除气器





离心真空除气器利用真空泵的抽吸作用，在真空罐内形成负压，钻井液在大气压的作用下，通过吸入管进入旋转的空心轴，再由空心轴四周的窗口，呈喷射状甩向罐壁，在碰撞、真空及气泡分离器的共同作用下，浸入钻井液中的气泡破碎，气体逸出，真空泵抽出气体并将之排往安全地带，除气后的钻井液则由于自重进入排空腔，经旋转的叶片排出罐外。
 
五、结束语
通过以上内容我们了解到：所有气侵钻井液都必须经过脱气处理，必须保证提供给每台离心泵不含气体的钻井液，以确保离心泵的正常可靠运转，坚决杜绝再次将气侵钻井液循环至井内的情况发生。
要去除钻井液中所含气体，必须使钻井液中的气泡浮至钻井液液面破裂。所有的除气设备，无论它有什么样的外形、有什么样的内部结构，运用什么样的原理，它们的目的只有一个：将气泡带至钻井液表面破裂。产品的不断开发和性能的不断提高是永无止境的，研制出处理能力强、除气效率高、性能稳定、易于维护操作的除气设备，永远是研发人员追求的目标。
 
 
参考文献：
 龚伟安著《钻井液故乡控制技术与设备》石油工业出版社；