气体钻井地面分离设备液体排料系统的设计研究

目前,氮气、天然气欠平衡钻井过程中将由井筒返回至地面的气体进行直排放燃,这样既污染了环境,又浪费了能源,增加了钻井成本.为此,设计了一套气体钻井地面分离系统对由井筒返回至地面的气体进行回收,并对分离设备的排料系统进行了设计研究.为充分回收气体并保证连续排料,采用了液体排料的方案.液体输送需要保证排料速度大于临界流速,而临界流速与所输送固体的粒径有关,通过调研和采样分析,掌握了井口钻屑粒度分布范围,确定采用相应的B.C.克诺罗兹公式计算排料临界流速.同时,为了达到带压锁气排料的目的,设计了料罐液位自控方案.最后,针对气体钻井的实际工况对排料系统进行了实例设计,并进行了排料系统携岩排料能力试验,证明所做的设计可行.     

天然气钻井气体回收设备的研制

天然气钻井过程中,井筒返回至地面的携岩天然气直接放燃,这样既浪费能源又污染环境。为了回收井筒返回至地面的携岩天然气,研究了天然气回收工艺,设计了由一级分离器、二级分离器、缓冲罐和过滤器组成的回收设备。一级分离器起预分离的作用,具有分离效率高、防粘壁、防返混的特点;二级分离器利用导叶式旋分管做分离元件。两级分离器能够除净气体中粒径大于7μm的钻屑颗粒。一级和二级分离器均采用液体输送方式进行连续排料。过滤器选用了外层玻璃纤维滤芯加内层金属纤维滤芯的双层复合滤芯,过滤分离效率可达99.8%以上,能够除净气体中粒径大于5μm的钻屑颗粒,可以保证过滤后的气体达到压缩机的进气要求。该回收设备不仅适用于天然气钻井中的携岩天然气回收,同时适用于其他气体钻井过程中携岩气体的净化和回收。     

钻柱旋转对水平井和斜井使用水基钻井液时井眼清洗的影响

钻水平井和定向井的的主要问题是合理的井眼清洗问题。对于一个环形空间里的稳定钻屑床,通常增加钻井液流速会很明显地冲蚀钻屑床。然而,依据钻井条件,要输送钻屑床需要很高的钻井液流速,而因为液压和物理因素的限制,这个速度可能达不到。在这种情况下,钻柱的旋转可以加强钻屑的机械运移,甚至在钻井液流速低于防止稳定钻屑床形成所需要的临界环空液体流速时,也能有效完成井眼清洗。     

气体钻井地面分离器的设计及试验研究

气体钻井现有工艺都将环空返回到地面的携岩气体直接排放或放燃,既污染环境又浪费能源。根据气体钻井的特点,设计了由两级串联的旋风分离器与两台过滤器(一台备用)组成的气体钻井地面分离系统,对成本较高的气体钻井介质(氮气或天然气)进行回收和循环利用。通过对井口钻屑的采样分析和浓度计算,得到了旋风分离器入口钻屑的粒度分布和质量浓度范围。对旋风分离器进行的室内模拟试验结果表明,旋风分离器的分离效率稳定在99.5%以上,能够完全除净粒径大于10μm的粉尘颗粒。钻井现场试验结果显示,整个分离系统工作稳定,过滤器出口气体中钻屑的最大粒径小于5μm,质量浓度小于0.05mg/m³,已达到进入压缩机的要求。     

气基流体空气钻井的应用技术

过去,对气基流体(空气、雾化液等)作为气体钻井循环流体缺乏深入的理论研究和现场应用经验.为适应新的气基流体钻井方式及钻井工艺技术的进步,开展了气基流体空气的应用技术的研究.空气作为循环流体,它在钻井过程中的主要作用是将井下的钻屑举升到井口并带出井眼.如果空气量不够,则难以有效地将井下钻屑携带出来,这样钻屑就会在井内沉降并在井底聚积造成卡钻.介绍了气基流体空气的携岩机理、空气量的计算方法、空气循环系统以及气基流体空气、雾液在现场的应用效果.     

用流态化理论分析气体钻井携岩问题

气体钻井工程设计和施工中最小注气量的计算是非常关键的,通常采用修正的Angel模型进行计算,此模型弱化了岩屑颗粒在井筒中运移的本质规律,而应用颗粒运动流态化理论可以对模型更好地补充,通过分析气体钻井井筒内岩屑颗粒受力情况及岩屑运移过程中颗粒所受曳力和气体流速之间的关系,得出了单个颗粒能够顺利向上运动的临界气体流速计算方法。在考虑球形度和边壁效应对流化床影响的情况下,修正了曳力和临界气体流速计算公式,得出了在满足井眼净化条件下气体流速和体积流量的计算方法。结合SNL-7井空气钻井实钻资料进行实例计算,得到的结果更加接近实钻情况,证明颗粒运动流态化理论更能真实地反映气体钻井岩屑运移的本质规律,更有利于对气体钻井携岩问题的研究。     

基于气液分离的天然气双入口优化设计

天然气井采出的天然气通常含一定量的液体，这些液体不仅会堵塞管线、阀门，影响流量计计量的精确度，而且还会腐蚀设备、管道、仪表，易引起振动，破坏管道结构，严重影响集输生产管道寿命与安全，因此需尽快对采出液进行气液分离。为此，根据油气田现场采出液工况，设计了双入口气液分离器，并采用欧拉多相流模型，耦合标准k-ε湍流模型，对分离器内部的流场分布和分离特性开展了数值模拟研究。研究结果表明：(1)由于双入口的存在，分离器入口处湍流强度较小，流动较为平稳，能够增加入口气液混合液的分层程度，减少分离器下部发生折返的气体流量，进而减少气体出口带液量；(2)当入口液滴粒径大于0.1 mm时，仅有极少量的气体从液体出口流走，能够取得较好的分离效果；(3)随着分流比的减小，液体出口液体体积分数迅速增加，气体出口液体体积分数缓慢增加；(4)入口液体体积分数的变化主要影响分离后气体的纯度，对分离后液体的纯度影响较小。结论认为，在实际应用过程中，对于液滴粒径较小的来液工况，无论入口液体体积分数如何变化，均应调节分流比小于入口液体体积分数，使其液位略高于液体出口，以提高气液分离的效果。     

气体钻井携带液体最小注气量计算

气体钻井是以空气或氮气作为循环相把钻屑和液滴带到地面的钻井技术,井筒出水未带出的液滴与钻屑混合形成的泥环,会导致岩屑和液体在井底聚集并降低渗透率,影响油气产量。因此,准确预测能携带岩屑和液体的最小注气量是目前亟待解决的问题。基于Boyun Guo的井底压力四相流模型和携带液体最小动能理论,并引入Qian Fang考虑的雷诺数和液滴球形度的滑脱系数理论,建立了求解气体钻井中携带液体的最小注气量方程,注气量计算结果与现场实测数据非常接近,并得出了相比仅携带固体钻屑,同时携带固体钻屑和液滴所需注气量更大的结论。     

水平管内气液两相流中气泡滑移速度的数值模拟

基于多相流Euler模型,采用Fluent软件对水平管道内的气液两相流进行数值模拟,在水和气体初始速度相同的情况下,考察气泡直径、气泡体积分数和流体流速对气泡滑移速度的影响。模拟结果表明,气泡直径、气泡体积分数和流体流速对气泡滑移速度都有影响,其中流体流速的影响较大;在气泡直径小于等于0.10 mm,或气泡体积分数大于等于10%,或流体流速大于等于0.10 m/s时,对气泡滑移速度的影响可忽略;与水和气泡的速度相比,气泡滑移速度很小,可忽略不计。     

应用超临界CO2进行气体循环钻井的技术构想

超临界CO2流体既有液体的高密度又有气体的低黏度和高扩散系数等特点,采用超临界CO2作为钻井液相对普通钻井液具有很大的优势。采用超临界CO2作为钻井液能够有效提高射流破岩效率,提高钻速,并且能够有效保护油气藏,减少井下事故。气体循环利用钻井技术是利用地面气体回收处理设备将从井口中返出的携岩气体进行分离和精细过滤,然后经过压缩增压循环注入井下,大大降低了钻井成本。介绍了超临界CO2的性质以及超临界CO2在钻井过程中的优势,气体循环利用钻井工艺系统的原理及流程,提出了将超临界CO2钻井与循环钻井技术相联合的技术构想。     

寄生管充气钻井环空多相流流动特性研究

针对寄生管充气钻井技术的特征,选用Hasan多相流计算模型,确定了井筒环空的流型和压降计算方法,给出了编程求解的计算流程。利用新疆某充气欠平衡井的数据进行计算,对井筒压力、流型变化、含气体积分数随注气量、钻井液排量、井口回压的变化规律进行了研究。在寄生管充气钻井的过程中,井筒环空压力随注气量的增大而减小,随钻井液排量的增大而增大,随井口回压的增大而增大。井筒环空中的含气体积分数随注气量的增大而增大,随钻井液排量的增大而减小,随井口回压的增大而减小。井筒环空中的流型转换点随注气量的增大而下移,随钻井液排量的增大而上移,随井口回压的增大而上移。     

泡沫钻井水力参数优化方法研究

泡沫钻井在国内外已得到广泛应用,但关于水力参数优化设计的方法还未完善。基于多相流理论和携岩理论,通过理论计算和分析,总结出泡沫钻井水力参数优化设计方法,即通过临界气液比与井口回压线性关系确定最优气液比;通过不同井深下最低井底压力确定最优井口回压,结合最优气液比、最优井口回压、井底压力、岩屑浓度确定最优泡沫流速,最后根据最优泡沫流速确定最优注气流量和注液流量。实例计算了井眼直径为200 mm、钻杆外径为114.3 mm、井深为1 980 m、钻速为9m/h、18 m/h、27 m/h对应的最优水力参数。提出的优化方法对泡沫钻井水力参数优化有实际指导意义。     

隔水管气举双梯度钻井注气量计算及其影响因素分析

为了完善深水钻井的理论基础,研究了隔水管气举双梯度钻井过程中注气量的计算方法。基于双梯度钻井过程中气液固多相流动特性,建立了对应的多相流动方程;结合一定的定解条件,得到隔水管气举双梯度钻井过程中注气量的计算模型。利用该计算模型,可以设计隔水管气举双梯度钻井过程中的注气量,分析影响注气量的因素和影响规律。分析表明,钻井液密度、钻井液排量、水深以及隔水管顶部井口回压等参数变化时,注气量也大致呈线性变化,而且井口回压对注气量的影响最敏感。研究结果表明,利用多相流动理论研究隔水管气举双梯度钻井过程中注气量的设计方法是可行的,为今后开展双梯度钻井提供了理论依据。      

天然气欠平衡钻井完井技术

利用欠平衡钻井数值模拟软件对井内压力分布规律、环空速度分布、环空岩屑浓度分布及井口回压 影响规律进行了分析,讨论了地层出液对天然气钻井的影响,介绍了天然气排量与井底压力的关系、天然气欠平衡 钻井注入参数的确定、天然气钻井完井技术措施和天然气欠平衡钻井完井的条件。应用该套技术,在井浅2井、平 落19井和白浅111H井等进行了现场实践,取得了良好的技术经济效益。     

气体钻井注气量计算方法研究进展

气体钻井过程所需注气量是关系到气体钻井成败的重要参数。目前计算气体钻井所需注气量的3种方法各有不足,根据这些方法得出的计算结果与现实情况都有差异,有时差异还很大。为了准确计算气体钻井所需注气量,应对影响气体钻井注气量的因素进行深入研究并对现有计算方法进行改进。经过对现有方法的分析,建议应从以下几个方面进行深入研究：①建立准确计算气体钻井时环空流体温度的模型以确定温度对注气量的影响;②应用气液两相流理论分析气体携水能力,以确定地层出水时气体钻井所需注气量;③钻屑直径对气体钻井所需注气量的影响;④气体钻井所需注气量与井斜角的关系;⑤对“关键点”处钻具外形进行优化设计以改善该处气体的携岩能力。     

环空充气钻井工艺设计及参数分析

针对传统寄生管充气钻井工具在环空中形成的气相分布不均匀的弊端,设计了一种新型环形气体均布寄生管充气钻井工具。根据传热学、热力学和垂直气液两相管流理论,考虑注入气体物性随井筒温度压力变化,对环空充气工艺参数进行优化分析。分析结果表明,环空压力随注气量增大先急剧降低后逐渐升高,注气量通常选择在稍大于临界点处对应的气体流量;在静压控制区环空压力变化幅度明显大于井口回压变化,环空压力变化敏感;在摩擦控制区随井口回压变化,环空压力变化幅度较小,更加缓和,易于调节。     

欠平衡钻水平井岩屑运移可视化实验

随着我国薄层低压油气藏的开发需求,充气欠平衡钻水平井技术成为国内外钻井界关注的热点,井眼净化不畅造成钻具摩阻扭矩的增大严重制约着水平井眼的延伸能力,气液固复杂多相流动,特别是认识固相运移规律是欠平衡条件下岩屑运移的核心内容。为此,在分析水平井与直井多相流条件下的岩屑受力与运移规律异同的基础上,根据气液固流动机理以及大平面沙丘颗粒运移理论,利用大型多相流实验台架开展了水平井段岩屑运移可视化实验,研究岩屑受力、运移形式及动态运移规律,获得了井眼净化注液量、注气量、液体流速、岩屑浓度等数据,进而对比找到了模拟携岩临界速度与实测携岩临界速度的误差,用实测速度修正了水平井井筒携岩临界速度预测数学模型,研究出了能够满足现场施工设计需要的钻进和循环工况的携岩速度模型和岩屑动态运移规律,对于优化钻井施工参数以及降低钻井安全风险均有重要意义。     

海洋天然气水合物藏钻探环空相态特性

海洋天然气水合物藏钻探过程中,水合物钻屑随钻井液向上返出,随着温度升高、压力降低,水合物钻屑上升至一定位置开始分解,使井筒流动变为环空复杂气液固多相流,这对井下流动安全产生严重威胁。考虑井筒温度、压力与水合物分解的耦合作用与影响,建立了海洋天然气水合物钻井过程中井筒温度模型、井筒压力模型、水合物动态传质分解模型和复杂环空多相流模型。通过模型求解,数值分析了井筒温度、环空压力和水合物分解在不同钻井工况下的变化规律。结果表明:增大钻井液排量,井筒中井底处循环钻井液温度升高,环空中井口处返出钻井液温度降低,分解起始位置下移;增大钻井液密度,环空压力升高,分解起始位置上移;增大钻井液入口温度,井筒温度升高,分解起始位置下移;增大机械钻速,分解起始位置不变。     

不同产能气井携液能力的定量分析

在老气田的生产开发过程中,井筒积液是一个非常严重的问题。为了保证气井不产生积液,国内外很多学者对气井的最小携液流量都进行了研究,建立了一系列的数学模型,但对气井产量大于临界流量时其液体能否被携带至地面的问题尚未深入探讨。为此,在井筒积液水力学分析的基础上,运用多相流理论,从垂直管柱内环雾流的动量方程出发,建立了气井最大携液量计算的数学模型,并利用VB软件实现了对该模型的求解。分析和计算结果表明：在气井产量大于最小临界携液流量的条件下,不是所有的液体都能够被携带至井口,而是存在一个最大的临界携液量。该临界携液量随着井口压力的减小而增大,随着管径的增大而减小。因此,应用气井临界携液量资料可以分析井筒积液,从而确定气井实施排水采气工艺的时机。这对于气井的稳定生产具有重要的支撑和指导作用。