鉆井液除氣工藝技術
時志國
***鉆井公司
一、引 言
在鉆井過程中，鉆開天然氣層后，氣體有可能侵入鉆井液；振動篩、除砂器、除泥器、鉆井液槍、攪拌器等設備在工作過程中有可能使空氣侵入鉆井液。這些氣體侵入鉆井液后，會造成鉆井液密度降低；會增加鉆井液上返速度，引起循環(huán)罐過滿或外溢；會使離心泵氣鎖、使水力旋流器、鉆井液槍、離心機、灌注泵等無法工作，甚至會引起井噴的發(fā)生。氣侵鉆井液一直是鉆井工程所遇到的難題。
人們一直在探索去處氣侵鉆井液中氣體的方法，最初人們發(fā)現(xiàn)，向氣侵鉆井液中加水，會使鉆井液密度上升（鉆井液密度回復說明氣體離開了鉆井液），于是產(chǎn)生了最原始、最簡單的除氣辦法；向循環(huán)罐內(nèi)鉆井液表面上灑水除氣、向振動篩篩網(wǎng)面噴水除氣。在弄明白水能除氣的原理之后，人們發(fā)明了除泡劑代替水除氣，并一直沿用至今。
在沒有發(fā)明除氣設備之前，一般使用攪拌器和泥漿槍攪動鉆井液除氣，這種方法見效慢、除氣效率低。上個世紀40年代產(chǎn)生了除氣設備，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有常壓、真空、立式、臥式等不同結(jié)構、不同原理的除氣設備，并形成了成熟的除氣工藝流程。
二、氣泡必須浮至鉆井液表面并破裂
無論除氣設備的外形、結(jié)構怎樣變幻、無論除氣設備采用的除氣原理怎樣不同，所有除氣設備的基本除氣原理都是一樣的，就是使氣泡浮至鉆井液表面破裂。
侵入鉆井液中的氣體以大小不一的氣泡形式存在于鉆井液中，要想去除這些氣體，必須使氣泡脫離鉆井液。分析氣泡在鉆井液中的存在狀態(tài)（如圖1），根據(jù)阿基米德定律，氣泡的上升浮力等于氣泡排開相同體積鉆井液的重量：
其中，F(xiàn)——氣泡浮力, g
r——氣泡半徑，cm
γ——鉆井液的密度，g/cm3
可以看出，在同一鉆井液中，氣泡的浮力與氣泡半徑成正比，也就是說：大氣泡比小氣泡更容易浮上液面（見圖2），
圖1、氣泡上升過程 圖2、在高粘度鉆井液中的小氣泡
不能浮起來
圖3 氣泡在鉆井液中的狀態(tài) 圖4 紊流將氣泡帶至液面破裂
但由于鉆井液是高粘度、高切力的液體，氣泡浮到液面需要很長時間，直徑較小的氣泡根本無法浮至鉆井液液面。所以，處在鉆井液中的氣泡有兩種狀態(tài)（見圖3）：一種是氣泡能浮到鉆井液液面，并最終破裂；另一種是氣泡被裹在鉆井液中，既不能浮動，也不能聚集在一起形成大氣泡。
產(chǎn)生氣侵后鉆井液中的小氣泡特別多，要想去除鉆井液中的氣體，必須使小氣泡運動到鉆井液液面。利用攪拌器或是鉆井液槍攪動鉆井液，所增大的鉆井液液面是有限的，而且效率很低。要想清除全部氣體，必須使所有的鉆井液都攪到表面，并且分布很薄，才能釋放出氣泡。于是產(chǎn)生了除氣設備。所有除氣設備的設計原則都是增大鉆井液液面面積，使鉆井液產(chǎn)生紊流，將氣泡帶至鉆井液表面、使之破裂（見圖4）。
三、除氣設備布置方案
根據(jù)現(xiàn)用除氣設備清除氣泡直徑的大小，可將除氣設備分為兩類：液氣分離器和真空除氣器。
循環(huán)罐內(nèi)的氣侵鉆井液含有很多很多的小氣泡，直徑很�。�≤1/16英寸），它們被裹在鉆井液中，既不能浮動的，也不能聚集。所謂的大氣泡是指起鉆抽吸氣或地層氣體氣侵形成的，大部分或全部充滿井眼的環(huán)形空間某段鉆井液的膨脹性氣體，大氣泡將造成環(huán)空排量增大，使鉆井液管線過載，使鉆井液從鉆臺鉆盤噴出。當在循環(huán)罐內(nèi)采用淺沒式泥漿槍或攪拌器充分攪拌時，通常這些大氣泡（直徑在1/9～1英寸）會浮到鉆井液表面。
液氣分離器用于清除環(huán)空鉆井液中的大氣泡，處理量大于井口出口管線鉆井液的排量。經(jīng)液氣分離器處理后的鉆井液，還含有小氣泡，可先經(jīng)過振動篩除掉部分氣泡，然后流入循環(huán)罐內(nèi)。處理循環(huán)罐內(nèi)氣侵鉆井液中小氣泡的任務由真空除氣器來完成。
液氣分離器不屬于正常循環(huán)系統(tǒng)的設備，一般只有當發(fā)生井涌時才使用。液氣分離器安裝在振動篩之前，進口管線同井口出口管線或防噴器的節(jié)流管匯連接，從液氣分離器分離出的鉆井液進入振動篩或直接流入沉砂罐；分離出的氣體通過排氣管線引到安全距離順風排掉，或引入火炬管線燃燒。在設計液氣分離器時，應保證能夠處理可能產(chǎn)生的最大氣體流量，為防止未除氣的鉆井液再次循環(huán)到井中，需在液氣分離器上裝一根旁通管線，一旦出現(xiàn)實際氣體流量超過液氣分離器處理能力的危險情況，就將未經(jīng)除氣的鉆井液直接排入廢漿池丟棄。
圖 6 吸入口、流量平衡器的正確安裝位置
圖 5 除氣器從沉砂罐后的第一個罐吸漿
真空除氣器屬常規(guī)除氣設備，安裝除氣器時應使除氣器從沉砂罐后的第一個鉆井液罐中吸取氣侵鉆井液（見圖5），經(jīng)除氣器處理過的脫氣鉆井液排入下游排漿罐中。 除氣器的吸入口應位于吸入罐的下部（見圖6），并且需在吸入罐中安裝攪拌器，以保證真空除氣器吸入的是攪拌均勻的氣侵鉆井液，需在真空除氣器的吸漿罐和排漿罐之間需安裝流量平衡器，安裝位置要高一些，接近罐的頂部，這樣來自排漿罐的脫氣鉆井液從上部進入吸漿罐，保證位于吸漿罐底部除氣器的吸漿口吸入的是氣侵鉆井液。
圖 7 流量平衡器在底部
液氣分離器的安裝位置是固定的，應在井口和振動篩之間；而真空除氣器是撬裝設備，安裝的靈活性比較大，在現(xiàn)場中出現(xiàn)了一些安裝錯誤：
圖8 用鉆井液槍攪拌鉆井液
有些井隊將流量平衡器安裝在罐的底部（見圖7），這樣脫氣鉆井液由底部進入吸漿罐，由于脫氣鉆井液較氣侵鉆井液密度高，容易沉在罐底，使吸漿口吸入密度高、含氣量小的鉆井液，而含氣量高、密度低的鉆井液在罐內(nèi)的上部，很難被吸入，使除氣器的工作效率降低。
不安裝攪拌器，用泥漿槍攪拌氣侵鉆井液（見圖8）。除氣器的處理能力是根據(jù)鉆井液的循環(huán)量來設計的，用泥漿槍攪拌氣侵鉆井液，會使吸入罐中的鉆井液量增加，超過除氣器的設計處理量，使除氣器不能正常工作。
有些井隊將真空除氣器安裝在除砂器、或除泥器之后（見圖9），這是非常不可取的。氣體侵入鉆井液，會使鉆井液密度降低、體積膨脹，將真空除氣器安裝在振動篩之后可盡快清除氣體，減少鉆井液溢出循環(huán)罐的可能。除砂器、除泥器、離心機、鉆井液槍等固控設備都要求用離心泵供給鉆井液，而氣侵鉆井液可能造成離心泵葉輪氣鎖，使鉆井液無法進入到離心泵中，造成由離心泵供漿的固控設備無法工作。
四、常用除氣設備
1、液氣分離器
一般常用的液氣分離器有兩種類型：封底式和開底式。
（1）、封底式（見圖10）
圖10、封底式液氣分離器
除氣罐底部封閉，鉆井液通過一根U型管線回到循環(huán)罐內(nèi)。除氣罐內(nèi)鉆井液面的高度，可通過U型管的高度增減來控制。
（2）開底式（見圖11）
圖11、開底式液氣分離器
分離器除氣罐無底，下部半潛入鉆井液中。罐內(nèi)的液面依靠底部潛入深度來控制，這種分離器國外俗稱“窮孩子”，說明其簡易性。
目前最簡單、最可靠的液氣分離器是封底式的。開底式分離器次之，因為它的鉆井液柱高度受到循環(huán)罐內(nèi)液面高度的限制。
2、常壓除氣器（見圖12）
圖12 由閥控制的鉆井液沖擊層
常壓除氣器出現(xiàn)于上世紀70年代初，它通過浸入氣侵鉆井液中的泵將氣侵鉆井液送到罐內(nèi)，在閥板的作用下，使氣侵鉆井液產(chǎn)生足夠高的速度，形成鉆井液薄層沖擊罐的內(nèi)壁，使氣泡脫離鉆井液破裂，鉆井液與氣體的分離。
圖 13 臥式真空除氣器
3、臥式真空除氣器(見圖13)
臥式真空除氣器有一個長的臥式罐，在罐內(nèi)有兩塊較長的向下傾斜的擋板，進口管線將氣侵鉆井液引至罐上部的槽內(nèi)，兩塊擋板將鉆井液分布開形成很薄的鉆井液層（1/8英寸到3/8英寸），大部分氣泡都能從薄層鉆井液表面逸出并破裂。
4、立式真空除氣器(見圖14)
圖14 立式真空除氣器 圖15 罐內(nèi)錐體結(jié)構和鉆井液薄層
立式真空除氣器有一個矮的立式大直徑的罐，罐內(nèi)的錐體結(jié)構非常有特點(見圖15)，它由幾個層疊在一起的圓錐體組成，結(jié)構緊湊，能提供較大的分離面積，氣侵鉆井液流經(jīng)層疊的圓錐體表面形成鉆井液薄層，氣泡溢出破裂。
5、離心真空除氣器(見圖16)
圖16 離心真空除氣器
離心真空除氣器利用真空泵的抽吸作用，在真空罐內(nèi)形成負壓，鉆井液在大氣壓的作用下，通過吸入管進入旋轉(zhuǎn)的空心軸，再由空心軸四周的窗口，呈噴射狀甩向罐壁，在碰撞、真空及氣泡分離器的共同作用下，浸入鉆井液中的氣泡破碎，氣體逸出，真空泵抽出氣體并將之排往安全地帶，除氣后的鉆井液則由于自重進入排空腔，經(jīng)旋轉(zhuǎn)的葉片排出罐外。
五、結(jié)束語
通過以上內(nèi)容我們了解到：所有氣侵鉆井液都必須經(jīng)過脫氣處理，必須保證提供給每臺離心泵不含氣體的鉆井液，以確保離心泵的正�？煽窟\轉(zhuǎn)，堅決杜絕再次將氣侵鉆井液循環(huán)至井內(nèi)的情況發(fā)生。
要去除鉆井液中所含氣體，必須使鉆井液中的氣泡浮至鉆井液液面破裂。所有的除氣設備，無論它有什么樣的外形、有什么樣的內(nèi)部結(jié)構，運用什么樣的原理，它們的目的只有一個：將氣泡帶至鉆井液表面破裂。產(chǎn)品的不斷開發(fā)和性能的不斷提高是永無止境的，研制出處理能力強、除氣效率高、性能穩(wěn)定、易于維護操作的除氣設備，永遠是研發(fā)人員追求的目標。
參考文獻：
龔偉安著《鉆井液故鄉(xiāng)控制技術與設備》石油工業(yè)出版社；
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