摘要：為解決開式鉆井液循環(huán)分離系統(tǒng)不能滿足在含硫地層實(shí)施欠平衡鉆井作業(yè)要求而研制的鉆井液密閉分離系統(tǒng)(密閉系統(tǒng))是在含硫地層實(shí)施欠平衡鉆井作業(yè)所必配的地面系統(tǒng)，也是在環(huán)境敏感地區(qū)進(jìn)行欠平衡鉆井或常規(guī)鉆井避免環(huán)境傷害的重要裝備。在對國外密閉系統(tǒng)配置方式和流程原理分析的基礎(chǔ)上，提出了“兩步分離”式密閉系統(tǒng)流程方案，即從井內(nèi)返出的含有硫化氫的鉆井液首先通過密閉分離裝置將油、氣以及大顆粒的巖屑清除，同時(shí)向密閉分離裝置中注入除硫劑，以確保硫化氫清除干凈；然后再將經(jīng)分離后不含硫化氫的鉆井液，排入常規(guī)固控系統(tǒng)以維護(hù)和調(diào)節(jié)鉆井液性能，再由鉆井泵泵入井內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。并制訂了井內(nèi)返出鉆井液中硫化氫含量突然升高時(shí)的處理措施；闡述了“兩步分離”式流程方案所需的四相分離器、鉆井液緩沖罐、真空除氣器、密閉式帶壓取樣裝置、密閉式巖屑存儲裝置等配套裝備的結(jié)構(gòu)原理和研究現(xiàn)狀，為國內(nèi)鉆井液密閉系統(tǒng)的研究和應(yīng)用提供了技術(shù)思路。

關(guān)鍵詞：密閉系統(tǒng)；含硫化氫地層；欠平衡鉆井；井場污染；四相分離器；HSE

   在石油天然氣鉆井作業(yè)中，對攜帶巖屑及地層流體的鉆井液進(jìn)行安全高效地分離和循環(huán)，是鉆井作業(yè)順利進(jìn)行的前提和保障。鉆井液循環(huán)分離系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鉆井液循環(huán)分離的地面裝置，按照循環(huán)分離過程是否處于密閉狀態(tài)，它可分為開式系統(tǒng)和密閉式系統(tǒng)。開式鉆井液循環(huán)分離系統(tǒng)，因具有配置靈活、成本低、容易操作等特點(diǎn)，在國內(nèi)外得到了廣泛的使用，已成為陸上鉆機(jī)系統(tǒng)的主流配置。但隨著人們HSE意識的不斷增強(qiáng)，這種井內(nèi)產(chǎn)物直接暴露于大氣中的敞開式循環(huán)分離方式，將會在對環(huán)境要求較高的地區(qū)(如離城市或風(fēng)景區(qū)較近、人口較為集中的地區(qū))使用受到限制；此外，開式鉆井液循環(huán)分離系統(tǒng)還難以滿足在含硫地層實(shí)施欠平衡鉆井作業(yè)的需要。而密閉式鉆井液循環(huán)分離系統(tǒng)可使鉆井液在密閉條件下得到分離，分離的廢物及有害物質(zhì)得到妥善處理。這樣不僅提高了鉆井作業(yè)的HSE水平，而且還可使在含硫地層進(jìn)行欠平衡鉆井作業(yè)成為可能。目前，國外數(shù)家石油公司已將密閉式系統(tǒng)應(yīng)用于含硫地層的欠平衡鉆井作業(yè)，并取得了預(yù)期的效果；而國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究應(yīng)用還是重視不夠。因此，探索和研究一套適合國內(nèi)地面裝備發(fā)展實(shí)際情況的密閉系統(tǒng)工藝流程，將具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。

    密閉系統(tǒng)在加拿大、沙特阿拉伯、阿曼、印度尼西亞、美國等國家被廣泛使用。由于各個油氣田的地層狀況不同以及各石油公司的設(shè)計(jì)理念存在差異，所以密閉系統(tǒng)的配置方式也有較大區(qū)別。其中最具代表性的配置方式有兩種：一種是加拿大的一些石油公司(例如Veteran能源公司)使用的密閉系統(tǒng)，另一種為威德福公司使用的密閉系統(tǒng)。這兩種密閉系統(tǒng)都能在一定程度上滿足在含硫地層實(shí)施欠平衡鉆井作業(yè)的需要，同時(shí)又具有各自的特點(diǎn)。Veteran能源公司的密閉系統(tǒng)配置^[1]對井場環(huán)境幾乎沒有污染，但因沒有進(jìn)一步的固控設(shè)備，粒徑較小的巖屑又無法被四相分離器清除，這就影響了鉆井液的性能，從而使該系統(tǒng)的使用受到限制。隨著加拿大AIRDRILLING公司“BAMBI”密閉固相控制系統(tǒng)的成功研制^[2]，解決了微小固相顆粒的分離問題，但該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能也不穩(wěn)定，所以沒有得到大范圍的推廣和應(yīng)用。

    Weatherford公司在Veteran能源公司的密閉系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了密閉式離心機(jī)，這樣就使鉆井液中的固相得到很好的控制。該種密閉系統(tǒng)是利用除硫劑來對鉆井液中硫化氫的含量進(jìn)行控制。因此，使用的設(shè)備較多(包括許多監(jiān)測控制裝備)，程序也相對復(fù)雜。

國外現(xiàn)有的密閉系統(tǒng)，盡管可以避免環(huán)境污染、保障鉆井安全，但沒有使用固控系統(tǒng)而使應(yīng)用范圍受限，或者使用了密閉式固控系統(tǒng)但因設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜而使研發(fā)周期增長，或者因分離工藝復(fù)雜而使設(shè)計(jì)和使用成本增大。因此，如果完全照搬國外的設(shè)計(jì)模式，將會增大密閉系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的難度?？紤]到國外密閉系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，兼顧系統(tǒng)的研制目的和可操作性，特將地面流體處理過程分為兩步完成。如圖1所示，即從井內(nèi)返出的含有硫化氫的鉆井液首先通過密閉分離裝置將油、氣(包括氣態(tài)硫化氫)以及大顆粒的巖屑清除，同時(shí)向密閉分離裝置中注入除硫劑，以確保硫化氫清除干凈；然后再將經(jīng)分離后不含硫化氫的鉆井液，排入常規(guī)固控系統(tǒng)以維護(hù)和調(diào)節(jié)鉆井液性能，經(jīng)過常規(guī)固控系統(tǒng)處理后符合鉆井要求的鉆井液，再由鉆井泵泵入井內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。

 

    在兩步分離方案中，鉆井液在地面循環(huán)分離的具體流程如圖2所示。從環(huán)空返出含有油、氣相、固相的鉆井液經(jīng)節(jié)流管匯進(jìn)入四相分離器。四相分離器對鉆井液中的油、氣相、液相、固相進(jìn)行分離，分離出的固體泵入密閉式沉砂罐，氣體經(jīng)排氣管線引入安全的地方進(jìn)行燃燒處理，分離出的油排入密閉式儲油罐，剩余的鉆井液泵入鉆井液緩沖罐。泵入沉砂罐的固相中通常還含有鉆井液及少量氣體，經(jīng)在沉砂罐中靜止后，氣體會逸出，液相、固相也會分層，逸出的氣體經(jīng)排氣管道進(jìn)行燃燒處理；靜止在罐體上部的鉆井液也將定時(shí)排入鉆井液緩沖罐中；固相顆粒則留在沉砂罐，沉砂罐中的固相物質(zhì)如果超過設(shè)計(jì)限量后，關(guān)閉此罐(將罐運(yùn)至井場外或停鉆后進(jìn)行處理)，改用備用罐。

 

    儲油罐中的油也會含有少量氣體，這些氣體也將進(jìn)行燃燒處理。如果經(jīng)四相分離器處理后的鉆井液中仍存在微小氣泡，則緩沖罐的鉆井液需經(jīng)真空除氣器處理，真空除氣器將溶解在鉆井液中的微小氣泡進(jìn)行分離，分離出的氣體經(jīng)排氣管道進(jìn)行燃燒處理。與此同時(shí)，將除硫劑注入四相分離器、沉砂罐、儲油罐以及鉆井液緩沖罐中，確保硫化氫清除完全。

    經(jīng)過上述密閉分離裝置處理后的鉆井液已不含有地層產(chǎn)出的硫化氫，成為“干凈”的鉆井液，此時(shí)排入常規(guī)開式固控設(shè)備(如振動篩)將不會對環(huán)境及人員造成任何不良影響。經(jīng)過常規(guī)開式固控系統(tǒng)處理后的鉆井液排入鉆井液罐，然后再泵入井眼進(jìn)行循環(huán)，如果需要壓井，則將壓井液罐中的鉆井液泵入鉆井液罐中，然后再進(jìn)行壓井作業(yè)。

    當(dāng)井內(nèi)返出鉆井液中硫化氫的含量突然升高以至密閉裝置無法處理干凈時(shí)，密閉裝置處理后的鉆井液不再排入常規(guī)固控設(shè)備，而直接由鉆井泵泵入井內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，從而使鉆井液在地面的整個回路均處于密閉狀態(tài)。同時(shí)在密閉裝置中增大除硫劑的注入量，以使鉆井液中的硫化氫清除完全。當(dāng)井內(nèi)返出鉆井液中硫化氫的含量穩(wěn)定，密閉裝置可以完全清除時(shí)，再將鉆井液排入常規(guī)固控設(shè)備進(jìn)行循環(huán)。在整個操作過程中，需要借助硫化氫監(jiān)測和控制系統(tǒng)來完成。

   四相分離器在密閉系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，是其核心裝備。密閉系統(tǒng)中的儲油罐、沉砂罐、鉆井液緩沖罐等后續(xù)設(shè)備都是為該裝備服務(wù)，該裝備的分離效率穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整個密閉系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。美國、加拿大、英國等國家的一些石油公司相繼研制出了鉆井液四相分離裝置，并進(jìn)行了多次現(xiàn)場使用。目前川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院對四相分離器進(jìn)行了研制(圖3)，并取得了重要進(jìn)展^[3～7]。

 

   在鉆井作業(yè)過程中，地層中的氣體往往會侵入到鉆井液中，形成大量的大小不等的氣泡。在密閉系統(tǒng)中，四相分離器只能清除體積較大的氣泡，對于溶解在鉆井液中的微小氣泡卻難以清除，而這些微小氣泡會造成鉆井液密度降低、黏度升高、流動性變差，從而影響了鉆井液的性能。為了維護(hù)鉆井液的性能，在密閉系統(tǒng)中配置密閉式鉆井液緩沖罐及真空除氣器(圖4)。鉆井液緩沖罐主要作用是使鉆井液流速平穩(wěn)滿足真空除氣器的工作要求。真空除氣器的作用是清除四相分離器無法分離的微小氣泡。川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院研制成功的ZCQ2/3真空式除氣器已在塔里木迪那區(qū)塊和川渝地區(qū)鉆井中得到成功的使用^[4]。該除氣器用于密閉系統(tǒng)時(shí)，需對密封等機(jī)構(gòu)進(jìn)行防硫改造以滿足密閉系統(tǒng)的要求。

 

    四相分離器分離出的固相顆粒沉淀在罐體內(nèi)部，很難進(jìn)行即時(shí)地質(zhì)取樣。因此，在四相分離器之前需配置密閉式帶壓取樣裝置。為實(shí)現(xiàn)巖屑的連續(xù)取樣，取樣裝置包括兩個取樣筒，這兩個筒可以進(jìn)行交替取樣。

    密閉式巖屑存儲裝置是存儲四相分離器分離出巖屑的裝置。從四相分離器泵出的巖屑中還含有鉆井液，靜止后巖屑和鉆井液會出現(xiàn)分層，巖屑會沉降在沉砂罐的底部，鉆井液會溢流至隔離倉內(nèi)，再將隔離倉內(nèi)的鉆井液排入鉆井液緩沖罐中進(jìn)行后續(xù)處理。沉砂罐的巖屑中還可能含有少量在四相分離器中未完全分離的氣體，在密閉式巖屑存儲裝置中這些氣體會逸出，逸出的氣體接入點(diǎn)火管線進(jìn)行燃燒處理。

    密閉系統(tǒng)中應(yīng)配置兩個密閉式巖屑存儲裝置，在正常工作時(shí)只用其中的一個。當(dāng)沉砂量已達(dá)密閉式巖屑存儲裝置的設(shè)計(jì)要求時(shí)，則需停用此裝置，改用另一個密閉式巖屑存儲裝置。停用的密閉式巖屑存儲裝置運(yùn)至井場外或停鉆后進(jìn)行處理。此外，密閉系統(tǒng)配套裝備還包括密閉式儲油罐、硫化氫中和劑儲存及注入裝置，節(jié)流管匯、點(diǎn)火裝節(jié)流管匯等裝備(圖5、6)。

 

    密閉系統(tǒng)的研究對于拓展欠平衡鉆井工藝的應(yīng)用范圍、提高鉆井作業(yè)的HSE水平具有重要意義；同時(shí)密閉系統(tǒng)的研究也是一個長期復(fù)雜的過程，它所涉及的專業(yè)較多，其工藝與裝備也較為復(fù)雜。除本文涉及的流程方案以及配套裝備外，還需開展密閉系統(tǒng)參數(shù)的確定、井口裝備及井下鉆具的配套、地層產(chǎn)物的監(jiān)測與計(jì)量、系統(tǒng)與鉆機(jī)的匹配、作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)等諸方面的研究。因此，研制一套可行的、適合于現(xiàn)場應(yīng)用的密閉系統(tǒng)需要相關(guān)單位與人員長期努力與通力合作。

[1] 中國石油勘探與生產(chǎn)分公司工程技術(shù)與監(jiān)督處.鉆井監(jiān)督[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003.

[2] 任翔，曾禮賓，劉小瑋.鉆井用四相分離器應(yīng)用范圍的初步探討[J].鉆采工藝，2006，28(6)：92-94.

[3] 劉小瑋，曾禮賓，鄭沖濤.ZCQ2/3真空除氣器的研究與應(yīng)用[J].鉆采工藝，2006，28(2)：91-93.

[4] 劉程，李銳，張光華，等.新型無固相鉆井液體系研究新進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2009，29(11)：64-66.

[5] 朱維兵，徐昌學(xué)，王進(jìn)榮，等.鉆井液振動篩性能參數(shù)的虛擬測試系統(tǒng)[J].天然氣工業(yè)，2007，27(10)：82-84.

[6] 陳森，梁大川，李磊.深井超深井安全鉆井液密度窗口研究進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2008，28(1)：85-87.

[7] 張洪生，宋振清，石曉兵.準(zhǔn)噶爾盆地八區(qū)調(diào)整井高效安全鉆井技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2005，25(7)：56-58.

 

(本文作者：張保貴1 韓烈祥¹ 羨維偉¹ 沈祥東² 鄭瀟瀟³ 石慶⁴ 張洪印⁵ 柳世杰⁴ 1.川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院；2.中國石油西南油氣田公司川東北氣礦；3.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司；4.中國石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程公司；5.中國石油長城鉆探工程有限公司固井公司)