高密度钻井液除气系统设计与模拟试验

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1、石油机械一10一CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第10期●试验研究高密度钻井液除气系统设计与模拟试验刘刚朱忠喜李峰冯进(1．中国石油大学(华东)2．长江大学3．塔里木油田勘探事业部)摘要针对高压气井使用的高密度钻井液受气侵后除气难度大的问题，设计了室内模拟2级除气试验台架，并给出了具体的试验方案。应用计算流体力学软件模拟分离器内流场分布情况，优化和完善了分离器结构和操作参数。结合室内实测数据分析认为，高密度钻井液由于受高粘度的影响，使得气泡滑脱逃逸能力降低，气泡浮于液相中的时间增加；重力式除气可以清除大气泡，离心式除气可以清除毫米级的小气泡，二者结合使用可

2、以很好地解决高密度、高粘度钻井液除气困难的问题关键词高密度钻井液高粘度钻井液分离器除气模拟试验求。对气侵钻井液进行有效的气液分离也为当前高0引言温高压天然气井的安全钻进提供了技术和装备支持，为三高油气藏的开发和增加产能创造了条件。在高压气层钻井时，如果有高压地层流体侵入分析气液两相在分离器内的流动机理，对了解井眼，钻井液就会受到气侵污染，使密度减小。若地面除气装置内的气体分离过程是十分必要的，同不能及时清除受污染钻井液中的气体而使之再次进时对2级甚至多级分离器设计也是十分重要的。入井筒，将导致井筒内液柱压力下降，并使进入环目前通常是根据气液两相流动的控制方程，通过相空内的气体进一步增多，

3、加剧钻井液的污染程度。关流体力学数值计算软件进行数值试验，模拟分离如此反复循环，井筒内的钻井液密度和粘度将越来器内受气体污染的钻井液分离流动规律，根据数值越小，气体滑脱上移速度也越来越快J，使钻井模拟的结果优化设计分离器结构，之后进行室内试液处于一种气侵逐渐加重的恶性循环中。因此，必验，逐步修改和完善设计内容。须及时采取措施，在钻井液受气侵污染后，在地面及时清除，保证钻井液性能尤其是密度的稳定，避1分离器结构设计免由此引发的钻井液柱压力降低和可能发生的井涌和井喷事故，确保钻井和井控安全_2J。钻井液的除气是一个多相分离问题，主要分为在超高压气层钻井和井控时，需要采用高密度重力沉降和离心分

4、离2大类。重力沉降设备适用于钻井液，增大液柱的压力来平衡地层压力。为了保处理量大而固相浓度不高和颗粒不太小的悬浮液。证高密度钻井液体系的稳定性，一般会同时提高钻通常设计成方形、圆形或锥形，分连续和间歇操作井液的粘度。高密度、高粘度钻井液的除气问题比2种。离心分离包括被动离心分离和主动离心分常规钻井液要困难得多，特别是对小气泡的分离更离，被动分离设备主要是旋流器，主动分离设备主是难上加难。为此，笔者提出了2级分离的方法，要包括离心机。不论采用何种原理来完成除气任务用重力式分离器作为初级分离设备除去气侵钻井液的除气器，其基本点都是使处于钻井液内部的气中的大气泡，而用旋流分离器作为2级分离设备

5、除泡，通过各种方式的作用后，有充分的机会从钻井去小气泡，使得高密度钻井液的性能达到人井要液深处暴露到表面而破裂。在离心力的作用下产生基金项目：国家科技支撑计划项目“三高气井井简压力控制技术”(2008BAB37B02)；山东省自然科学基金项目“高风险井井控安全评估及对策研究”(Y2007F45)。2010年第38卷第10期刘刚等：高密度钻井液除气系统设计与模拟试验湍流，钻井液被摊薄并产生滚翻，内部气泡被暴露几个问题：①满足液体处理量要求；②液封高度；到表面破碎，或在与壁面碰撞时破碎。③旋转转速对分离性能的影响；④转鼓对分离性能由于两相流是复杂的多相流动，具有可变形界的影响。同重力式分离器

6、设计过程一样，通过方案面和可压缩的气相，同时，关于两相流及湍流的理分析，初步设计，应用计算流体力学软件对离心分论研究还不完善。总体来说，国内外对气一液分离离器的内部流场进行数值模拟，不断改进设计方案器的系统研究不多，分离器种类较少。对分离效果和具体结构，优化设计了离心式气．液分离器试验只能做出定性评价，其设计也局限于半经验和直观模型，见图2。的归纳，设计周期长，费用高，分离效果不理想。国内油田现场多应用重力式分离器，且大部分来自进口，价格昂贵。1．1重力式气．液分离器重力式气液分离器结构简单、无能耗，通常作为1级分离设备。气液两相流体进入分离器后，气泡在垂直方向上主要受液体浮力、粘性产生

7、的阻力和重力的作用，分离器的上半部分被气体占据，而下半部分被液体占据。在处理高压气侵钻井液时，清除高密度钻井液中的大气泡效果较好，除气效率一般可达90％以上。图2离心式气一液分离器设计重力式气．液分离器试验模型需考虑以下问1一电动机；2一上简体；3～液气进口管；4一轴；5一导液管；6一转鼓；7一下筒体；8一破旋题：①满足处理量要求；②液封高度；③挡板距离器；9一排液管：10一旁通管；11一排气管。进口位置对分离性能的影响；④斜板倾斜