专家视点 气体循环利用钻井新思路 口柳贡慧李军孙国刚姬忠礼徐宝昌／中国石油大学 柳贡慧男，１９６３年生。工学博士，教授，博士生导师。现任北京联合大学校长，中国石油 大学（北京）兼职教授。 长期从事石油天然气领域油气钻井科研工作及高等学校的教学、行政管理工作。先后负责 国家８６３、国家重大科技专项、国家自然科学基金、中石油九五科技攻关、中石油集团公司创 新基金以及中国石油化工股份有限公司、中国海洋石油总公司等多个重大项目的研究工作。 Ｗ－．－－年来，气体钻井在我国得到大力 Ｊ ．１Ｉ推广应用。其使用的携岩介质通 常包括空气、氮气、天然气等 由于空 井装备外，新增的关键设备主要包括以 下方面： 步处理，采用过滤、聚集等方法，除 去粒径超过３ ｍ以上的岩屑颗粒，岩屑 和液体通过排料系统排出，而过滤后 的洁净气体进入压缩机循环使用。过 气的成本最低，因而使用最多。但是在 小容量膜制氮装置由于将气体循 钻遇储层时，空气与天然气混合后，容 环利用，使氮气钻井仅使用小容量制氮 易产生井下燃爆问题。因此，在钻进储 装置成为可能。目前，国内膜制氮技术 层时，通常采用氮气、天然气作为携岩 介质。尽管避免了井下燃爆，但仍然存 在制氮成本昂贵、天然气气源限制、资 滤系统主体内部设置多根滤管，滤管 尺寸为外径９５ｒａｍ，长度１５００ｍｍ。过 已经很成熟，小容量膜制氮机的成本相 对进口大容量制氮装置要低得多。 分离系统分离系统采用切流反转 式多级高效旋风分离器。借助离心力分 离到较大粒径的岩屑颗粒，岩屑和液体 通过排料系统排出，而分离后的气体进 滤系统采用一开一备方式，系统撬装 如图３所示。 源浪费、环境污染等问题。目前气体钻 井均采用出井气体直接排放的方式。如 控制系统气体循环利用钻井新工 艺不同于常规的气体钻井，气体流动由 开环变为闭环环境。其工艺流程比常规 的气体钻井要复杂，因此为了保证整套 果能将气体回收，象普通钻井液一样循 环使用，则可以大大减少能源消耗，降 低钻井成本。同时，如果地层出气量较 入下一级分离。排料系统采用了水力输 送方式，通过污水泵向砂罐和泥罐中注 大，还可以进行天然气的分离与回收利 用，使气体钻井的综合效益明显提高。 可见，深入研究气体循环利用钻井技术 设备的平稳长周期运行，我们设计了专 门的自动控制系统 水，利用系统压力来将液固输送出系 统。当气体流量突然增加，压力突然升 高的时候，可以通过缓冲罐的安全阀卸 压，将气体排放到火炬处。 钻井现场均 具有重要的工程意义。 根据工艺操作、运行状态监控、 安全保护等方面的要求，确定了系统 中的检测点与控制点，采用了以小型 ＰＬＣ系统为主体的解决方案。所有的 气体循环利用 钻井技术新工艺 气体循环利用钻井新技术的总体 思路是对循环出井的气液固混合物进 行有效分离，液体和岩屑排放掉，而分 离、过滤、净化后的气体再次进入压缩 为野外环境，对设 备的可靠性要求较 高。因此，我们对 分离系统进行了相 应的研究与设计， 浓 机、增压机进行循环利用 如果采用天 然气钻井，也可以将分离后的气体直接 注回气源管线进行回收利用。整体工艺 方案设计如图ｌ所示。 实现了设备撬装， 以便运输与安装。 分离系统撬装如图 ２所示。 气体循环利用 钻井涉及的新装备 除空压机、增压机等常规气体钻 精细过滤系统 精细过滤系统的作 用是将分离系统排 出的气体进行进一 图１气体循环利用钻井新工艺示意图 ２０１１年Ｏ２月总第３６期（双月刊）６５ 专家视点 图２分离系统撬装 图３精细过滤系统撬装 图４控制系统图 ＰＬＣ模块、断路器、继电器、输入输出 隔离安全栅、输入输出端子均安装在 ＰＬＣ控制柜中，加工完成后的控制系统 如图４所示。 前景展望 由于气体钻井具有及时发现和保 用后，机械钻速得到了大幅度提高，剑 门１０１井的试验井段机械钻速提高了一 倍左右。 该技术已经引起了国际钻井界的 护储层、大幅度提高机械钻速等巨大优 势，我国在今后的钻井作业中也必将会 可见，气体循环利用钻井新增没 备包括了小容量制氮装置、分离系统、 精细过滤系统以及控制系统等。这些装 更多的采用该项技术。目前很多油田单 位都在积极进行气体钻井设备的购置与 高度关注。《美国气体钻井手册》主编 Ｂｏｙｕｎ Ｇｕｏ教授专程赴我国钻井现场学 配套工作，而高成本成为制约气体钻井 推广的瓶颈。因此，本研究形成的气体 循环利用钻井新技术的发展前景是非常 广阔的。在大邑１０ｌ井和剑门１０１井进行 的现场试验结果表明，经过该系统分离 习考察该技术，并给予高度评价。目前 该套技术与装备已经具备了推广应用的 条件，且具有完全的自主知识产权。在 经过进一步完善后，将对我国气体钻井 置所涉及的技术均比较成熟，可以确保 装置的可靠性和稳定性。同时，分离与 过滤系统都是依靠物理结构进行工作 的，本身并不需要动力设备驱动，因此 处理后的气体非常洁净，能够满足进入 技术的发展、提高我国在国际钻井界的 压缩机的要求。而且，气体部分循环利 大大降低了能耗。 影响力起到积极的推动作用。圆
