氣體循環鑽井工藝系統及其方法
2023-11-02 23:41:22
專利名稱：氣體循環鑽井工藝系統及其方法
技術領域：
本發明涉及一種石油與天然氣鑽井工藝，特別是一種氣體循環鑽井工藝系 統及其方法。
背景技術：
氣體鑽井技術是近幾年來在國內外得到普遍重視和廣泛應用的一項新技 術。它採用空氣、天然氣、氮氣及尾氣等氣體作為循環介質，極大地降低了井 筒液柱壓力，實現了真正意義上的欠平衡鑽井。因而具有有效保護油氣儲層、 及時發現油氣顯示、大幅度提高鑽井速度、縮短建井周期、降低鑽井成本、提 高油氣採收率等諸多優點，現己成為開發低壓低滲儲層、溶洞及裂縫發育的易 井漏地層、多層薄層且物性差儲層等難拿產量、以及大幅度提高鑽井速度、增 產增效的關鍵技術之一。
當前的氣體鑽井工藝方式存在以下不足
1、 汙染環境氣體鑽井井口排出物含有大量的粉塵，直接排放到大氣中 會造成空氣汙染，而所採用的氣體以及井下出天然氣等直接排放或燃燒也都會 造成一定的汙染；
2、 成本高昂如採用氮氣，則大容量的制氮裝置成本昂貴；如採用尾氣， 則需要消耗大量的柴油以產生尾氣；如採用天然氣，則需要有距離較近而且壓 力足夠高的氣源井，每鑽一口井至少消耗幾十萬方天然氣。
鑑於當前氣體鑽井作業普遍存在汙染大、成本高的缺陷，亟需提供一種能 夠循環利用出井氣體，從而降低成本並且減少汙染的氣體循環鑽井工藝系統及 其方法。
發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種能夠循環利用出井氣體，從而 降低成本並且減少汙染的氣體循環鑽井工藝系統及其方法。 為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案 根據本發明，提供一種氣體循環鑽井工藝方法，包括以下步驟(1) 將氣源裝置中的氣體增壓後注入到井內；
(2) 注氣完畢後開始鑽進；
(3) 井內的氣液固混合物循環出井進入三級分離與淨化系統；
(4) 分離後的潔淨氣體經增壓後再次注入井內循環使用。
進一步的，在所述步驟(3)中，各級分離淨化系統排出的巖屑和液體都直
接排放到排砂池內。
進一步的，三級分離與淨化系統由一級慣性快分系統、二級旋風分離系統
和三級精細過濾系統組成。
更進一歩的，所述一級慣性快分系統用於粗分、除砂；所述二級旋風分離
系統用於細分、除泥；而所述三級精細過濾系統用於分離微小顆粒。 更進一步的， 一級慣性快分系統可除去粒徑大於0. l歴的顆粒。 更進一步的，二級旋風分離系統可除去粒徑大於10um的顆粒。 更進一步的，三級精細過濾系統可除去粒徑大於3 u m的顆粒。 進一步的，氣體為氮氣、天然氣或尾氣。 進一步的，所述步驟(1)中使用壓縮機進行氣體增壓。 進一步的，將所述壓縮機的出口氣體注入增壓機二次增壓後再注入井內。 藉助於本發明，能夠實現下述有益效果
1. 保留了現有氣體鑽井技術的優點；
2. 可實現氣體的循環使用，減小氣體用量，節約了能源； 一方面降低了氣體製備裝置的投入，降低鑽井成本；同時降低了對天然氣
氣源井的壓力要求，拓展了天然氣鑽井應用範圍；減少環境汙染，改善井場環 境和工作條件。
本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡 述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯 而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可 以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲 得。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發 明作進一步的詳細描述，其中
圖l是根據本發明的氣體循環鑽井系統工藝流程示意圖；以及圖2是現有技術中典型氣體鑽井工藝系統工作流程示意圖。
具體實施例方式
目前常用的典型氣體鑽井工藝如圖2所示，其工藝流程如下
氣源可以採用空氣、氮氣、天然氣或尾氣。如果採用氮氣，需要有專門
的大容量制氮裝置；如果採用天然氣，需要在所鑽井附近有壓力足夠高的天然
氣氣源井；如果採用尾氣，需要有專門的尾氣發生器產生尾氣。
壓縮機對氣體進行壓縮， 一般可增至2.4MPa左右。如果井比較淺，可以
將壓縮機出口的氣體直接注入井內。當井比較深，所需壓力較高時，則需要進
一步增壓。
增壓機對氣體進一步增壓， 一般可增至十幾MPa。壓力的高低根據所鑽井 的需要而定。
氣體入井增壓後的氣體通過立管注入井內，然後從環空返出地面。此時 的氣體已經和巖屑、井下流體混合在一起。
井口排放無論採用何種氣體，當前的處理方式都是直接排放或燃燒。 當前的氣體鑽井工藝方式存在以下不足
汙染環境氣體鑽井井口排出物含有大量的粉塵，直接排放到大氣中會造 成空氣汙染。而所採用的氣體以及井下出天然氣直接排放或燃燒都會造成一定 的汙染。
增加成本如採用氮氣，則大容量的制氮裝置成本昂貴，以30Nm3/min的 制氮裝置為例，其成本約在300萬人民幣左右。如採用尾氣，則需要消耗大量 的柴油以產生尾氣，以Z12V90柴油機為例，每分鐘消耗的油量為3. 5Kg，每天 的消耗量大約在5噸以上。如採用天然氣，則需要有距離較近而且壓力足夠高 的氣源井，每鑽一口井至少消耗幾十萬方天然氣。
由此可見，目前的氣體鑽井作業中，出井的氣體均直接排放或放燃，沒有 進行循環利用，因此，在一定程度上造成了資源的浪費和成本的增加。倘若能 將氣體循環使用，則可以大大降低氣體用量，從而顯著降低氣體鑽井的成本。
本發明的目的在於建立氣體循環鑽井工藝系統。通過對井口返出的氣液固 混合物進行有效分離，分離後的氣體重新注入井內循環使用，減少氣體用量， 而分離後的液體和巖屑顆粒排放到排砂池。進而達到降低氣體鑽井成本，減少 環境汙染的目的。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細描述。需要注意的是，根據本發明的氣體鑽井工藝方式的實施方式僅僅作為例子，但本發明不限 於該具體實施方式
。
根據本發明，將氣源裝置中的氣體增壓後注入到井內；注氣完畢後開始鑽 進；井內的氣液固混合物循環出井進入三級分離與淨化系統；分離後的潔淨氣 體經增壓後再次注入井內循環使用。通過對井口返出的氣液固混合物進行有效 分離，分離後的氣體重新注入井內循環使用，減少氣體用量，而分離後的液體 和巖屑顆粒排放到排砂池，最終通過氣體的循環利用達到降低氣體鑽井成本， 減少環境汙染的目的。
其中三級分離與淨化系統是本發明氣體循環鑽井工藝系統的核心。本發明 的三級淨化系統分為慣性快分系統、旋風分離系統和精細過濾系統。
本發明的三級淨化系統的慣性快分系統的主要功能為粗分、除砂，除去 粒徑超過0. lmm的顆粒，其進口氣速可達16m/s;強度達0. 6MPa;重量160kg; 壁厚6mm。
本發明的三級淨化系統的旋風分離系統，主要功能為細分、除泥，除去粒 徑大於10um的顆粒；進口氣速可達20m/s;強度達0. 6MPa;重量150kg; 壁厚6腿。
本發明的三級淨化系統的精細過濾系統，主要功能為除去粒徑大於3um 的顆粒；強度可達1.0MPa;重量1000kg;壁厚36mm。
接下來將參照圖1，對本發明的氣體循環鑽井系統工藝流程進行詳細描述。
本發明的適用介質包括氮氣、天然氣、尾氣。如果採用氮氣作為循環介 質，則需要使用小容量的制氮裝置即可；如果採用天然氣作為循環介質，則需 要有接自氣源井的管線；如果採用尾氣，則需要有尾氣發生器。由於氣體改為 循環使用，因此，所用氣量會大幅度減少。
參見圖1，其具體操作步驟為
1、 氣源準備根據氣體介質的不同，啟動相應的設備。
(1) 採用氮氣，則啟動小容量制氮裝置製備氮氣；
(2) 如果採用天然氣，則開啟氣源管線；
(3) 如果採用尾氣，則啟動尾氣發生器產生尾氣。
2、 氣體通過壓縮機進行一級增壓，根據鑽井設計的壓力要求，確定壓縮機 出口氣體是否直接注入井內，或進入增壓機二次增壓後再注入井內。另外，對 天然氣鑽井而言，如果氣源井壓力足夠高，可以直接注入井內。如果氣源井壓力不足以滿足鑽井設計的壓力要求，則可以根據實際需要確定是否進入壓縮機
和增壓機；
3、 持續向井內注氣，當井內氣量達到鑽進所需氣量時，開始鑽進；
4、 鑽進過程中，氣液固混合物循環出井後，先進入慣性快分裝置，除去粒 徑大於0. lmm的顆粒；
5、 經過一級慣性快分的氣體進入二級旋風分離，除去粒徑大於10um的顆粒;
6、 經過二級旋風分離的氣體進入過濾器，除去粒徑超過3um的顆粒；
7、 分離後的潔淨氣體進入壓縮機、增壓機增壓後，再次注入井內循環使用；
8、 各級分離淨化系統排出的巖屑和液體直接進入排砂池。
9、 鑽井過程中，氣源裝置繼續工作，以彌補鑽井過程中的氣量損失。 以下將分別針對以氮氣、天然氣和尾氣作為循環介質的情況，對本發明的
優選實施例進行進一步詳細描述。 實施例一採用氮氣作為循環介質
1、 氣源準備啟動小容量制氮裝置製備氮氣；
2、 氣體通過壓縮機進行一級增壓，根據鑽井設計的壓力要求，確定壓縮機 出口氣體是否直接注入井內，或進入增壓機二次增壓後再注入井內；
3、 持續向井內注氣，當井內氣量達到鑽進所需氣量時，開始鑽進；
4、 鑽進過程中，氣液固混合物循環出井後，先進入慣性快分裝置，除去粒
徑大於0. lmm的顆粒；
5、 經過一級慣性快分的氣體進入二級旋風分離，除去粒徑大於10 u m的顆粒;
6、 經過二級旋風分離的氣體進入過濾器，除去粒徑超過3um的顆粒；
7、 分離後的潔淨氣體進入壓縮機、增壓機增壓後，再次注入井內循環使用；
8、 各級分離淨化系統排出的巖屑和液體直接進入排砂池。
9、 鑽井過程中，氣源裝置繼續工作，以彌補鑽井過程中的氣量損失。
實施例二採用天然氣作為循環介質
1、 氣源準備開啟氣源管線；
2、 如果氣源井壓力足夠高，可以直接注入井內。如果氣源井壓力不足以滿
足鑽井設計的壓力要求，則可以根據實際需要確定是否進入壓縮機和增壓機；
3、 持續向井內注氣，當井內氣量達到鑽進所需氣量時，開始鑽進；
4、 鑽進過程中，氣液固混合物循環出井後，先進入慣性快分裝置，除去粒 徑大於0. lmm的顆粒；5、 經過一級慣性快分的氣體進入二級旋風分離，除去粒徑大於10 u m的顆粒;
6、 經過二級旋風分離的氣體進入過濾器，除去粒徑超過3um的顆粒；
7、 分離後的潔淨氣體進入壓縮機、增壓機增壓後，再次注入井內循環使用；
8、 各級分離淨化系統排出的巖屑和液體直接進入排砂池。
9、 鑽井過程中，可間歇性開啟氣源管線，以彌補鑽井過程中的氣量損失。實施例三採用尾氣作為循環介質
1、 氣源準備啟動尾氣發生器產生尾氣；
2、 氣體通過壓縮機進行一級增壓，根據鑽井設計的壓力要求，確定壓縮機出口氣體是否直接注入井內，或進入增壓機二次增壓後再注入井內；
3、 持續向井內注氣，當井內氣量達到鑽進所需氣量時，開始鑽進；
4、 鑽進過程中，氣液固混合物循環出井後，先進入慣性快分裝置，除去粒徑大於0. Iran的顆粒；
5、 經過一級慣性快分的氣體進入二級旋風分離，除去粒徑大於10 " m的顆粒;
6、 經過二級旋風分離的氣體進入過濾器，除去粒徑超過3um的顆粒；
7、 分離後的潔淨氣體進入壓縮機、增壓機增壓後，再次注入井內循環使用；
8、 各級分離淨化系統排出的巖屑和液體直接進入排砂池。
9、 鑽井過程中，氣源裝置繼續工作，以彌補鑽井過程中的氣量損失。綜上所述，根據本發明的氣體循環鑽井工藝系統保留了現有氣體鑽井技術
的優點；可實現氣體的循環使用，減小氣體用量，節約能源；降低了氣體製備裝置的投入，降低鑽井成本；降低了對天然氣氣源井的壓力要求，拓展了天然氣鑽井應用範圍；減少環境汙染，改善井場環境和工作條件。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種氣體循環鑽井工藝方法，其特徵在於包括以下步驟(1)將氣源裝置中的氣體增壓後注入到井內；(2)注氣完畢後開始鑽進；(3)井內的氣液固混合物循環出井進入三級分離與淨化系統；並且(4)分離後的潔淨氣體經增壓後再次注入井內循環使用。
2. 根據權利要求1所述的氣體循環鑽井工藝方法，其特徵在於在所述步驟(3)中各級分離淨化系統排出的巖屑和液體都直接排放到排砂池內。
3. 根據權利要求1或2所述的氣體循環鑽井工藝方法，其特徵在於所述的三級分離與淨化系統由一級慣性快分系統、二級旋風分離系統和三級精細過濾系統組成。
4. 根據權利要求3所述的氣體循環鑽井工藝方法，其特徵在於所述一級慣性快分系統用於粗分、除砂；所述二級旋風分離系統用於細分、除泥；而所述三級精細過濾系統用於分離微小顆粒。
5. 根據權利要求4所述的氣體循環鑽井工藝方法，其特徵在於所述的一級慣性快分系統用於除去粒徑大於0. lmm的顆粒。
6. 根據權利要求4所述的氣體循環鑽井工藝方法，其特徵在於所述的二級旋風分離系統用於除去粒徑大於10 u m的顆粒。
7. 根據權利要求4所述的氣體循環鑽井工藝方法，其特徵在於所述的三級精細過濾系統用於除去粒徑大於3 u m的顆粒。
8. 根據權利要求1或2所述的氣體循環鑽井工藝方法，其特徵在於所述的氣體為氮氣、天然氣或尾氣。
9. 根據權利要求1或2所述的氣體循環鑽井工藝方法，其特徵在於所述步驟(1)中使用壓縮機或增壓機進行氣體增壓。
10. 根據權利要求9所述的氣體循環鑽井工藝方法，其特徵在於當需要提高注氣壓力時，將壓縮機出口氣體注入增壓機二次增壓後再注入井內。
全文摘要
本發明公開了一種氣體循環鑽井工藝系統及其方法，它包括以下步驟將氣源裝置中的氣體增壓後注入到井內；注氣完畢後開始鑽進；井內的氣液固混合物循環出井進入三級分離與淨化系統；分離後的潔淨氣體經增壓後再次注入井內循環使用。通過氣體的循環利用，達到減少氣體用量，降低氣體鑽井成本，減少環境汙染的目的。
文檔編號E21B21/00GK101624900SQ20081011631
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月8日 優先權日2008年7月8日
發明者姬中禮, 孫國剛, 軍 李, 柳貢慧 申請人:中國石油大學(北京)