控制气体钻井粉尘排放密闭循环分离系统的探讨

向雪琳（川庆钻探工程有限公司井下作业公司）

目前气体钻井通常采用出井气体直接排放的方式[1-3]，这一常规做法由于安全和环境风险较高，使气体钻井的应用受到一定限制，在页岩气的开发中尤为突出。常规气体钻井通常使用液气分离器，这种两相分离器只适用于单相流钻井，不能有效抑制粉尘，也不能实现油气分离，返出气体中若含有天然气或硫化氢则排放至点火池进行燃烧处理，该工艺存在较大安全和环境隐患。针对常规气体钻井岩屑处理弊端，威德福公司研发出一种密闭循环Sentry系统，成功实现了气、液、固的三相分离。

1 密闭循环分离技术

气体钻井密闭循环系统，与常规气体钻井直接将返出流体排放到土建泥浆池的方法不同，它是将返出流体储存在系统内，气、液、固相物质被分别处理后直接排放或点火排放[4]。整个处理过程在密闭条件下完成，有效地减少了常规气体钻井引起的土壤、水质的污染，以及大量粉尘对作业人员健康的危害。

传统气体钻井有诸多难点，采用密闭循环技术后，都可得到有效解决，Sentry 系统应用于气体钻井主要解决以下问题：

1）气体钻井产生的大量粉尘。密闭循环系统通过注水分离技术，有效去除返出流体中的大量粉尘颗粒。

2）回火危及到人身安全。密闭循环系统采用密闭燃烧，并采用自动点火，有效解决了回火带来的安全隐患。

3）气体钻井导致土壤和地下水污染问题。采用密闭循环分离系统不需要土建泥浆池，避免了相关的环境污染风险。

2 结构组成与工作流程

Sentry 密闭循环分离系统（图1）[4]是在密闭罐内通过注水方法实现密闭罐内气、液、固三相的分离，经过分离的固、液混合流体通过单独流动通道输送至不同处理装置进行处理，气体直接排放或点火燃烧排放。

图1 Sentry密闭循环分离系统

Sentry 系统主要由两个橇装单元组成。其中一个橇装单元是集水泵，主要为整个处理流程提供循环水源，这种集水泵使水源在系统内部反复循环，通过预先润湿返出管线内的岩屑表面，来改善粉尘抑制效果。集水泵采用可编程逻辑控制单元，与液位计组合使用，自动保持分离系统内液位的恒定。

第二个橇装单元由一个大型密闭罐和分离系统组成。从井口返出的岩屑、气体、液体通过气体钻井的排砂管线进入密闭罐进行岩屑的分离处理。密闭罐内设计了链式挡板，当返出流体经过膨胀式进口时，链式挡板能有效去除罐底沉积的大部分固相颗粒，返出流体经过链式挡板后，水滴喷头喷水润湿微粒表面，同时使气体从较大固相物质中分离出来。

密闭罐能有效控制气体点火时回火引起的爆燃事故。密闭罐内设计了一个内罐，包括：背板式分离器，用于从水中分离原油和细微颗粒，保证了经过处理后的气体达到直接排放标准。防雾装置，能有效去除排出气体中的水雾，确保排出气体为纯净干气。该系统处理液体能力达到124 m3/h，处理纯气能力达到169 m3/min。

Sentry密闭循环分离系统流程见图2[4]。

图2 Sentry密闭循环系统流程图

3 现场试验

Sentry 密闭循环分离系统首次在美国宾西法利亚州Fayette县现场试验了3口井（图3），空气钻井总进尺达到6548 m，系统运行良好。

为了监控密闭循环系统应用效果，为试验井建立了绩效指标，包括测试并操作储罐，确保自动液位功能，按照固相处理极限能力进行试验，在正压损失或甲烷读数达到爆炸极限条件下，验证点火系统。

图3 Sentry密闭循环分离系统现场应用

3口试验井井身结构相同。试验1井共钻4个井段：508 mm井眼钻至99 m；381 mm井眼钻至161 m；276 mm 井眼钻至693 m；200 mm 井眼钻至2072 m。试验3井总井深2519 m，试验井现场无放喷池，利用密闭循环系统将气体中的固相成功分离出来，顺利实现放喷点火，密闭循环分离系统在3口井运行稳定，达到了设计要求。

4 结论

1）密闭循环分离核心技术是通过注水在罐内实现气、液、固分离，分离后的流体通过不同流动通道运输至由不同装置进行处理。根据气体介质的不同，可采用直接排放或点火排放的方式。

2）采用密闭循环分离系统，现场无需建造泥浆池，极大地减少了气体钻井过程中粉尘的释放，有效防治了粉尘对健康的危害，控制了环境污染，降低了作业成本。

3）密闭循环分离系统适用于空气钻井、控制压力钻井和欠平衡钻井，在3口空气钻井井眼试验中，通过对水源质量、粉尘、空气质量和数据采集的有效控制，取得良好应用效果。

4）气体钻井技术结合新型密闭循环分离系统，解决了常规气体钻井粉尘排放的难题，作业更加环保，安全风险降低，对国内气体钻井技术的发展具有一定的借鉴意义，可尝试在页岩气开发中进行推广应用。

[1]李军,柳贡慧,韩烈祥.气体循环钻井工艺系统研究[J].钻采工艺,2010,33(3):48-50.

[2]窦金永.气体钻井专用连续循环系统的研制[J].石油矿场机械,2014,43(1):66-69.

[3]许期聪,邓虎,周长虹,等.连续循环阀气体钻井技术及其现场试验[J].天然气工业,2013,33(8):83-87.

[4]David Vieraitis,Craig Lagrandeur,Bansal R K.Sentry closedloop separation system for air drilling[C].Drilling Engineers Association Meeting,2012.