气体钻井节能减排装置的研制及应用

田玉栋（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院）



气体钻井节能减排装置的研制及应用

田玉栋（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院）

摘要：针对气体钻井常用降尘装置为单筒式降尘短节起不到很好的降尘和节能减排的效果，研发了气体钻井节能减排装置，即在气体钻井排砂管线上安装内外双筒式降尘短节进行降尘。其节能减排降尘原理是：通过注水泵向降尘短节外筒内注水，水流进入内外筒腔体，被内筒管壁上若干出水口分割成具有一定速度的小水流，与含屑气体进行充分接触，起到良好的降尘效果。研究分析表明，该工具具有水流速度快、与岩屑接触面积大、降尘效果好等特点，能够满足气体钻井节能减排和绿化施工要求。通过现场应用7口井，表明该装置具有强制除尘和快速拆装等技术优势，除尘效果可达95%，节约用水700 m3，有效地解决了气体钻井对空气、土地和环境造成污染的难题，达到了节能减排的效果。

关键词：气体钻井；节能减排；新型降尘短节

目前，气体钻井常用降尘装置为单筒式降尘短节，缺点是水流速度慢，水流与含屑气体接触时间短、接触面积小，起不到很好的降尘和节能减排效果，需要搭建防尘棚，给气体钻井增加了额外的投入及工作量。鉴于此，研发了内外双筒式降尘短节，依靠此装置可以达到良好降尘的目的，并省去不必要的投入及额外工作量，达到了节能减排的效果。

1　防尘机理分析及其结构改进

通过对气体钻井降尘机理分析属于管道内降尘。管道内降尘属于有限空间降尘，不用考虑粉尘的形态、运动轨迹、飞扬程度等，只要在粉尘离开该有限空间之前使其降落即可[1-3]。气体钻井降尘要通过润湿机理来迫使粉尘降落，即在排砂管内粉尘必须与水充分接触打湿。

气体钻井原有的降尘装置为现场焊接型，即在排砂管线上选择1个部位采用电气焊切割1个直径约50.8 mm的孔洞（图1），然后焊接1个球阀，通过潜水泵和管线使水经球阀进入排砂管线内；当管线内有粉尘经过的时候就会与水接触，起到降尘效果。但是，原有的降尘装置结构过于简单，在排砂管线内降尘面过短，粉尘不能与水充分接触，所以，在出口排放时仍会有粉尘飘散到空气中，对钻井现场造成粉尘污染。因此，需要对降尘短节结构优化改进，设计一种具有水流速度快、与岩屑接触面积大等优点的新型气体钻井节能减排降尘短节。新设计的短节由内外筒组成，内筒上设有若干排水小孔，外筒上有2个注水口，外筒2侧与内筒之间采用焊接密封，内筒2侧设有法兰，直接与排砂管相连。其结构如图2所示。

图1　中原现场降尘装置结构示意图

图2　新型节能降尘短节结构示意图

2　降尘短节参数设计

气体钻井降尘的关键是让粉尘与水充分接触，因此，新型节能减排降尘短节设计重点是内筒小孔射出水的速度、小孔的大小、内筒上小孔的个数及排布等技术参数。

2.1内筒小孔射水速度

在气体钻井中，从降尘短节小孔射出水的速度应该满足，气体把水滴带出排砂管之前水滴必须垂直运动排砂管直径的距离（图3），即

图3　水射流运动分析

其中

式中：v1为含屑气体在排砂管线内流速，m/s；v2为水流在内筒出水口处流速，m/s；t为水流从内筒出水口运动到相对1侧所需时间，s；L为出水口到排砂管线末端距离，m；D为排砂管线内径，mm；Q为排砂管线内气量，m3/min。

根据气体钻井实际情况代入数据得v2≥1.65 m/ s，为了使小孔射出的水流冲击内筒壁后进行2次降尘，取v2=4 m/s。

2.2内筒水孔直径

内筒水孔直径根据经验公式（3）进行确定：

式中：d0为雾滴直径，μm；K为比例系数，取3453；P为水压，kg/cm2；D为小孔直径，mm。

2.2.1雾滴直径d0

根据降尘机理得出粉尘直径和雾粒直径之间最佳的对应关系[2-4]，即

其中

式中：d1为现场占比例最大的粉尘直径，mm；ρ为粉尘密度，kg/m3；v为排砂管线内气流速度，m/s；η为空气黏度系数；μ为水的黏度系数；ρg为气体密度，kg/m3；ρs为岩屑密度，kg/m3；Rp为机械钻速，m/h；A为井筒横截面积，m2；A1为排砂管线横截面积，m2；Q为注气量，m3/min。

根据气体钻井现场实际情况，代入数据得d0= 170 μm。

2.2.2水压P

潜水泵的水压主要来自于整个流动过程中的水头损失，假设排砂管内压力为0.2 MPa，则需要的水头损失H为20 m；沿程损失为h1，入口变径损失为h2，喷水小孔变径损失为h3，泵距降尘短节的垂直高度h4为5 m，得

根据气体钻井实际情况，代入数据得P =0.27 MPa。

把计算出的d0、P和K值代入公式（3）中，得D =4 mm。

2.3布孔方式及小孔个数

为了减少水流在降尘短节中的能量损失，确保每一个小孔都有足够的射流能量，小孔的当量截面积应该小于注水口的截面积，即

式中：A2为注水口截面积，m2；n为小孔个数。

根据实际情况，代入数据得n≤90，取n =81。

在内筒上每隔10 cm在圆周上开4个小孔，前1个圆周上的孔和下1个圆周上的孔相位相差10°，这样布孔的好处是：内筒壁上的81个小孔都是错位排布，水流没有重叠的，确保了每个相位都有水流射出，能提高降尘效率。

2.4潜水泵的选取

根据小孔个数和射流速度计算潜水泵的流量Q1，即Q1= 81vπD2/4 =14.6 m3/h。

根据整个降尘过程中水头损失来确定潜水泵所需的工作扬程H0。从上述计算水压的过程可以得出，整个降尘过程中所需的水头损失为27 m；所以，降尘所需潜水泵必须满足扬程在27 m时泵的流量要达到14.6 m3/h。

3　现场应用

2011—2014年，大庆油田肇深17、古深3、徐深904等7口气体钻井中均应用了该节能减排装置[5]，平均每口井使用时间12 d，每口井节约用水100 m3，共节约用水700 m3。通过现场应用表明：该装置是一种新型的具有强制除尘和快速拆装的气体钻井用除尘装置，能对排砂管内粉尘进行有效降尘，出口返出基本无粉尘颗粒（图4），除尘效果可达95%，有效地解决了由于气体钻井排量大导致灰尘飞扬、对土地和环境造成污染的问题，达到了节能减排的目的。

图4　气体钻井节能减排降尘装置现场应用效果

4　结论

1）设计的内外筒组合式降尘短节原理可行，具有水流速度快、与岩屑接触面积大、降尘效果好等特点，能够满足气体钻井节能减排和环保施工要求。

2）通过使用降尘短节，可以省去搭建防尘棚费用及额外劳动量，减少钻井成本投入及提高钻井效率。

3）通过现场应用表明：新型降尘短节具有强制除尘和快速拆装等技术优势，节约用水700 m3，除尘效果可达95%，有效地解决了气体钻井对空气、土地和环境造成污染的难题，达到了节能减排效果。

参考文献：

[1]李高峰，马胜利，刘亚力.高效喷雾降尘的理论研究[J].矿山机械，2009，37（19）：26-29.

[2]吴琼，题正义.综采工作面喷雾降尘技术研究[J].矿山工程，2007（15）：47-48.

[3]李新，王磊，冯秀丽.一种新型连续降尘装置的研究与应用[J].科技信息，2008（23）：721.

[4]纪传东，李文才.气化喷雾降尘器的应用[J].能源技术与管理，2008（23）：92，116.

[5]杨决算.大庆油田气体钻井配套技术及应用[J].石油钻探技术，2012，40（6）：47-50.

（编辑李发荣）

收稿日期2015-12-18

作者简介：田玉栋，工程师，2007年毕业于中国石油大学（北京）（石油工程专业），从事气体钻井、欠平衡钻井、控压钻井技术研究工作，E-mail：tianyudong@cnpc.com.cn，地址：黑龙江省大庆市红岗区八百垧钻井研究院欠平衡所，163413。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.008