李建亭，宰艷玲，聶 軍

(1.中石化中原工程公司 工程服務(wù)管理中心，河南 濮陽 457001；2.中原石油工程技術(shù)有限公司 鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001)①

隨著油氣勘探開發(fā)區(qū)域不斷拓寬，逐漸由淺層向深層、由簡單地層向復(fù)雜地層發(fā)展，深井、超深井將是今后勘探開發(fā)的重點(diǎn)。隨著井深的增加，地層壓力越來越大，所用鉆井液的密度隨之升高，同時(shí)伴隨著黏度和切力的增大，鉆井液的流動性能變差，使侵入鉆井液中的氣泡更加難以去除，導(dǎo)致除氣器的除氣效率明顯降低[1-2]。另外，現(xiàn)有真空除氣器普遍采用真空抽吸的方式進(jìn)液，即依靠真空的吸力，將鉆井液吸入除氣器內(nèi)進(jìn)行處理[3-5]。當(dāng)鉆井液密度增高時(shí)，吸入的難度增大，造成除氣器的處理量大幅下降。因此，針對高密度鉆井液的特點(diǎn)，研制的深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器，設(shè)計(jì)了軸流式輔助進(jìn)液裝置和射流式排液裝置，具有較大的抽吸能力，大幅提高了除氣器的真空度，進(jìn)而提升了處理量和除氣效率。

1 結(jié)構(gòu)組成

深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器由真空罐、底座、真空泵、輔助進(jìn)液裝置、控制箱及排液裝置等組成，工作原理如圖1所示。真空罐為除氣器的核心部件，罐內(nèi)中心安裝有立管，立管的四周加工有多個(gè)排液孔，立管外側(cè)安裝有7層導(dǎo)流板。導(dǎo)流板的表面積較大，是氣液分離的場所；真空泵可為真空罐提供一定的真空度，使氣侵鉆井液進(jìn)入真空罐，同時(shí)將氣體抽出真空罐；輔助進(jìn)液裝置用于高密度鉆井液時(shí)，為進(jìn)入真空罐的鉆井液提供輔助動力，提高除氣器的處理量；排液裝置用于真空罐內(nèi)除氣后的鉆井液的排出，要求排液裝置具有較強(qiáng)的抽吸能力和較大的排量。除氣器采用撬裝式底座結(jié)構(gòu)，所有設(shè)備全部安裝在底座上，便于安裝和運(yùn)輸。

1—排氣管； 2—真空泵； 3—真空罐； 4—導(dǎo)流板；5—補(bǔ)氣閥；6—排液裝置；7—排液管 ； 8—輔助進(jìn)液裝置；9—進(jìn)液管。

2 工作原理

真空泵及排液裝置的抽吸作用使真空罐內(nèi)形成負(fù)壓，同時(shí)，鉆井液在大氣壓的作用下，通過進(jìn)液管、輔助進(jìn)液裝置，進(jìn)入真空罐中心的立管，再由立管四周的開孔，分別流到7層導(dǎo)流板上，由于導(dǎo)流板面積很大，將鉆井液攤薄，促使鉆井液中的氣泡逸出。同時(shí)，每個(gè)導(dǎo)流板的表面成波浪形，使鉆井液在流動過程中形成紊流，加速氣泡逸出。逸出的氣體通過真空泵的抽吸被排往安全地帶，除氣后的鉆井液則由于自重進(jìn)入真空罐底部，經(jīng)由排液裝置排出罐外。當(dāng)鉆井液密度較大時(shí)，可啟動輔助進(jìn)液裝置，提高除氣器的處理能力。

3 主要技術(shù)參數(shù)

處理量 380 m3/h

真空度 57 kPa

除氣效率 93.5%

真空泵功率 2.2 kW

輔助進(jìn)液裝置功率 4 kW

射流泵功率 45 kW

4 關(guān)鍵技術(shù)

1) 大排量輔助進(jìn)液裝置。

在深井鉆井時(shí)鉆井液密度較高，單靠真空的抽吸作用，已很難提高除氣器的處理能力。 因此，需設(shè)計(jì)輔助進(jìn)液裝置，提高處理量[6-7]。在流體機(jī)械中，能作為除氣器進(jìn)液裝置使用的主要有離心式、容積式、軸流式3種結(jié)構(gòu)型式。作為真空除氣器的進(jìn)液裝置，應(yīng)首先具有較高的排量，其排量應(yīng)不低于除氣器自身的處理量，同時(shí)，進(jìn)液裝置的揚(yáng)程不宜太高，以避免在真空罐內(nèi)形成鉆井液飛濺，影響除氣效果。軸流泵具有大排量、低揚(yáng)程的特點(diǎn)，體積和功耗都相對較小。因此，采用軸流式結(jié)構(gòu)為輔助進(jìn)液裝置的方案[8-11]。輔助進(jìn)液裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

輔助進(jìn)液裝置由進(jìn)液管、葉輪、泵軸、機(jī)械密封、軸承、軸承座和電機(jī)等組成，為了減少空間占用，將電機(jī)與泵軸直連，泵軸通過三個(gè)軸承固定在軸承座上，在軸承座的外端面安裝機(jī)械密封，并在泵軸的末端安裝葉輪，使用螺母將葉輪鎖緊。

工作時(shí)，由于除氣器真空罐內(nèi)產(chǎn)生了真空，將鉆井液吸入進(jìn)液管，鉆井液經(jīng)葉輪和立管進(jìn)入真空罐。當(dāng)鉆井液密度較高時(shí)，啟動輔助進(jìn)液裝置電機(jī)，帶動泵軸及葉輪高速旋轉(zhuǎn)，可將更多的鉆井液送入真空罐，從而提高除氣器的處理能力。

1—進(jìn)液管；2—葉輪； 3—泵軸； 4—機(jī)械密封；5—軸承； 6—軸承座； 7—電機(jī)。圖2 輔助進(jìn)液裝置結(jié)構(gòu)

2) 高吸程射流排液裝置。

排液裝置用于將真空罐內(nèi)的鉆井液抽吸出來，排入循環(huán)罐內(nèi)。由于真空罐內(nèi)具有較高的真空度，因此，要求排液裝置應(yīng)具有較高的吸程，其排量應(yīng)不低于除氣器自身的處理量。綜合考慮離心式、容積式、軸流式、射流式等結(jié)構(gòu)型式，選擇具有高吸程、大排量的射流式排液結(jié)構(gòu)，可滿足真空除氣器的排液要求[12-14]。

圖3為射流排液裝置結(jié)構(gòu)圖，由動力液入口、進(jìn)液腔、噴嘴、喉管、擴(kuò)散管和混合液出口組成。 動力液入口連接1臺功率至少為45 kW的砂泵，在鉆井現(xiàn)場，可用除砂器或除泥器砂泵供液；進(jìn)液腔連接真空罐出口。砂泵提供的鉆井液經(jīng)動力液入口，由噴嘴噴出形成射流，在喉管的收縮及擴(kuò)散管的擴(kuò)散作用下，在進(jìn)液腔內(nèi)形成強(qiáng)大的真空作用。真空罐內(nèi)的鉆井液被吸入進(jìn)液腔，并隨射流經(jīng)喉管、擴(kuò)散管和混合液出口，排入循環(huán)罐。

1—?jiǎng)恿σ喝肟冢?—進(jìn)液腔； 3—噴嘴；4—喉管； 5—擴(kuò)散管； 6—混合液出口。

5 室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 室內(nèi)試驗(yàn)

深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器試制完成后，進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，分為清水試驗(yàn)和型式試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)新型除氣器各零部件的工作狀態(tài)及測試除氣器的除氣性能，是否具備上井現(xiàn)場應(yīng)用的條件。試驗(yàn)測試方法應(yīng)符合石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5612—2007《石油鉆井液固相控制設(shè)備規(guī)范》的規(guī)定[15]。

1) 清水試驗(yàn)。

目的是檢驗(yàn)除氣器各零部件的工作狀態(tài)，包括真空泵、輔助進(jìn)液裝置、液面控制機(jī)構(gòu)等是否工作正常，真空罐體、輸氣輸液管道是否泄漏等。經(jīng)測試，除氣器各零部件工作正常，出現(xiàn)泄漏的管道接頭部位均重新緊固，無泄漏發(fā)生。除氣器在清水介質(zhì)下，處理量達(dá)387 m3/h，真空度為0.056 MPa，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2) 型式試驗(yàn)。

用于測試除氣器的除氣性能。試驗(yàn)步驟如下：

①按要求配制10 m3密度為1.04 g/cm3，黏度為30 s的標(biāo)準(zhǔn)鉆井液。

②使用空氣壓縮機(jī)，在鉆井液中充入空氣，并使用攪拌器充分?jǐn)嚢琛?/p>

③停止充氣，繼續(xù)攪拌30 min，使鉆井液密度穩(wěn)定。

④測量充氣鉆井液密度。

⑤啟動真空除氣器，并在除氣器出液口取樣。

⑥測量除氣后的鉆井液密度。

⑦重復(fù)步驟②～⑥ 2次。

⑧使用除氣器循環(huán)除氣，使鉆井液密度恢復(fù)為1.04 g/cm3。

⑨將鉆井液密度加重至1.8 g/cm3，重復(fù)以上試驗(yàn)。

⑩繼續(xù)加重至1.9 g/cm3，重復(fù)以上試驗(yàn)。

繼續(xù)加重至2.0 g/cm3，重復(fù)以上試驗(yàn)。

型式試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表1。

表1 除氣器型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，除氣器工作性能穩(wěn)定，除氣器的各項(xiàng)性能指標(biāo)先進(jìn)，具備了現(xiàn)場應(yīng)用的條件。

5.2 現(xiàn)場應(yīng)用

2017-10，深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器在東頁深1井施工現(xiàn)場，如圖4所示。在現(xiàn)場不同鉆井液密度和黏度下，分別測試了除氣器的真空度和處理能力，測試結(jié)果如表2所示。

圖4 真空除氣器樣機(jī)

表2 除氣器現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

通過以上試驗(yàn)，可以看出，深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器在不同鉆井液密度下，均具有較大的排量和真空度，能夠滿足深井、超深井鉆井施工的需要。

6 結(jié)論

1) 針對高密度鉆井液的特點(diǎn)，研制了軸流式輔助進(jìn)液機(jī)構(gòu)，提高了真空除氣器的處理能力。

2) 采用射流排液裝置，排量大，真空度高。

3) 經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，深井鉆機(jī)鉆井液真空除氣器的工作性能穩(wěn)定，處理量大，除氣效率高，滿足了高密度鉆井液除氣的需要。