組合式鉆井液氣體分離器研制

朱煥剛,燕修良,楊德京,孫偉濤,薄其場

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營257017) *

組合式鉆井液氣體分離器研制

朱煥剛,燕修良,楊德京,孫偉濤,薄其場

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營257017)*

為滿足大排量、高含氣鉆井液的氣體分離要求,通過結構優選、數值模擬和室內試驗,研制了組合式鉆井液氣體分離器。該分離器結合重力式分離器和管柱式旋流分離器的優點,處理量大,分離效率高,可以應用于欠平衡鉆井工藝中。

鉆井液;氣體分離器;管柱式;組合式

1 國內外研究現狀

鉆井液氣體分離器是處理氣侵鉆井液的專用設備。目前,國內開式鉆井液循環系統中廣泛應用的還是傳統的重力式分離器(立式或臥式)。這種分離器利用氣相與液相的密度差進行重力分離,體積大、笨重、投資大,操作彈性較低。在來氣量變化較大時,直接影響液體停留時間,分離效果明顯下降,氣體處理能力遠小于生產商提供的氣體處理量,不能適應欠平衡鉆井,特別是充氣鉆井作業的發展要求。

旋流分離器依靠旋流筒產生的離心力進行分離,具有結構簡單、體積小、處理能力大、效率高等優點,已經成為國內外油氣鉆采領域的研究熱點[1-6]。在采油作業中,美國NACTOGROUP公司的油水分離計量系統利用管柱式分離器,其液體處理量為1 325 m3/h,氣體處理量達到8.3×104m3/h。在鉆井作業中,大處理量的鉆井液氣體分離器的液體處理量7 200 m3/h,氣體處理量72×104m3/h。德國國際石油設備公司(Oiltools)和美國威德福公司的密閉循環系統中的關鍵設備——四相分離器也應用了旋流分離技術。

從當前國內外的發展情況看,氣液分離器的發展方向是提高處理量、提高額定工作壓力、提高分離效率、減小體積、研發采用旋流分離原理等新技術的高效氣液分離器。

2 旋流分離器結構選擇

目前,常用的旋流分離器結構主要有管柱式、葉片式和常規式3種結構,其中,管柱式分離器結構最簡單。在流場特性方面,管柱式分離器中流場分布相對簡化,能量損失較少,離心力的作用得到充分發揮,其氣液分離特性優于另外2種結構的分離器。因此,在本設計中選用管柱式結構。

管柱式旋流分離器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone,簡寫 GLCC)是一種新型分離裝置,既沒有可移動部件,也無需內部裝置,如圖1。氣液混合物由切向入口進入旋流分離器后形成的旋流產生了比重力高出許多倍的離心力,由于氣、液相密度不同,所受離心力差別很大,重力、離心力和浮力聯合作用將氣體和液體分離。液體沿徑向被推向外側,并向下由液體出口排出;而氣體則運動到中心,并向上由氣體出口排出[7]。這一成本低、質量輕的新型分離器將替代傳統容器式分離器。

圖1 管柱式氣液旋流分離器

3 數值模擬與室內試驗

影響鉆井液氣液旋流分離器分離效率的因素有很多,例如,入口速度、長徑比、鉆井液含氣量、入口位置(即分離器氣相段和液相段的長度)以及鉆井液粘度等。為了降低模擬次數,而又不降低模擬的可行度,選擇正交試驗方法進行模擬計算和室內試驗。

3.1 模擬目的

采用CFD(計算機流體動力學)軟件對氣液旋流分離器的內流場進行了模擬分析,對管柱式旋流分離器內部流動規律、分離機理有了更加深刻的認識,得到了分離器的水力參數和結構參數對分離效率的影響規律。由于旋流分離器內部流場非常復雜,所以在CFD分析時,紊流模型和多相流模型的選擇是非常重要的,必須在數值模擬分析后利用室內試驗進行檢驗。

3.2 試驗目的

通過室內試驗掌握旋流分離器的分離性能,指導分離器工藝參數設計,并通過室內試驗驗證利用CFD對分離器進行模擬分析的可行性。室內試驗流程圖和正交試驗表分別如圖2和表1。

圖2 氣液旋流分離器室內試驗裝置流程

表1 室內試驗的獨立因素及其水平值

3.3 存在的問題

通過對管柱式氣液旋流分離器的數值模擬以及室內試驗驗證得知,管柱式氣液旋流分離器除具有處理量大、分離效率高、結構簡單、操作維護方便的優點外,也存在2個問題。

1) 長徑比要求較高。從模擬和試驗數據得知長徑比都要求在10以上,僅使用這種管柱式旋流分離技術則可能會造成占地面積太大,以及運輸困難。

2) 通用性較差。當鉆井液及氣體流量發生變化以及含氣量發生變化時,分離器的分離效率會發生比較大的變化,適應工藝范圍有限。

4 組合式鉆井液氣體分離器結構

進一步分析模擬和試驗結果發現,管柱式氣液旋流分離器入口區域的離心力場最強,氣液的分離主要集中在入口區附近。因此,可以將管柱式旋流器長徑比縮短,仍可以完成大部分的氣液分離。未完全分離的鉆井液可以在底部的分離板上撞擊繼續分離。結合旋流分離技術和重力分離技術的優點設計了組合式鉆井液氣體分離器,結構如圖3。

圖7 組合式鉆井液氣體分離器結構

該組合式分離器是在常規重力式分離器頂部設計1個管柱式旋流分離器,具有3個優點。

1) 組合式分離器結合了重力式分離和管柱式旋流分離的優點,處理量大,分離效率高。

2) 擋氣板的傘狀結構設計使得氣流形成向下離心力,進一步降低了排氣管帶液的現象。

3) 傾斜入口利于形成分層流,實現氣液兩相的初步分離,也降低了氣相對泥漿的攜帶能力。

5 結論

1) 在鉆井液的氣體分離中,重力式分離器存在體積大、投資多、分離效率低等缺點,特別不適用于欠平衡和充氣鉆井工藝。

2) 國內外都對旋流分離技術進行了研究,并在國外成功應用。數值模擬和室內試驗證明,管柱式氣液旋流分離器存在長徑比要求高、通用性差的缺點。

3) 結合管柱式氣液旋流分離技術和重力式分離技術的優點設計了組合式鉆井液氣體分離器,具有處理量大、分離效率高、體積小等優點,建議推廣應用。

[1] 歐益宏,杜 楊.柱型水力旋流器單相流場數值模擬[J].石油礦場機械,2006,35(3):15-18.

[2] 王尊策,張 雙,呂鳳霞,等.脫水型動態水力旋流器影響因素試驗研究[J].石油礦場機械,2009,38(4): 44-47.

[3] 郭廣東,鄧松圣,張福倫.操作參數對固-液-液三相水力旋流器分離效率的影響[J].石油礦場機械,2010,39 (5):17-19.

[4] Coelho MAZ,Medronho RA.A model for performance prediction of hydrocyclones[J].Chemical Engineering Journal,2001(84):7-l4.

[5] Bednarski S,Listewnik J.Separation of liquid-liquidsolid mixtures in a hydrocyclone Coalescer system[C]. 14th Int.Conf.on Hydrocyclones,Southampton,England,1992:329-358.

[6] Changirwa R,Rockwell M C,Frimpong S,et al.Hybrid simulation for Oil-solid-water separation in oil sands production[J].Minerals Engineering,1999,12(12): 1 459-1 468.

[7] 魏 洪.管柱式氣液旋流分離器速度分布數值模擬[J].中國石油大學勝利學院學報,2006(3):17-19.

Development of Combined Mud-G as Separator

ZHU Huan-gang,YAN Xiu-liang,YANG De-jing,SUN Wei-tao,BO Qi-chang
(Drilling Technology Reseach Institute,S hengli Petroleum A dministration,Dongying257017,China)

We have developed the Combined Mud-Gas Separator to meet the situation of large displacement and high gas concentration in the mud-gas separation,by means of structural optimization,numerical simulation and laboratory experiments.This separator which can be used in underbalanced drilling has the advantage of large capacity and high separation efficiency,combining the advantage of gravity separator and Gas-Liquid Cylindrical Cyclone.

drilling fluid;gas separator;cylindrical type;combined application

1001-3482(2011)05-0056-03

TE926

A

2010-11-30

勝利石油管理局試驗室項目“鉆井液高效氣液旋流分離技術”的部分研究成果(GS0804)。

朱煥剛(1978-),男,山東萊蕪人,工程師,2005年畢業于長江大學,現從事欠平衡技術研究工作,E-mail:zhuhuangang@126.com。