CN101725328A

CN101725328A - 先期存储式氮气循环钻井系统

Info

Publication number: CN101725328A
Application number: CN200810224945A
Authority: CN
Inventors: 柳贡慧; 张永刚; 孙国刚; 姬中礼; 李军; 袁勇
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-06-09

Abstract

本发明公开了一种先期存储式氮气循环钻井系统，包括制氮装置，用于制备氮气，并将制备的氮气注入储氮装置；储氮装置，先期存储氮气，用来在钻进前快速充井眼、钻进过程中补充损耗的氮气、以及在出现复杂情况时迅速增加注气量；多级分离与净化系统，对井口排出的气固混合流体进行分离和过滤，将从中分离出的纯净氮气重新注入井口使用。通过氮气的循环使用，达到减少气体用量、降低氮气钻井成本的目的。

Description

先期存储式氮气循环钻井系统

技术领域

本发明涉及一种石油与天然气钻井工艺，更具体而言涉及一种先期存储式氮气循环钻井系统。

背景技术

气体钻井技术是近几年来在国内外得到普遍重视和广泛应用的一项新技术。它采用空气、天然气、氮气及尾气等气体作为循环介质，极大地降低了井筒液柱压力，实现了真正意义上的欠平衡钻井。因而具有有效保护油气储层、及时发现油气显示、大幅度提高钻井速度、缩短建井周期、降低钻井成本、提高油气采收率等诸多优点，现已成为开发低压低渗储层、溶洞及裂缝发育的易井漏地层、多层薄层且物性差储层等难拿产量、以及大幅度提高钻井速度、增产增效的关键技术之一。

目前的气体钻进中，一般都采用空气作为循环介质。由于空气中含有20％左右的氧气，在储层中遇到天然气时极易发生燃烧、爆炸等恶性事故，导致钻井失败。而氮气属于惰性气体，不会与油气发生化学反应。因此，利用氮气作为循环介质，具有空气钻井不可比拟的优点。目前，氮气钻井已经成为气体钻井过程中钻进储层时的主要技术之一。

国内外近年来都积极开展了氮气钻井实践。在我国也得到了一定程度的应用并取得了良好的效果。中石油、中石化等公司都开展了氮气钻井工程实验。在陕西、四川、青海、新疆、甘肃等地都成功地进行了氮气钻井，均取得了良好的效果。

氮气钻井的工艺流程与空气钻井有所不同。目前常用的氮气钻井系统流程图有两种。图4示出了现有技术中采用撬装式膜制氮机为基础，配以压缩机、增压机的氮气钻井方式；图5示出了现有技术中采用制氮车为基础，配以液氮车和液氮泵车的氮气钻井方式。

目前采用的氮气钻井系统与空气钻井系统的流量和压力基本一致，因此要求制氮装置的制氮能力为60-150m³/min。大容量的制氮装置、压缩机、增压机、液氮泵车的费用非常昂贵，上述能力的制氮装置造价为2400-4000万元人民币左右。昂贵的设备投入成为制约氮气钻井工艺应用的瓶颈。另外，目前的氮气钻井中，从井内排出的气体采用直接排放的方式，气体没有得到循环利用。因此，在一定程度上造成了资源的浪费和成本的增加。因此亟需提供一种能够循环利用氮气，从而降低氮气用量，进而显著降低氮气钻井成本的先期存储式氮气循环钻井系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种先期存储式氮气循环钻井系统，能够将氮气循环使用，则可以大大降低气体用量，使用小容量的制氮装置即可满足生产需要，从而显著降低氮气钻井的成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

根据本发明，提供一种先期存储式氮气循环钻井系统，包括：

制氮装置，用于制备氮气，并将制备的氮气注入储氮装置；

储氮装置，先期存储氮气，用来在钻进前快速充井眼、钻进过程中补充损耗的氮气、以及在出现复杂情况时迅速增加注气量；

多级分离与净化系统，对井口排出的气固混合流体进行分离和过滤，将从中分离出的纯净氮气重新注入井内使用。

根据本发明的优选实施例，其中所述多级分离与净化系统由一级惯性快分装置、二级旋风分离装置和三级精细过滤装置组成。

根据本发明的优选实施例，其中所述一级惯性快分装置，用来对井口排出物进行气固液分离，分离出粒径大于0.1mm的岩屑颗粒，分离后的气体进入下一级分离；所述二级旋风分离装置，分离出粒径大于10μm以上的岩屑颗粒，分离后的气体进入过滤装置；所述三级精细过滤装置对气体进行过滤后，气体粉尘粒度和浓度能够满足进入压缩机要求。

根据本发明的优选实施例，该先期存储式氮气循环钻井系统还包括压缩机，用于压缩从多级分离与净化系统输出的气体，再重新注入井内使用。

根据本发明的优选实施例，其中所述压缩机的入口适应连续循环运转的要求。

根据本发明的优选实施例，该先期存储式氮气循环钻井系统还包括增压机，对从所述压缩机输出的气体进一步增压，再注入井内使用。

根据本发明的优选实施例，其中所述制氮装置的制氮量不低于15Nm3/min，排气压力不低于15MPa。

根据本发明的优选实施例，其中所述储氮装置用于先期储存氮气，容积为5m3，压力为15MPa。

根据本发明的优选实施例，该先期存储式氮气循环钻井系统还包括缓冲罐，布置于所述二级旋风分离装置与所述三级精细过滤装置之间，缓冲罐的卸压出口压力为0.3MPa，以便稳定出口压力，起到保护分离装置、保持氮气循环钻井入口与出口压力差的作用。

根据本发明的优选实施例，该先期存储式氮气循环钻井系统还包括排料系统，用于将分离装置分离出的液、固相连续排出。

本发明的目的在于建立先期存储式氮气循环钻井工艺系统。通过对井口返出的气液固混合物进行有效分离，分离后的氮气重新注入井内循环使用，减少气体用量。另外，利用氮气储罐先期存储一定量的氮气，以便满足开始钻进前迅速充满井眼以及井下出现复杂情况时迅速增大气量的需要。该系统实施后，可以达到降低氮气钻井成本的目的。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是根据本发明的三级净化系统当中惯性快分系统的结构图；

图2是根据本发明的三级净化系统当中旋风分离系统的结构图；

图3是根据本发明的三级净化系统当中精细过滤系统的结构图；

图4是现有技术中采用撬装式膜制氮机、压缩机、增压机的氮气钻井系统示意图；

图5是现有技术中采用制氮车、液氮车、液氮泵车的氮气钻井系统示意图；

图6是根据本发明的先期存储式氮气循环钻井系统示意图；以及

图7是根据本发明的先期存储式氮气循环钻井系统工艺流程示意图。

具体实施方式

本领域技术人员能够理解，目前的氮气钻井中，气体为直接排放或放燃。如果能将氮气循环使用，则可以大大降低气体用量，使用小容量的制氮装置即可满足生产需要，从而显著降低氮气钻井的成本。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。需要注意的是，根据本发明的先期存储式氮气循环钻井工艺系统的实施方式仅仅作为例子，但本发明不限于该具体实施方式。

根据本发明，建立先期存储式氮气循环钻井工艺系统。通过对井口返出的气液固混合物进行有效分离，分离后的氮气重新注入井内循环使用，减少气体用量。另外，利用氮气储罐先期存储一定量的氮气，以便满足开始钻进前迅速充满井眼以及井下出现复杂情况时迅速增大气量的需要。该系统实施后，可以达到降低氮气钻井成本的目的。

其中三级分离与净化系统是本发明气体循环钻井工艺系统的核心。参见图1～图3，分别示出了根据本发明的三级净化系统当中惯性快分系统、旋风分离系统和精细过滤系统的结构图。

图1示出了根据本发明的三级净化系统当中惯性快分系统的结构。主要功能为粗分、除砂，除去粒径超过0.1mm的颗粒，其进口气速可达16m/s；强度达0.6MPa；重量160kg；壁厚6mm。

图2示出了根据本发明的三级净化系统当中旋风分离系统的结构。主要功能为细分、除泥，除去粒径大于10μm的颗粒；进口气速可达20m/s；强度达0.6MPa；重量150kg；壁厚6mm。

图3示出了根据本发明的三级净化系统当中精细过滤系统的结构。主要功能为除去粒径大于3μm的颗粒；强度可达1.0MPa；重量1000kg；壁厚：36mm。

接下来将参照图6，对本发明的先期存储式循环钻井系统进行详细描述。本发明采用氮气作为循环介质。由于气体改为循环使用，所用气量会大幅度减少，从而仅需要使用小容量的制氮装置即可。

根据本发明的先期存储式氮气循环钻井系统通常包括以下部件：

井口装置：旋转防喷器等，与常规气体钻井相同；

压缩机、增压机：参数与常规气体钻井相同，但须对压缩机及增压机入口进行改造，以适应连续循环运转要求；

制氮装置：采用小型制氮装置即可，制氮量不低于15Nm³/min，排气压力不低于15MPa；

储氮装置：先期存储氮气，容积5m³，压力15MPa。用来在钻进前快速充井眼、钻进过程中补充损耗的氮气、以及在出现复杂情况时迅速增加注气量；

惯性快分装置：用来对井口排出物进行气固液分离，分离出粒径大于0.1mm的岩屑颗粒，分离后的气体进入下一级分离；

旋风分离装置：分离出粒径大于10μm以上的岩屑颗粒，分离后的气体进入过滤装置；

缓冲罐：缓冲罐的卸压出口压力为0.3MPa，以便稳定出口压力，起到保护分离装置、保持氮气循环钻井入口与出口压力差的作用。

过滤装置：经过该装置过滤后，气体粉尘粒度和浓度能够满足进入压缩机要求；

排料系统：将分离装置分离出的液、固相连续排出。

图7示出了根据本发明的先期存储式氮气循环钻井系统工艺流程图。该工艺流程通常包括以下步骤：

1)制氮装置工作，将氮气注入氮气储罐，充至额定压力15MPa；

V1开启，V9开启，其余阀门关闭，制氮装置工作。当V9排出的气体为纯氮气时，关闭V9，继续向储罐中充气至规定压力后关闭所有阀门。

2)向地面管线中充氮气，充至0.1-0.2MPa；

V2、V4、V5开启，其余关闭，制氮装置工作。当V5排出的气体为纯氮气时，V4关闭，制氮装置向管路中充气至规定压力后关闭所有阀门。

3)制氮装置向井筒中充气，将井筒压力充至2-5MPa；

V3、V6、V9、V5、V10开启，其余关闭，制氮装置工作。当V5排出的气体为纯氮气时，V10、V5关闭，制氮装置及氮气储罐向管路及井筒中充气至规定压力后关闭所有阀门。

4)开始循环钻进

V1、V4、V6、V7、V8、V9、V10开启，其余关闭，制氮装置工作，压缩机、增压机工作。循环钻井开始，根据V7的排量情况确定V9是否开启及开启的大小。循环钻井过程中，井口排出的气固混合流体经分离、过滤装置后经压缩机、增压机重新注入井口。氮气储罐和制氮装置用来补充钻进过程中的气体损耗；

5.接换钻具

所有阀门均关闭，制氮装置，压缩机、增压机停止工作。在接单根上扣前，轻启V6，吹出新钻具中的空气，旋紧罗纹上扣完毕后，开启V6、V9，此时立管压力会波动，当立管压力稳定后，重复循环钻进过程；

6.出现复杂情况需要加大气量

遇到地层出水、井壁失稳等复杂情况，需要加大气量时，利用氮气储罐和制氮装置同时进行补充。V1、V3、V4、V6、V7、V8、V9、V10开启，其余关闭，制氮装置工作，压缩机、增压机工作。V3、V9同时向井内补充气量，气量的大小根据钻井需要而定。待满足需要后，V3关闭，恢复正常钻进状态。由于新补充入井的气体仍为循环使用，因此气量可以大大增加，直至满足钻井要求。

综上所述，根据本发明的气体循环钻井工艺系统保留了现有氮气钻井技术的优点，并形成了新的氮气钻井工艺系统；利用储罐，节省了前期充满井筒所需的时间；利用储罐，气量可显著增加，增强了氮气钻井中应对复杂情况的能力；可实现氮气的循环使用，减小氮气用量，节约能源；降低了氮气制备装置的投入，降低钻井成本；减少环境污染，改善井场环境和工作条件。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种先期存储式氮气循环钻井系统，其特征在于包括：

制氮装置，用于制备氮气，并将制备的氮气注入储氮装置；

2.根据权利要求1所述的先期存储式氮气循环钻井系统，其特征在于所述多级分离与净化系统由一级惯性快分装置、二级旋风分离装置和三级精细过滤装置组成。

3.根据权利要求2所述的先期存储式氮气循环钻井系统，其特征在于：

所述一级惯性快分装置，用来对井口排出物进行气固液分离，分离出粒径大于0.1mm的岩屑颗粒，分离后的气体进入下一级分离；

所述二级旋风分离装置，分离出粒径大于10μm以上的岩屑颗粒，分离后的气体进入过滤装置；

所述三级精细过滤装置对气体进行过滤后，气体粉尘粒度和浓度能够满足进入压缩机要求。

4.根据权利要求1或2所述的先期存储式氮气循环钻井系统，其特征在于还包括压缩机，用于压缩从多级分离与净化系统输出的气体，再重新注入井口使用。

5.根据权利要求4所述的先期存储式氮气循环钻井系统，其特征在于所述压缩机的入口适应连续循环运转的要求。

6.根据权利要求4所述的先期存储式氮气循环钻井系统，其特征在于还包括增压机，对从所述压缩机输出的气体进一步增压，再注入井内使用。

7.根据权利要求1所述的先期存储式氮气循环钻井系统，其特征在于所述制氮装置的制氮量不低于15Nm³/min，排气压力不低于15MPa。

8.根据权利要求1所述的先期存储式氮气循环钻井系统，其特征在于所述储氮装置用于先期储存氮气，容积为5m³，压力为15MPa。

9.根据权利要求2所述的先期存储式氮气循环钻井系统，其特征在于还包括缓冲罐，布置于所述二级旋风分离装置与所述三级精细过滤装置之间，缓冲罐的卸压出口压力为0.3MPa，以便稳定出口压力，起到保护分离装置、保持氮气循环钻井入口与出口压力差的作用。

10.根据权利要求1或2所述的先期存储式氮气循环钻井系统，其特征在于还包括排料系统，用于将分离装置分离出的液、固相连续排出。