鉆井液中有害氣體密閉清除方法與流程

本發明涉及石油鉆探密閉鉆井工藝技術領域，主要是用于在于大氣隔離的密閉鉆井循環系統中的鉆井液有害氣體的清除方法，更具體地說涉及一種鉆井液中有害氣體密閉清除方法。

背景技術：

欠平衡鉆井是指在鉆井過程中井筒鉆井液液柱壓力小于地層壓力時的鉆井工藝，欠平衡鉆井技術具有提高鉆井效率、發現和保護儲層以及提高油氣產量等諸多優點，在國內外具有廣闊的市場前景。在欠平衡鉆井過程中，由于地層壓力大于井底液柱壓力，地層流體就會進入井眼并隨鉆井液返至地面。返出的流體中包含有易揮發的烴類氣體或硫化氫等有毒有害氣體。目前國內主要地面處理裝備普遍采用氣液兩相分離器，由于該裝置內具有一定壓力，只能分離鉆井液中的大部分段塞流或大氣泡氣體，且壓力越高，越不利于氣體的分離。鉆井液中還殘留著不易分離的小氣泡形態的硫化氫等有害氣體。如果沒有完全分離干凈的鉆井液排入撇油罐或振動篩等敞開式裝置后，硫化氫等有毒有害氣體的揮發會對井場人員以及周圍的環境造成嚴重威脅。因此，目前在含硫地層實施鉆井作業時，當硫化氫濃度大于50ppm，就不能采用欠平衡鉆井技術。即使在常規過平衡鉆井過程中（即井筒鉆井液液柱壓力大于地層壓力），在鉆遇不可預見含硫化氫等有毒有害氣體地層時，如果沒有相關地面氣體處理設備，揮發到大氣中的地層氣體也將對人員和環境造成傷害。

隨著新《中華人民共和國安全生產法》與《中華人民共和國環境保護法》兩法的頒布，國家與社會對環境保護與安全生產愈加重視與嚴格。在鉆井過程中對鉆井液中有毒有害氣體進行完全密閉清除的工藝方法成為一種必然趨勢。

國家知識產權局于2009年9月9日，公開了一件公開號為cn101525993a，名稱為“含硫地層欠平衡鉆井中硫化氫的監測與控制方法”的發明專利，該發明專利是鉆井液經過密閉取樣器時對鉆井液中硫化氫含量進行監測，并將監測到的硫化氫含量信號輸入至控制系統，控制系統換算成所需除硫劑的量并發出指令，注入除硫劑至四相分離器并使鉆井液中的硫化氫與除硫劑反應從而清除殘留硫化氫。

上述現有技術中對硫化氫的處理方法中，過量地添加除硫劑至鉆井液中，會對鉆井液材料的性能造成一定的影響，因此會對除硫劑的添加量產生一定的限制，而限制了除硫劑的添加量之后，就會影響硫化氫的清除效果和效率，不能很好的清除掉鉆井液中的硫化氫。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術中存在的缺陷和不足，本發明提供了一種鉆井液中有害氣體密閉清除方法，本發明可以使在完全與大氣隔離的鉆井液地面處理系統中分級處理鉆井液中不同形態的硫化氫等有害氣體，完全避免了有毒有害氣侵鉆井液暴露于大氣環境中揮發后對人員、設備與環境的傷害，防止了意外事故的發生，滿足鉆井安全環保的迫切需求。

為了解決上述現有技術中存在的問題，本發明是通過下述技術方案實現的：

鉆井液中有害氣體密閉清除方法，含有有害氣體的鉆井液從井內返出地面，進入地面鉆井液密閉處理系統中，其特征在于：含有有害氣體的鉆井液從井內返出，經過降壓后進入初級分離器，經過初級分離器分離后的鉆井液直接導入二級分離器中進行二次分離，二次分離器的工作壓力小于初級分離器的工作壓力；經過二級分離器分離后的鉆井液通過離心泵泵入第三級分離系統中，在第三級分離系統中，分別采用負壓抽離、液下擾流、流體溫控相結合的結構方式對參與氣體進行分離；將上述各級分離系統中分離出的氣體導入氣體處理裝置中進行處理；經第三級分離系統分離后的鉆井液排入固控系統進行處理，經固控系統處理后的鉆井液排入井內進行循環。

在第三級分離系統的排液口處設置氣體監測儀器，當監測到仍有未分離的氣體存在時，通過加藥裝置向第三級分離系統的進液管線中注入除硫劑，使第三級分離系統中的鉆井液中的硫化氫與除硫劑反應；若氣體仍為完全處理，通過加藥裝置向二級分離器的進液管線中注入除硫劑，使二級分離器中的鉆井液中的硫化氫與除硫劑反應；依次類推，通過加藥裝置向初級分離器的進液管線中注入除硫劑，使初級分離器中的鉆井液中的硫化氫與除硫劑反應。

在第三級分離系統的排液口處設置氣體監測儀器，當監測到仍有未分離的氣體存在時，在第三級分離系統的排液管線上設置分支管路，將第三級分離系統中排出的未分離干凈的鉆井液再次回注到第三級分離系統中進行再次循環處理；若仍不能將鉆井液分離干凈，在二級分離器的排液管線上設置分支管路，將二級分離器分離后的鉆井液回注到二級分離器中進行再次循環處理。

將第三級分離系統中處理后的鉆井液繞過固控系統直接注入井內進行循環處理。

在第三級分離系統中，分別采用負壓抽離、液下擾流、流體溫控相結合的結構方式對參與氣體進行分離；具體是指：經二級分離器處理后的鉆井液進入第三級分離系統中的分離罐中，經過離心分離，離心分離后的氣體由分離罐上部分離，分離后的鉆井液落入分離罐內；通過鉆井液加熱系統對鉆井液進行增溫調節；并對分離罐內的鉆井液底部流體進行攪拌擾流；將分離罐內的鉆井液出口處的鉆井液抽送至鉆井液液面處噴射；在分離罐內設置真空系統，通過真空系統將分離罐內抽至負壓狀態；真空系統將分離罐中的氣體抽至氣體處理裝置中。

經過降壓后進入初級分離器，具體是指：返出的鉆井液經過節流管匯降低壓力，所述節流管匯包括一級節流管匯或多級節流管匯串聯。

在第三級分離系統中，經過氣體處理裝置處理后的氣體輸送至點火裝置處進行點火燃燒。

在第三級分離系統中，將經過氣體處理裝置處理后的氣體進行收集，將收集的處理后的氣體注入井內進行重復循環。

與現有技術相比，本發明所帶來的有益的技術效果表現在：

1、對于井口返出的含有硫化氫等有毒有害氣體的高壓流體采用三級分離系統進行逐級降壓的分離方法，對鉆井液中不同形態氣泡的有害氣體進行分級處理。在第三級分離系統中采用負壓抽離、液下擾流、流體溫控等相結合的結構方式來對殘余的不易分離的微小氣泡氣體進行分離，最大限度的提高設備的分離效率。本發明對于分離出的氣體設置有脫硫等氣體處理設備進行環保處理。分離的氣體可以進行點火燃燒，在充氣鉆井中也可以重新加壓后注入井內循環，節約了設備資源的消耗，降低了使用成本。

2、本發明的獨特的優點還有采用藥劑注入、旁通回流以及循環回注三級保險措施方法來控制地面分離系統不能完全分離有毒有害氣體時的鉆井液流體處理控制工藝，最大限度的避免硫化氫等有毒有害氣體在固控系統中揮發至大氣對人員與環境造成傷害。同時將接單根前的立管壓力泄至分離系統中，提高了鉆井作業的安全性，滿足安全環保的要求。

3、含有硫化氫等有害氣體的鉆井液從井口經管線a返出地面，進入地面鉆井液密閉處理系統。返出的流體壓力較高，設置有高壓力級別的節流管匯來降低系統壓力，避免了直接將返出鉆井液導入到分離器可能超過設備工作壓力造成的井控風險。如果在高壓高含硫氣井儲層段鉆井時，井口返出流體壓力過高，可采用雙節流系統裝置串聯的方式來逐級降低地面循環壓力，避免了單節流管匯工作負荷過重，同時還避免了一次壓力降過高造成的鉆井液起泡現象，提高了分離效率。

4、高壓流體通過節流管匯降壓后經管線b進入初級分離器，初級分離器具有一定工作壓力（≥2.5mpa）。由于壓力越高，分離器分離效率越低，初級分離器只能分離返出鉆井液中段塞流氣泡或大氣泡的氣體。管線的工作壓力應大于初級分離器的工作壓力。本發明中，初級分離器3可以是常規的液氣分離器或其他已知類型分離器。

5、將初級分離器分離后的鉆井液經管線c直接導入第二級分離器進行二次分離。第二級分離器的工作壓力應小于初級分離器，約為1.0~2.5mpa。在二級分離中，鉆井液中大部分氣體將被分離干凈，但在一定壓力條件下，直徑小于3mm的微小氣泡仍不易被完全分離。管線c的工作壓力應大于第二級分離器的工作壓力。本發明中，第二級分離器可以是常規液氣分離器、多相分離器或其他已知類型分離器。

6、將第二級分離器分離后的鉆井液采用高速離心砂泵經管線泵入第三級分離系統。如果第二級分離系統壓力較高，通過旁通管路直接依靠壓力將鉆井液排入第三級分離系統。第三級分離系統的工作壓力可以通過負壓系統進行調節，壓力范圍約為-0.05~0.5mpa。在第三級分離系統中，分別采用負壓抽離、液下擾流、流體溫控等相結合的結構方式來對殘余微小氣體進行分離。本發明中的第三級分離系統可以是已知的負壓分離設備或專門設計的氣液分離系統。

7、本發明的第三級分離系統中，在分離罐內通過鉆井液加熱系統對鉆井液進行增溫調節，受鉆井液溫度升高的影響，硫化氫的溶解度降低，部分硫化氫氣體從鉆井液中分離出來。在罐內設置有攪拌機構，能夠將鉆井液底部流體進行攪拌擾流，有助于粘度較大鉆井液中硫化氫氣體的分離。同時在罐內中部設置有液下擾流噴射機構，將罐內鉆井液出口附近鉆井液抽至罐內中部底層鉆井液處噴射，可以將鉆井液底部的不易分離的微小氣泡的硫化氫循環至液面進行脫氣分離。在罐內的上部空間采用真空系統將罐內抽至負壓狀態，使鉆井液中硫化氫氣泡在上升至液面過程中隨著壓力減小氣泡直徑增大，進而浮力增加，有利于氣泡的快速上升與分離。

附圖說明

圖1為本發明方法的工藝流程示意圖；

圖2為本發明方法的不同工藝需求的方法流程示意圖；

圖3為本發明第三級分離系統的流程示意圖。

具體實施方式

實施例1

作為本發明一較佳實施例，參照說明書附圖1，本實施例公開了：

鉆井液中有害氣體密閉清除方法，含有有害氣體的鉆井液從井內返出地面，進入地面鉆井液密閉處理系統中，含有有害氣體的鉆井液從井內返出，經過降壓后進入初級分離器，經過初級分離器分離后的鉆井液直接導入二級分離器中進行二次分離，二次分離器的工作壓力小于初級分離器的工作壓力；經過二級分離器分離后的鉆井液通過離心泵泵入第三級分離系統中，在第三級分離系統中，分別采用負壓抽離、液下擾流、流體溫控相結合的結構方式對參與氣體進行分離；將上述各級分離系統中分離出的氣體導入氣體處理裝置中進行處理；經第三級分離系統分離后的鉆井液排入固控系統進行處理，經固控系統處理后的鉆井液排入井內進行循環。

實施例2

作為本發明又一較佳實施例，參照說明書附圖1，本實施例公開了：

鉆井液中有害氣體密閉清除方法，含有有害氣體的鉆井液從井內返出地面，進入地面鉆井液密閉處理系統中，含有有害氣體的鉆井液從井內返出，經過降壓后進入初級分離器，經過初級分離器分離后的鉆井液直接導入二級分離器中進行二次分離，二次分離器的工作壓力小于初級分離器的工作壓力；經過二級分離器分離后的鉆井液通過離心泵泵入第三級分離系統中，在第三級分離系統中，分別采用負壓抽離、液下擾流、流體溫控相結合的結構方式對參與氣體進行分離；將上述各級分離系統中分離出的氣體導入氣體處理裝置中進行處理；經第三級分離系統分離后的鉆井液排入固控系統進行處理，經固控系統處理后的鉆井液排入井內進行循環。在第三級分離系統的排液口處設置氣體監測儀器，當監測到仍有未分離的氣體存在時，可以采用下述三種方法中的一種或多種的組合進行處理：

a、在第三級分離系統的排液口處設置氣體監測儀器，當監測到仍有未分離的氣體存在時，通過加藥裝置向第三級分離系統的進液管線中注入除硫劑，使第三級分離系統中的鉆井液中的硫化氫與除硫劑反應；若氣體仍為完全處理，通過加藥裝置向二級分離器的進液管線中注入除硫劑，使二級分離器中的鉆井液中的硫化氫與除硫劑反應；依次類推，通過加藥裝置向初級分離器的進液管線中注入除硫劑，使初級分離器中的鉆井液中的硫化氫與除硫劑反應；

b、在第三級分離系統的排液口處設置氣體監測儀器，當監測到仍有未分離的氣體存在時，在第三級分離系統的排液管線上設置分支管路，將第三級分離系統中排出的未分離干凈的鉆井液再次回注到第三級分離系統中進行再次循環處理；若仍不能將鉆井液分離干凈，在二級分離器的排液管線上設置分支管路，將二級分離器分離后的鉆井液回注到二級分離器中進行再次循環處理；

c、將第三級分離系統中處理后的鉆井液繞過固控系統直接注入井內進行循環處理。

上述三種處理方法，可以擇一進行使用，也可以兩兩結合或者三種同時使用。

實施例3

作為本發明又一較佳實施例，本實施例公開了：

鉆井液中有害氣體密閉清除方法，含有有害氣體的鉆井液從井內返出地面，進入地面鉆井液密閉處理系統中，含有有害氣體的鉆井液從井內返出，經過降壓后進入初級分離器，經過初級分離器分離后的鉆井液直接導入二級分離器中進行二次分離，二次分離器的工作壓力小于初級分離器的工作壓力；經過二級分離器分離后的鉆井液通過離心泵泵入第三級分離系統中，在第三級分離系統中，分別采用負壓抽離、液下擾流、流體溫控相結合的結構方式對參與氣體進行分離；將上述各級分離系統中分離出的氣體導入氣體處理裝置中進行處理；經第三級分離系統分離后的鉆井液排入固控系統進行處理，經固控系統處理后的鉆井液排入井內進行循環。經過降壓后進入初級分離器，具體是指：返出的鉆井液經過節流管匯降低壓力，所述節流管匯包括一級節流管匯或多級節流管匯串聯。在第三級分離系統中，經過氣體處理裝置處理后的氣體輸送至點火裝置處進行點火燃燒。

在第三級分離系統的排液口處設置氣體監測儀器，當監測到仍有未分離的氣體存在時，在第三級分離系統的排液口處設置氣體監測儀器，當監測到仍有未分離的氣體存在時，通過加藥裝置向第三級分離系統的進液管線中注入除硫劑，使第三級分離系統中的鉆井液中的硫化氫與除硫劑反應；若氣體仍為完全處理，通過加藥裝置向二級分離器的進液管線中注入除硫劑，使二級分離器中的鉆井液中的硫化氫與除硫劑反應；依次類推，通過加藥裝置向初級分離器的進液管線中注入除硫劑，使初級分離器中的鉆井液中的硫化氫與除硫劑反應；

當監測到仍有未分離的氣體存在時，在第三級分離系統的排液管線上設置分支管路，將第三級分離系統中排出的未分離干凈的鉆井液再次回注到第三級分離系統中進行再次循環處理；若仍不能將鉆井液分離干凈，在二級分離器的排液管線上設置分支管路，將二級分離器分離后的鉆井液回注到二級分離器中進行再次循環處理；

在本實施例中，在第三級分離系統中，將經過氣體處理裝置處理后的氣體進行收集，將收集的處理后的氣體注入井內進行重復循環。

實施例4

作為本發明又一較佳實施例，參照說明書附圖1和2，本實施例公開了：

鉆井液中有害氣體密閉清除方法，含有硫化氫等有害氣體的鉆井液從井口1經管線a返出地面，進入地面鉆井液密閉處理系統。返出的流體壓力較高，設置有高壓力級別的節流管匯2來降低系統壓力，高壓流體通過節流管匯2降壓后經管線b進入初級分離器3，初級分離器3具有一定工作壓力（≥2.5mpa）。由于壓力越高，分離器分離效率越低，初級分離器3只能分離返出鉆井液中段塞流氣泡或大氣泡的氣體。管線b的工作壓力應大于初級分離器3的工作壓力。本發明中，初級分離器3可以是常規的液氣分離器或其他已知類型分離器。

將初級分離器3分離后的鉆井液經管線c直接導入第二級分離系統4進行二次分離。第二級分離系統4的工作壓力應小于初級分離器，約為1.0~2.5mpa。在二級分離中，鉆井液中大部分氣體將被分離干凈，但在一定壓力條件下，直徑小于3mm的微小氣泡仍不易被完全分離。管線c的工作壓力應大于第二級分離系統4的工作壓力。本發明中，第二級分離系統4可以是常規液氣分離器、多相分離器或其他已知類型分離器。

將第二級分離系統4分離后的鉆井液采用高速離心砂泵30經管線d泵入第三級分離系統5。如果第二級分離系統4壓力較高，可以采用關閉閥門39，并打開閥門38的方式通過旁通管路直接依靠壓力將鉆井液排入第三級分離系統5。第三級分離系統5的工作壓力可以通過負壓系統進行調節，壓力范圍約為-0.05~0.5mpa。在第三級分離系統5中，分別采用負壓抽離、液下擾流、流體溫控等相結合的結構方式來對殘余微小氣體進行分離。本發明中的第三級分離系統5可以是已知的負壓分離設備或專門設計的氣液分離系統。

將以上各級分離系統中分離出的氣體分別通過管線h、i、j導入氣體處理裝置6，各管線設置有單向閥13、14、15，防止氣體反竄。第三級分離系統分離的氣體需有真空泵16等抽吸設備抽入處理裝置6，該裝置可以是脫硫干燥等氣體處理設備。經處理后的氣體通過管線k、l連接至點火裝置7進行點火燃燒，管線l上靠近點火裝置處有防火閥18，防止氣量小時火苗回竄。如果在充氣鉆井中，分離出的氣體中還含有氮氣、二氧化碳或烴類氣體，可以將分離后的氣體收集后，關閉管線l上的閥門17，并打開m管線上的閥門20、22，打開多相加壓泵19對氣體進行加壓后通過管線m、g再次注入井內參與重復循環。也可以打開閥門23，通采用氣體注入裝置8通過管線n補充注入氣量。管線m、n上均安裝單向閥24、21。

經三級分離系統分離后的鉆井液可通過離心砂泵36經管線u、e直接排入固控系統10進行下一步處理，再通過上水罐11與泥漿泵12經管線f再次泵入井內進行循環。在各級分離系統的排氣口均設置有有害氣體監測儀器，同時在第三級分離系統的排液口亦設置有氣體監測儀器，當監測到仍有未分離的氣體存在時，可采用三級處理措施進行分級處理或者是以結合的方式進行處理。

一級措施是打開加藥裝置9及其注入泵37，打開閥門33經管線9c向第三級分離系統5的進液管線d中注入除硫劑等相關處理藥劑，向管線中直接注入藥劑的優點是可以更好的混合藥劑與鉆井液并發生反應。若氣體仍未完全處理，再打開閥門27經管線9b向第二級分離系統4的進液管線c注入藥劑。依次類推，如需加量處理時，打開閥門26經管線9a向初級分離器3的進液管匯b注入藥劑。需要注意的是藥劑加注泵37的注入壓力應高于管線b中的流體壓力。各注入管線上均設置有單向閥25、28、32。

由于藥劑過多量的添加將對鉆井液材料的性能造成一定影響。可采取第二級措施，即首先打開閥門35，聯通第三級分離系統5排液管線u上分支管路通道o，將未分離干凈的鉆井液再次回注至第三級分離系統5中進行再次循環分離；若仍未分離干凈，再打開閥門31，聯通第二級分離系統4排液管路d分支通道p，將經第二級分離系統4分離后的鉆井液回注到該系統中重新進行循環分離。旁通回流管線o、p上分別設置有單向閥29、34，防止回流。

如果地層返出的氣體量過大，所有分離設備均不能夠完全處理，又不能停止鉆井液的循環，可采取第三級措施，即打開閥門40、44，關閉閥門35、41、42、43。將地面三級分離系統處理后的仍含有氣體的鉆井液直接經管線v、q、f通過泥漿泵12注入井內進行循環處理，由此完成氣體處理的三級防控措施。

在起下鉆過程中，需要卸掉立管壓力才能進行接單根等操作，在本發明的鉆井液密閉循環處理系統中，可以打開閥門38、47，可將立管壓力經管線r、t泄至第三級分離系統5中。如果立管與分離系統壓差過大，也可打開閥門45，經管線r、s直接泄入第二級分離系統4中。管線s、t上均設置有單向閥46、48。

實施例5

作為本發明又一較佳實施例，參照說明書附圖3，本實施例公開了：

在本實施例中，在第三級處理系統中，經二級分離器處理后的鉆井液進入第三級分離系統中的分離罐100中，經過離心分離，離心分離后的氣體由分離罐上部分離，分離后的鉆井液落入分離罐內；通過鉆井液加熱系統200對鉆井液進行增溫調節；并對分離罐內的鉆井液底部流體進行攪拌擾流；將分離罐內的鉆井液出口處的鉆井液抽送至鉆井液液面處噴射；在分離罐內設置真空系統300，通過真空系統將分離罐內抽至負壓狀態；真空系統將分離罐中的氣體抽至氣體處理裝置中。

在本發明中，所有閥門、儀器、泵以及設備等均可以采用集中控制或其他已知方式進行控制。本發明省略了返出鉆井液中其他如巖屑、油等相態物質的處理流程，但其氣相處理流程均包含在本發明的保護范圍。如果在較低壓力的地層進行鉆井，本發明可以簡化為二級分離的方法，其流程示意圖如圖2所示。也可以采用本發明中提到的各級方法的組合進行處理，以上方法均包含在本發明的保護范圍之內。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不限制本發明，凡在本發明的基本原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。