摘要：为解决开式钻井液循环分离系统不能满足在含硫地层实施欠平衡钻井作业要求而研制的钻井液密闭分离系统(密闭系统)是在含硫地层实施欠平衡钻井作业所必配的地面系统，也是在环境敏感地区进行欠平衡钻井或常规钻井避免环境伤害的重要装备。在对国外密闭系统配置方式和流程原理分析的基础上，提出了“两步分离”式密闭系统流程方案，即从井内返出的含有硫化氢的钻井液首先通过密闭分离装置将油、气以及大颗粒的岩屑清除，同时向密闭分离装置中注入除硫剂，以确保硫化氢清除干净；然后再将经分离后不含硫化氢的钻井液，排入常规固控系统以维护和调节钻井液性能，再由钻井泵泵入井内进行循环。并制订了井内返出钻井液中硫化氢含量突然升高时的处理措施；阐述了“两步分离”式流程方案所需的四相分离器、钻井液缓冲罐、真空除气器、密闭式带压取样装置、密闭式岩屑存储装置等配套装备的结构原理和研究现状，为国内钻井液密闭系统的研究和应用提供了技术思路。

关键词：密闭系统；含硫化氢地层；欠平衡钻井；井场污染；四相分离器；HSE

   在石油天然气钻井作业中，对携带岩屑及地层流体的钻井液进行安全高效地分离和循环，是钻井作业顺利进行的前提和保障。钻井液循环分离系统是实现钻井液循环分离的地面装置，按照循环分离过程是否处于密闭状态，它可分为开式系统和密闭式系统。开式钻井液循环分离系统，因具有配置灵活、成本低、容易操作等特点，在国内外得到了广泛的使用，已成为陆上钻机系统的主流配置。但随着人们HSE意识的不断增强，这种井内产物直接暴露于大气中的敞开式循环分离方式，将会在对环境要求较高的地区(如离城市或风景区较近、人口较为集中的地区)使用受到限制；此外，开式钻井液循环分离系统还难以满足在含硫地层实施欠平衡钻井作业的需要。而密闭式钻井液循环分离系统可使钻井液在密闭条件下得到分离，分离的废物及有害物质得到妥善处理。这样不仅提高了钻井作业的HSE水平，而且还可使在含硫地层进行欠平衡钻井作业成为可能。目前，国外数家石油公司已将密闭式系统应用于含硫地层的欠平衡钻井作业，并取得了预期的效果；而国内在该领域的研究应用还是重视不够。因此，探索和研究一套适合国内地面装备发展实际情况的密闭系统工艺流程，将具有很大的现实意义和工程价值。

    密闭系统在加拿大、沙特阿拉伯、阿曼、印度尼西亚、美国等国家被广泛使用。由于各个油气田的地层状况不同以及各石油公司的设计理念存在差异，所以密闭系统的配置方式也有较大区别。其中最具代表性的配置方式有两种：一种是加拿大的一些石油公司(例如Veteran能源公司)使用的密闭系统，另一种为威德福公司使用的密闭系统。这两种密闭系统都能在一定程度上满足在含硫地层实施欠平衡钻井作业的需要，同时又具有各自的特点。Veteran能源公司的密闭系统配置^[1]对井场环境几乎没有污染，但因没有进一步的固控设备，粒径较小的岩屑又无法被四相分离器清除，这就影响了钻井液的性能，从而使该系统的使用受到限制。随着加拿大AIRDRILLING公司“BAMBI”密闭固相控制系统的成功研制^[2]，解决了微小固相颗粒的分离问题，但该设备结构复杂，性能也不稳定，所以没有得到大范围的推广和应用。

    Weatherford公司在Veteran能源公司的密闭系统基础上增加了密闭式离心机，这样就使钻井液中的固相得到很好的控制。该种密闭系统是利用除硫剂来对钻井液中硫化氢的含量进行控制。因此，使用的设备较多(包括许多监测控制装备)，程序也相对复杂。

国外现有的密闭系统，尽管可以避免环境污染、保障钻井安全，但没有使用固控系统而使应用范围受限，或者使用了密闭式固控系统但因设备结构复杂而使研发周期增长，或者因分离工艺复杂而使设计和使用成本增大。因此，如果完全照搬国外的设计模式，将会增大密闭系统开发和应用的难度。考虑到国外密闭系统的技术特点，兼顾系统的研制目的和可操作性，特将地面流体处理过程分为两步完成。如图1所示，即从井内返出的含有硫化氢的钻井液首先通过密闭分离装置将油、气(包括气态硫化氢)以及大颗粒的岩屑清除，同时向密闭分离装置中注入除硫剂，以确保硫化氢清除干净；然后再将经分离后不含硫化氢的钻井液，排入常规固控系统以维护和调节钻井液性能，经过常规固控系统处理后符合钻井要求的钻井液，再由钻井泵泵入井内进行循环。

 

    在两步分离方案中，钻井液在地面循环分离的具体流程如图2所示。从环空返出含有油、气相、固相的钻井液经节流管汇进入四相分离器。四相分离器对钻井液中的油、气相、液相、固相进行分离，分离出的固体泵入密闭式沉砂罐，气体经排气管线引入安全的地方进行燃烧处理，分离出的油排入密闭式储油罐，剩余的钻井液泵入钻井液缓冲罐。泵入沉砂罐的固相中通常还含有钻井液及少量气体，经在沉砂罐中静止后，气体会逸出，液相、固相也会分层，逸出的气体经排气管道进行燃烧处理；静止在罐体上部的钻井液也将定时排入钻井液缓冲罐中；固相颗粒则留在沉砂罐，沉砂罐中的固相物质如果超过设计限量后，关闭此罐(将罐运至井场外或停钻后进行处理)，改用备用罐。

 

    储油罐中的油也会含有少量气体，这些气体也将进行燃烧处理。如果经四相分离器处理后的钻井液中仍存在微小气泡，则缓冲罐的钻井液需经真空除气器处理，真空除气器将溶解在钻井液中的微小气泡进行分离，分离出的气体经排气管道进行燃烧处理。与此同时，将除硫剂注入四相分离器、沉砂罐、储油罐以及钻井液缓冲罐中，确保硫化氢清除完全。

    经过上述密闭分离装置处理后的钻井液已不含有地层产出的硫化氢，成为“干净”的钻井液，此时排入常规开式固控设备(如振动筛)将不会对环境及人员造成任何不良影响。经过常规开式固控系统处理后的钻井液排入钻井液罐，然后再泵入井眼进行循环，如果需要压井，则将压井液罐中的钻井液泵入钻井液罐中，然后再进行压井作业。

    当井内返出钻井液中硫化氢的含量突然升高以至密闭装置无法处理干净时，密闭装置处理后的钻井液不再排入常规固控设备，而直接由钻井泵泵入井内进行循环，从而使钻井液在地面的整个回路均处于密闭状态。同时在密闭装置中增大除硫剂的注入量，以使钻井液中的硫化氢清除完全。当井内返出钻井液中硫化氢的含量稳定，密闭装置可以完全清除时，再将钻井液排入常规固控设备进行循环。在整个操作过程中，需要借助硫化氢监测和控制系统来完成。

   四相分离器在密闭系统中发挥重要作用，是其核心装备。密闭系统中的储油罐、沉砂罐、钻井液缓冲罐等后续设备都是为该装备服务，该装备的分离效率稳定与否直接关系到整个密闭系统能否正常运行。美国、加拿大、英国等国家的一些石油公司相继研制出了钻井液四相分离装置，并进行了多次现场使用。目前川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院对四相分离器进行了研制(图3)，并取得了重要进展^[3～7]。

 

   在钻井作业过程中，地层中的气体往往会侵入到钻井液中，形成大量的大小不等的气泡。在密闭系统中，四相分离器只能清除体积较大的气泡，对于溶解在钻井液中的微小气泡却难以清除，而这些微小气泡会造成钻井液密度降低、黏度升高、流动性变差，从而影响了钻井液的性能。为了维护钻井液的性能，在密闭系统中配置密闭式钻井液缓冲罐及真空除气器(图4)。钻井液缓冲罐主要作用是使钻井液流速平稳满足真空除气器的工作要求。真空除气器的作用是清除四相分离器无法分离的微小气泡。川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院研制成功的ZCQ2/3真空式除气器已在塔里木迪那区块和川渝地区钻井中得到成功的使用^[4]。该除气器用于密闭系统时，需对密封等机构进行防硫改造以满足密闭系统的要求。

 

    四相分离器分离出的固相颗粒沉淀在罐体内部，很难进行即时地质取样。因此，在四相分离器之前需配置密闭式带压取样装置。为实现岩屑的连续取样，取样装置包括两个取样筒，这两个筒可以进行交替取样。

    密闭式岩屑存储装置是存储四相分离器分离出岩屑的装置。从四相分离器泵出的岩屑中还含有钻井液，静止后岩屑和钻井液会出现分层，岩屑会沉降在沉砂罐的底部，钻井液会溢流至隔离仓内，再将隔离仓内的钻井液排入钻井液缓冲罐中进行后续处理。沉砂罐的岩屑中还可能含有少量在四相分离器中未完全分离的气体，在密闭式岩屑存储装置中这些气体会逸出，逸出的气体接入点火管线进行燃烧处理。

    密闭系统中应配置两个密闭式岩屑存储装置，在正常工作时只用其中的一个。当沉砂量已达密闭式岩屑存储装置的设计要求时，则需停用此装置，改用另一个密闭式岩屑存储装置。停用的密闭式岩屑存储装置运至井场外或停钻后进行处理。此外，密闭系统配套装备还包括密闭式储油罐、硫化氢中和剂储存及注入装置，节流管汇、点火装节流管汇等装备(图5、6)。

 

    密闭系统的研究对于拓展欠平衡钻井工艺的应用范围、提高钻井作业的HSE水平具有重要意义；同时密闭系统的研究也是一个长期复杂的过程，它所涉及的专业较多，其工艺与装备也较为复杂。除本文涉及的流程方案以及配套装备外，还需开展密闭系统参数的确定、井口装备及井下钻具的配套、地层产物的监测与计量、系统与钻机的匹配、作业的标准等诸方面的研究。因此，研制一套可行的、适合于现场应用的密闭系统需要相关单位与人员长期努力与通力合作。

[1] 中国石油勘探与生产分公司工程技术与监督处.钻井监督[M].北京：石油工业出版社，2003.

[2] 任翔，曾礼宾，刘小玮.钻井用四相分离器应用范围的初步探讨[J].钻采工艺，2006，28(6)：92-94.

[3] 刘小玮，曾礼宾，郑冲涛.ZCQ2/3真空除气器的研究与应用[J].钻采工艺，2006，28(2)：91-93.

[4] 刘程，李锐，张光华，等.新型无固相钻井液体系研究新进展[J].天然气工业，2009，29(11)：64-66.

[5] 朱维兵，徐昌学，王进荣，等.钻井液振动筛性能参数的虚拟测试系统[J].天然气工业，2007，27(10)：82-84.

[6] 陈森，梁大川，李磊.深井超深井安全钻井液密度窗口研究进展[J].天然气工业，2008，28(1)：85-87.

[7] 张洪生，宋振清，石晓兵.准噶尔盆地八区调整井高效安全钻井技术[J].天然气工业，2005，25(7)：56-58.

 

(本文作者：张保贵1 韩烈祥¹ 羡维伟¹ 沈祥东² 郑潇潇³ 石庆⁴ 张洪印⁵ 柳世杰⁴ 1.川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院；2.中国石油西南油气田公司川东北气矿；3.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司；4.中国石油天然气集团公司川庆钻探工程公司；5.中国石油长城钻探工程有限公司固井公司)