专利名称：石油工程循环气体再生方法及其专用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于石油钻井、完井作业、增产措施、试油、试气、采油 施工过程中循环气体的再生处理方法及其专用装置。
背景技术：
在石油钻井等工程施工中，为提高钻井速度、及时发现、评价和保护油气 层，提高油气产量，在适用于气体钻井的油田普遍采用气体钻井等技术，气体 钻井、完井及注气采油等增产措施是近几年国内外得到普遍重视和应用的一项 新技术。它采用氮气、空气、天然气、二氧化碳气、采油机尾气等气体作为循 环流体，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、完井 等施工。目前，国内外气体钻井从装备配套到施工工艺已经形成比较成熟的技 术，气体钻井数量逐年升高，具有广阔的发展前景。气体钻井施工中，空气与地层烃类气体易引起井下着火、爆炸等恶性事故。 使用氮气、天然气、二氧化碳气等作为循环流体，能避免井下燃烧爆炸等问题。 但是，在氮气钻井、天然气钻井、二氧化碳气体钻井中，由于惰性气体的用量 大，生产成本昂贵，在一定程度上限制了该项技术的推广应用。在气体钻井中，在钻头切削和高速气流的冲击下，地层矿物被高度分散， 生成包括微米级甚至纳米级的固相颗粒。因此从井筒返出的流体，除含大量气 体外，还含有钻屑、水、油等物质。要做到气体的循环利用，必需进行分离、 提纯，除掉混合流体中的固体和液体成分，使气体达到重复使用的标准。目前 国内外在气体钻井施工中，上述气体还不能循环利用，而是将其放掉或燃烧， 不仅带来环境污染，而且导致气体资源的浪费，成本升高，设备投资高，制约了该项技术的应用。若能将昂贵的氮气、天然气等处理再生，就可大大降低气 体钻井成本和设备购置费。因此，发明一种循环气体再生技术是降低气体钻井成本、提高油气田整体 开发效益的迫切需要。发明内容针对目前国内外在气体钻井施工中，作为循环流体的氮气、空气、天然气、 二氧化碳气、采油机尾气还不能循环利用的问题，本发明提供了一种可用于石 油钻井、完井作业、试油、试气、增产措施及气举釆油、注气采油等施工过程 中循环气体处理再利用技术。通过简单、高效、低成本的处理方法，使气体再 生循环利用，降低惰性气体的生产成本，提高油气田整体开发效益。具体技术方案如下。本发明提出的石油工程循环气体的再生方法包括以下步骤(1) 三相分离并降温使从井筒返出的高温气液固的混合相通过处理液， 气体从处理液中逸出，液体和固体留在处理液中得到混合液，逸出的气体被处 理液降温；混合相流量0.2 80mV秒'mS处理液，环空出口的混合相流速3 30m/s，环空出口的混合相温度20 150°C，处理液温度10 70°C;(2) 干燥将步骤(1)逸出的气体送入干燥装置进行干燥，干燥后的气 体循环使用；(3) 液固分离将步骤(1)得到的混合液进行液固分离，分离出其中的固体，液体循环使用。对所述的循环气体没有特别的限定，只要能够用在石油钻井、完井作业、 试油、试气、增产措施及气举采油、注气釆油等石油工程中就可以，例如为氮气、空气、天然气、二氧化碳气或采油机尾气。对所述的处理液也没有特别的限定，只要能将气体从井筒返出的气体/液体/固体的混合相分离出来就可以，例如满足这种要求的处理液可以是水溶液、油、 水包油乳液、油包水乳液。用于石油工程的分离净化气/液/固三相流体中气体的水溶液可以是下述水 溶液中的一种(1)含有一种或多种可溶性无机盐或有机盐的水溶液，所述盐的总重量 百分比含量为0.1% 10%。例如0.5%的氯化铝的水溶液或1%的氯化钙的水溶 液。盐的总含量不能太少，太少无效，太多浪费。(2) 含有一种或多种可溶性聚合物的水溶液，所述可溶性聚合物的总重量 百分比含量为0.05% 0.1%。例如0.1%的聚丙烯酰胺的水溶液或0.05%的聚乙 二醇的水溶液。(3) 含有可溶性无机盐和可溶性聚合物的水溶液，所述可溶性无机盐和可 溶性聚合物的重量百分比含量分别为0.1% 10%和0.05% 0.1%，所述可溶性 无机盐可以是一种或多种，所述可溶性聚合物可以是一种或多种。在上述三种水溶液中，可溶性无机盐包括铝盐、铁盐、钙盐、镁盐、钾盐、 聚合铝和聚合铁，可溶性有机盐包括有机铝盐、有机钙盐和有机钾盐。所述铝盐例如为硫酸铝或聚合氯化铝等，所述钙盐例如为氯化钙、硝酸钙 等，所述镁盐例如为硫酸镁、氯化镁、硝酸镁等，所述钾盐例如为硫酸钾、磷 酸钾、氯化钾等，所述有机铝盐例如为烷基氯化铝(R2A1C1及RA1C12)等。在上述三种水溶液中，水溶性聚合物包括聚季胺盐、阴离子表面活性剂、 阳离子聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺和它们的衍生物。用于石油工程的分离净化气/液/固三相流体中气体的油可以是柴油、原油、 矿物油或含有一种或多种可溶性聚合物的油溶液，所述可溶性聚合物的总重量 百分比含量为0.05% 0.1%。用于石油工程的分离净化气/液/固三相流体中气体的水包油乳液，所述水 包油乳液是指在水中含有一种或多种亲水性表面活性剂和与水不相溶的油，形成水包油乳液。使用不同的油或不同的表面活性剂会使油水的比例不同，因此 这里不强调各组分之间的含量关系，只要求它是水包油乳液就可以。在所述的水包油乳液中，亲水性表面活性剂包括石油磺酸盐、烷基磺酸盐， 所述与水不相溶的油包括柴油、原油、矿物油。用于石油工程的分离净化气/液/固三相流体中气体的油包水乳液，所述油 包水乳液是指在与水不相溶的油中含有一种或多种亲油性表面活性剂和水，形 成油包水乳液。使用不同的油或不同的表面活性剂会使油水的比例不同，因此 这里不强调各组分之间的含量关系，只要求它是水包油乳液就可以。在所述的油包水乳液中，亲油性表面活性剂包括斯盘类、吐温类和聚醚类 表面活性剂。所述与水不相溶的油包括柴油、原油、矿物油。斯盘类表面活性剂例如为斯盘80、斯盘60，吐温类表面活性剂例如为吐温 80、吐温60，聚醚类表面活性剂例如为聚醚L63。对步骤(2)中的干燥装置没有特别的限定，只要能将气体中的水分除去就 可以，例如使用分子筛的装置。对于步骤(3)的液固分离方法没有特别的限定，只要能将固体从混合液中 分离出来就可以，例如离心分离或过滤等方法。本发明为了实施所提出的方法，提出了一种气液固多相分离设备，所述设 备主要包括储液罐l、固液分离器2、油水分离器3、冷凝器4、混合器5和气 体干燥装置6,储液罐1的底端通过管道与固液分离器2的上端连接，并且固液 分离器2上端低于储液罐1的底端，储液罐1的顶端通过管道与气体干燥装置6 连接，气体干燥装置6上设有气体排出口，固液分离器2的下端设有固体排放 口，固液分离器2的中上部通过管道与油水分离器3连接，油水分离器3的中 上部设有油相排放口，下端与冷凝器4连接，冷凝器4通过管道与混合器5连 接，混合器5上设有气液固多相流的入口和气液固多相流与处理液混合后的混 合物的排出口。所述的储液罐1的内下部设有多相流体分配板。所述的固液分离器2优选为离心分离器或过滤器，分离出的液相进入油水 分离器3。所述的混合器5可使三相流体与分离液进行较充分的预混合，内有扰流板， 在三相流进入时可以进行较充分的预混合在冷凝器(4)与混合器(5)的连接管道上设有化学剂的补加口。 将从井口返出的氮气、天然气、二氧化碳气等气体与钻屑、油(水)等的 混合流体进入在混合器5中与分离液混合， 一起进入储液罐l，与分离液充分混 合，多相流体中的固相、液相被分离液吸收、絮凝，从而与气相分离，这时气 体的温度也降低，逸出分离液，经干燥装置6除去水分后循环利用。被分离液 吸收、絮凝的液相和固相与分离液一起进入固液分离器2，将固液分离，固相从 下端排出，液相进入油水分离器3，分出油相，水相经过冷凝器4降温，根据需 要补充化学剂，进入混合器5重复利用。利用本发明的循环气体再生方法可以有效分离气流量大的气/液/固三相流 体中的液相、固相，使分离后的气体能够循环使用，解决目前气体钻井等石油 工程施工中气体排放或燃烧造成环境污染和气体资源浪费的问题。该发明具有 气、液、固分离速度快，气体纯净度高，除尘率比旋风分离器提高20倍以上， 处理工艺简单，成本低，气体处理效率高，并能及时获得地质岩样；因气体在 液体中的溶解度很低，连续、密闭分离系统中进行处理，气体损失量少，有利 于环境保护，使用范围广等特点。通过与专用液的热交换，降低返出井口的气 流的温度，能迅速降低高温气体的温度，使其温度达到循环使用要求。处理后 的气体中固相含量小于5 ppm，固相粒径小于5pm，达到循环使用的要求。处 理液经处理和补充有效成分后可重复使用。
图1是表示本发明的气液固多相分离设备的示意图。
具体实施方式
下面结合图1更详细地解释本实用新型的气液固多相分离设备。如图1所示，本发明的设备主要包括储液罐l、固液分离器2、油水分离器 3、冷凝器4、混合器5和气体干燥装置6，在储液罐1的内下部设有多相流体 分配板，储液罐1的底端通过管道与固液分离器2的上端连接，并且固液分离 器2上端低于储液罐1的底端，固液分离器2优选为离心分离器或过滤器，储 液罐1的顶端通过管道与气体干燥装置6连接，气体干燥装置6上设有气体排 出口，固液分离器2的下端设有固体排放口，固液分离器2的中上部通过管道 与油水分离器3连接，油水分离器3的中上部设有油相排放口，下端与冷凝器4 连接，冷凝器4通过管道与混合器5连接，在该管道上设有化学剂的补加口， 混合器5上设有气液固多相流的入口和气液固多相流与处理液混合后的混合物 的排出口。将从井口返出的氮气、天然气、二氧化碳气等气体与钻屑、油(水)等的 混合流体进入在混合器5中与处理液混合， 一起进入储液罐1，与处理液充分混 合，多相流体中的固相、液相被分离液吸收、絮凝，从而与气相分离，这时气 体的温度也降低，逸出处理液，经干燥装置6除去水分后循环利用。被处理液 吸收、絮凝的液相和固相与处理液一起进入固液分离器2，将固液分离，固相从 下端排出，液相进入油水分离器3，分出油相，水相经过冷凝器4降温，根据需 要补充化学剂，进入混合器5重复利用。下面以实施例的方式进一步解释本发明，但是本发明决不局限于这些实施例。实施例1本实施例以回收气体钻井所使用的循环气体为例进一步解释本发明。 在实施气体钻井时，空气或氮气等作为流体介质起到携带岩屑和降低钻头 温度的作用，当钻遇干燥地层时，从井筒返出的是气固两相流体(大量气体携 带少量钻屑)，当钻遇含水层，则从井筒返出的是气固水三相流体，当钻遇油 层时，返出气流中则有气固油三相，甚至也有少量的水。不管是两相还是三相， 其中气体的含量相当大，而其余的量都少，否则是携带不了的。在储液罐1中放置分离液，其组成可以是0.06%聚丙烯酰胺的水溶液，从 井口返出的气体与钻屑、油(或水)等的高温(例如75'C)混合流体进入到混 合器5，与分离液开始混合，混合相流量30 mV秒.i^处理液，环空出口的混 合相流速20m/s，环空出口的混合相温度100°C，处理液温度40°C;进入 储液罐l，气流经过分配板上溢，并与分离液充分混合，多相流体中的固相被分 离液中的聚合物吸附、絮凝，与气相分离，含有水蒸汽的气相逸出分离液，同 时也被降温至40'C，逸出分离液的气体进入放置干燥剂的干燥装置6，除去水分，经空气压縮机注入井内循环利用。被分离液絮凝的固相与分离液一起进入固液分离器2，固相(例如吸附了岩 屑的聚合物)与液相分离、排出，液相进入油水分离器3，分出油相(当钻遇油 层时，返出气流中含有油气)，含有聚合物的水相经过冷凝器4降温返回混合 器5，同时补充聚合物，使分离液保持最佳的聚合物含量。下面以实施例2 7进一步解释本发明使用的用于石油工程的分离净化气/ 液/固三相流体中气体的处理液，气/液/固三相流体的方法与实施例1的方法相 同。实施例2在985 kg水中加入5kg氯化铝和10kg氯化牵丐，搅拌溶解，得到本发明使 用的用于石油工程的分离净化气/液/固三相流体中气体的处理液。 实施例3在999.2kg水中加入0.8kg聚丙烯酰胺，搅拌溶解，得到本发明使用的用 于石油工程的分离净化气/液/固三相流体中气体的处理液。 实施例4在994.2 kg水中加入5 kg氯化铝和0.8 kg聚丙烯酰胺，搅拌溶解，得到本 发明使用的用于石油工程的分离净化气/液/固三相流体中气体的处理液。 实施例5在850 kg水中加入130 kg矿物油和9.3 kg斯盘80和10.7 kg吐温80，搅拌，得到本发明使用的用于石油工程的分离净化气/液/固三相流体中气体的处 理液。实施例6在850kg矿物油中加入135kg水和15kg聚醚L72，搅拌，得到本发明使 用的用于石油工程的分离净化气/液/固三相流体中气体的处理液。 实施例7在999.2 kg水中加入0.8 kg聚丙烯酰胺，搅拌溶解，配制成本发明使用的 用于石油工程的分离净化气/液/固三相流体中气体的处理液。
权利要求
1. 一种石油工程循环气体的再生方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)三相分离并降温使从井筒返出的高温气液固的混合相通过处理液，气体从处理液中逸出，液体和固体留在处理液中得到混合液，逸出的气体被处理液降温；混合相流量0.2～80m3/秒·m3处理液，环空出口的混合相流速3～30m/s，环空出口的混合相温度20～150℃，处理液温度10～70℃；(2)干燥将步骤(1)逸出的气体送入干燥装置进行干燥，干燥后的气体循环使用；(3)液固分离将步骤(1)得到的混合液进行液固分离，分离出其中的固体，液体循环使用。
2. 如权利要求1所述的石油工程循环气体的再生方法，其特征在于，所述处理液是下述水溶液中的一种(1) 含有一种或多种可溶性无机盐或可溶性有机盐的水溶液，所述盐的总重量百分比含量为0.1% 10%;(2) 含有一种或多种可溶性聚合物的水溶液，所述可溶性聚合物的总重量 百分比含量为0.05% 0.1%;(3) 含有可溶性无机盐和可溶性聚合物的水溶液，所述可溶性无机盐和可 溶性聚合物的重量百分比含量分别为0.1% 10%和0.05% 0.1%。
3. 如权利要求2所述的石油工程循环气体的再生方法，其特征在于，其特 征在于，可溶性无机盐为铝盐、铁盐、钙盐、镁盐、钾盐、聚合铝和聚合铁， 所述可溶性有机盐为有机铝盐、有机钙盐和有机钾盐，所述水溶性聚合物为聚 季胺盐、阴离子表面活性剂、阳离子聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺和它们的 衍生物。
4. 如权利要求1所述的石油工程循环气体的再生方法，其特征在于，所述处理液是柴油、原油、矿物油或含有一种或多种可溶性聚合物的油溶液，所述可溶性聚合物的总重量百分比含量为0.05% 0.1%。
5. 如权利要求1所述的石油工程循环气体的再生方法，其特征在于，所述 处理液是水包油乳液或油包水乳液。
6. —种如权利要求1所述的石油工程循环气体的再生方法所使用的气、液、 固三相分离设备，其特征在于，所述设备主要包括储液罐(l)、固液分离器(2)、 油水分离器(3)、冷凝器(4)、混合器(5)和气体干燥装置(6)，储液罐(1)的底端通过管道与固液分离器(2)的上端连接，并且固液分离器(2)上 端低于储液罐(1)的底端，储液罐(1)的顶端通过管道与气体干燥装置(6) 连接，气体干燥装置(6)上设有气体排出口，固液分离器(2)的下端设有固 体排放口，固液分离器(2)的中上部通过管道与油水分离器(3)连接，油水 分离器(3)的中上部设有油相排放口，下端与冷凝器(4)连接，冷凝器(4) 通过管道与混合器(5)连接，混合器(5)上设有气液固多相流的入口和气液 固多相流与处理液混合后的混合物的排出口 。
7. 如权利要求6所述的气、液、固三相分离设备，其特征在于，所述储液 罐(1)的内下部设有多相流体分配板。
8. 如权利要求6所述的气、液、固三相分离设备，其特征在于，所述固液 分离器(2)优选为离心分离器或过滤器，分离出的液相进入油水分离器(3)。
9. 如权利要求6所述的气、液、固三相分离设备，其特征在于，在冷凝器 (4)与混合器(5)的连接管道上设有化学剂的补加口。
全文摘要
本发明的石油工程循环气体再生方法及其专用装置属于石油工程中气体再生的技术领域，针对目前气体钻井施工中循环气体还不能循环利用的问题，提出使从井筒返出的高温气液固的混合相通过处理液，气体从处理液中逸出，液体和固体留在处理液中得到混合液；逸出的气体经干燥装置干燥后循环使用；混合液进行液固分离，分离出其中的固体，液体循环使用。同时提出一种气液固多相分离设备，主要包括储液罐1、固液分离器2、油水分离器3、冷凝器4、混合器5和气体干燥装置6。本发明具有气、液、固分离速度快，气体纯净度高，处理工艺简单，气体处理成本低，气体处理效率高，有利于环境保护，使用范围广等特点。
文档编号E21B21/16GK101235709SQ20071006351
公开日2008年8月6日 申请日期2007年2月2日 优先权日2007年2月2日
发明者琳 王, 苏长明 申请人:中国石油化工股份有限公司;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院