专利名称：气体循环钻井工艺系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种石油与天然气钻井工艺，特别是一种气体循环钻井工艺系 统及其方法。
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、縮短建井周期、降低钻井成本、提 高油气采收率等诸多优点，现己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。
当前的气体钻井工艺方式存在以下不足
1、 污染环境气体钻井井口排出物含有大量的粉尘，直接排放到大气中 会造成空气污染，而所采用的气体以及井下出天然气等直接排放或燃烧也都会 造成一定的污染；
2、 成本高昂如采用氮气，则大容量的制氮装置成本昂贵；如采用尾气， 则需要消耗大量的柴油以产生尾气；如采用天然气，则需要有距离较近而且压 力足够高的气源井，每钻一口井至少消耗几十万方天然气。
鉴于当前气体钻井作业普遍存在污染大、成本高的缺陷，亟需提供一种能 够循环利用出井气体，从而降低成本并且减少污染的气体循环钻井工艺系统及 其方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能够循环利用出井气体，从而 降低成本并且减少污染的气体循环钻井工艺系统及其方法。 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，提供一种气体循环钻井工艺方法，包括以下步骤(1) 将气源装置中的气体增压后注入到井内；
(2) 注气完毕后开始钻进；
(3) 井内的气液固混合物循环出井进入三级分离与净化系统；
(4) 分离后的洁净气体经增压后再次注入井内循环使用。
进一步的，在所述步骤(3)中，各级分离净化系统排出的岩屑和液体都直
接排放到排砂池内。
进一步的，三级分离与净化系统由一级惯性快分系统、二级旋风分离系统
和三级精细过滤系统组成。
更进一歩的，所述一级惯性快分系统用于粗分、除砂；所述二级旋风分离
系统用于细分、除泥；而所述三级精细过滤系统用于分离微小颗粒。 更进一步的， 一级惯性快分系统可除去粒径大于0. l歴的颗粒。 更进一步的，二级旋风分离系统可除去粒径大于10um的颗粒。 更进一步的，三级精细过滤系统可除去粒径大于3 u m的颗粒。 进一步的，气体为氮气、天然气或尾气。 进一步的，所述步骤(1)中使用压縮机进行气体增压。 进一步的，将所述压縮机的出口气体注入增压机二次增压后再注入井内。 借助于本发明，能够实现下述有益效果
1. 保留了现有气体钻井技术的优点；
2. 可实现气体的循环使用，减小气体用量，节约了能源； 一方面降低了气体制备装置的投入，降低钻井成本；同时降低了对天然气
气源井的压力要求，拓展了天然气钻井应用范围；减少环境污染，改善井场环 境和工作条件。
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。
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l是根据本发明的气体循环钻井系统工艺流程示意图；以及图2是现有技术中典型气体钻井工艺系统工作流程示意图。
具体实施例方式
目前常用的典型气体钻井工艺如图2所示，其工艺流程如下
气源可以采用空气、氮气、天然气或尾气。如果采用氮气，需要有专门
的大容量制氮装置；如果采用天然气，需要在所钻井附近有压力足够高的天然
气气源井；如果采用尾气，需要有专门的尾气发生器产生尾气。
压縮机对气体进行压縮， 一般可增至2.4MPa左右。如果井比较浅，可以
将压縮机出口的气体直接注入井内。当井比较深，所需压力较高时，则需要进
一步增压。
增压机对气体进一步增压， 一般可增至十几MPa。压力的高低根据所钻井 的需要而定。
气体入井增压后的气体通过立管注入井内，然后从环空返出地面。此时 的气体已经和岩屑、井下流体混合在一起。
井口排放无论采用何种气体，当前的处理方式都是直接排放或燃烧。 当前的气体钻井工艺方式存在以下不足
污染环境气体钻井井口排出物含有大量的粉尘，直接排放到大气中会造 成空气污染。而所采用的气体以及井下出天然气直接排放或燃烧都会造成一定 的污染。
增加成本如采用氮气，则大容量的制氮装置成本昂贵，以30Nm3/min的 制氮装置为例，其成本约在300万人民币左右。如采用尾气，则需要消耗大量 的柴油以产生尾气，以Z12V90柴油机为例，每分钟消耗的油量为3. 5Kg，每天 的消耗量大约在5吨以上。如采用天然气，则需要有距离较近而且压力足够高 的气源井，每钻一口井至少消耗几十万方天然气。
由此可见，目前的气体钻井作业中，出井的气体均直接排放或放燃，没有 进行循环利用，因此，在一定程度上造成了资源的浪费和成本的增加。倘若能 将气体循环使用，则可以大大降低气体用量，从而显著降低气体钻井的成本。
本发明的目的在于建立气体循环钻井工艺系统。通过对井口返出的气液固 混合物进行有效分离，分离后的气体重新注入井内循环使用，减少气体用量， 而分离后的液体和岩屑颗粒排放到排砂池。进而达到降低气体钻井成本，减少 环境污染的目的。
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，根据本发明的气体钻井工艺方式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，将气源装置中的气体增压后注入到井内；注气完毕后开始钻 进；井内的气液固混合物循环出井进入三级分离与净化系统；分离后的洁净气 体经增压后再次注入井内循环使用。通过对井口返出的气液固混合物进行有效 分离，分离后的气体重新注入井内循环使用，减少气体用量，而分离后的液体 和岩屑颗粒排放到排砂池，最终通过气体的循环利用达到降低气体钻井成本， 减少环境污染的目的。
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。本发明 的三级净化系统分为惯性快分系统、旋风分离系统和精细过滤系统。
本发明的三级净化系统的惯性快分系统的主要功能为粗分、除砂，除去 粒径超过0. lmm的颗粒，其进口气速可达16m/s;强度达0. 6MPa;重量160kg; 壁厚6mm。
本发明的三级净化系统的旋风分离系统，主要功能为细分、除泥，除去粒 径大于10um的颗粒；进口气速可达20m/s;强度达0. 6MPa;重量150kg; 壁厚6腿。
本发明的三级净化系统的精细过滤系统，主要功能为除去粒径大于3um 的颗粒；强度可达1.0MPa;重量1000kg;壁厚36mm。
接下来将参照图1，对本发明的气体循环钻井系统工艺流程进行详细描述。
本发明的适用介质包括氮气、天然气、尾气。如果采用氮气作为循环介 质，则需要使用小容量的制氮装置即可；如果采用天然气作为循环介质，则需 要有接自气源井的管线；如果采用尾气，则需要有尾气发生器。由于气体改为 循环使用，因此，所用气量会大幅度减少。
参见图1，其具体操作步骤为
1、 气源准备根据气体介质的不同，启动相应的设备。
(1) 采用氮气，则启动小容量制氮装置制备氮气；
(2) 如果采用天然气，则开启气源管线；
(3) 如果采用尾气，则启动尾气发生器产生尾气。
2、 气体通过压縮机进行一级增压，根据钻井设计的压力要求，确定压縮机 出口气体是否直接注入井内，或进入增压机二次增压后再注入井内。另外，对 天然气钻井而言，如果气源井压力足够高，可以直接注入井内。如果气源井压力不足以满足钻井设计的压力要求，则可以根据实际需要确定是否进入压縮机
和增压机；
3、 持续向井内注气，当井内气量达到钻进所需气量时，开始钻进；
4、 钻进过程中，气液固混合物循环出井后，先进入惯性快分装置，除去粒 径大于0. lmm的颗粒；
5、 经过一级惯性快分的气体进入二级旋风分离，除去粒径大于10um的颗粒;
6、 经过二级旋风分离的气体进入过滤器，除去粒径超过3um的颗粒；
7、 分离后的洁净气体进入压縮机、增压机增压后，再次注入井内循环使用；
8、 各级分离净化系统排出的岩屑和液体直接进入排砂池。
9、 钻井过程中，气源装置继续工作，以弥补钻井过程中的气量损失。 以下将分别针对以氮气、天然气和尾气作为循环介质的情况，对本发明的
优选实施例进行进一步详细描述。 实施例一采用氮气作为循环介质
1、 气源准备启动小容量制氮装置制备氮气；
2、 气体通过压縮机进行一级增压，根据钻井设计的压力要求，确定压縮机 出口气体是否直接注入井内，或进入增压机二次增压后再注入井内；
3、 持续向井内注气，当井内气量达到钻进所需气量时，开始钻进；
4、 钻进过程中，气液固混合物循环出井后，先进入惯性快分装置，除去粒
径大于0. lmm的颗粒；
5、 经过一级惯性快分的气体进入二级旋风分离，除去粒径大于10 u m的颗粒;
6、 经过二级旋风分离的气体进入过滤器，除去粒径超过3um的颗粒；
7、 分离后的洁净气体进入压縮机、增压机增压后，再次注入井内循环使用；
8、 各级分离净化系统排出的岩屑和液体直接进入排砂池。
9、 钻井过程中，气源装置继续工作，以弥补钻井过程中的气量损失。
实施例二采用天然气作为循环介质
1、 气源准备开启气源管线；
2、 如果气源井压力足够高，可以直接注入井内。如果气源井压力不足以满
足钻井设计的压力要求，则可以根据实际需要确定是否进入压縮机和增压机；
3、 持续向井内注气，当井内气量达到钻进所需气量时，开始钻进；
4、 钻进过程中，气液固混合物循环出井后，先进入惯性快分装置，除去粒 径大于0. lmm的颗粒；5、 经过一级惯性快分的气体进入二级旋风分离，除去粒径大于10 u m的颗粒;
6、 经过二级旋风分离的气体进入过滤器，除去粒径超过3um的颗粒；
7、 分离后的洁净气体进入压縮机、增压机增压后，再次注入井内循环使用；
8、 各级分离净化系统排出的岩屑和液体直接进入排砂池。
9、 钻井过程中，可间歇性开启气源管线，以弥补钻井过程中的气量损失。实施例三采用尾气作为循环介质
1、 气源准备启动尾气发生器产生尾气；
2、 气体通过压縮机进行一级增压，根据钻井设计的压力要求，确定压縮机出口气体是否直接注入井内，或进入增压机二次增压后再注入井内；
3、 持续向井内注气，当井内气量达到钻进所需气量时，开始钻进；
4、 钻进过程中，气液固混合物循环出井后，先进入惯性快分装置，除去粒径大于0. Iran的颗粒；
5、 经过一级惯性快分的气体进入二级旋风分离，除去粒径大于10 " m的颗粒;
6、 经过二级旋风分离的气体进入过滤器，除去粒径超过3um的颗粒；
7、 分离后的洁净气体进入压縮机、增压机增压后，再次注入井内循环使用；
8、 各级分离净化系统排出的岩屑和液体直接进入排砂池。
9、 钻井过程中，气源装置继续工作，以弥补钻井过程中的气量损失。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气体钻井技术
的优点；可实现气体的循环使用，减小气体用量，节约能源；降低了气体制备装置的投入，降低钻井成本；降低了对天然气气源井的压力要求，拓展了天然气钻井应用范围；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。
权利要求
1.一种气体循环钻井工艺方法，其特征在于包括以下步骤(1)将气源装置中的气体增压后注入到井内；(2)注气完毕后开始钻进；(3)井内的气液固混合物循环出井进入三级分离与净化系统；并且(4)分离后的洁净气体经增压后再次注入井内循环使用。
2. 根据权利要求1所述的气体循环钻井工艺方法，其特征在于在所述步骤(3)中各级分离净化系统排出的岩屑和液体都直接排放到排砂池内。
3. 根据权利要求1或2所述的气体循环钻井工艺方法，其特征在于所述的三级分离与净化系统由一级惯性快分系统、二级旋风分离系统和三级精细过滤系统组成。
4. 根据权利要求3所述的气体循环钻井工艺方法，其特征在于所述一级惯性快分系统用于粗分、除砂；所述二级旋风分离系统用于细分、除泥；而所述三级精细过滤系统用于分离微小颗粒。
5. 根据权利要求4所述的气体循环钻井工艺方法，其特征在于所述的一级惯性快分系统用于除去粒径大于0. lmm的颗粒。
6. 根据权利要求4所述的气体循环钻井工艺方法，其特征在于所述的二级旋风分离系统用于除去粒径大于10 u m的颗粒。
7. 根据权利要求4所述的气体循环钻井工艺方法，其特征在于所述的三级精细过滤系统用于除去粒径大于3 u m的颗粒。
8. 根据权利要求1或2所述的气体循环钻井工艺方法，其特征在于所述的气体为氮气、天然气或尾气。
9. 根据权利要求1或2所述的气体循环钻井工艺方法，其特征在于所述步骤(1)中使用压縮机或增压机进行气体增压。
10. 根据权利要求9所述的气体循环钻井工艺方法，其特征在于当需要提高注气压力时，将压縮机出口气体注入增压机二次增压后再注入井内。
全文摘要
本发明公开了一种气体循环钻井工艺系统及其方法，它包括以下步骤将气源装置中的气体增压后注入到井内；注气完毕后开始钻进；井内的气液固混合物循环出井进入三级分离与净化系统；分离后的洁净气体经增压后再次注入井内循环使用。通过气体的循环利用，达到减少气体用量，降低气体钻井成本，减少环境污染的目的。
文档编号E21B21/00GK101624900SQ20081011631
公开日2010年1月13日 申请日期2008年7月8日 优先权日2008年7月8日
发明者姬中礼, 孙国刚, 军 李, 柳贡慧 申请人:中国石油大学(北京)