钻井液中有害气体密闭清除方法与流程

本发明涉及石油钻探密闭钻井工艺技术领域，主要是用于在于大气隔离的密闭钻井循环系统中的钻井液有害气体的清除方法，更具体地说涉及一种钻井液中有害气体密闭清除方法。

背景技术：

欠平衡钻井是指在钻井过程中井筒钻井液液柱压力小于地层压力时的钻井工艺，欠平衡钻井技术具有提高钻井效率、发现和保护储层以及提高油气产量等诸多优点，在国内外具有广阔的市场前景。在欠平衡钻井过程中，由于地层压力大于井底液柱压力，地层流体就会进入井眼并随钻井液返至地面。返出的流体中包含有易挥发的烃类气体或硫化氢等有毒有害气体。目前国内主要地面处理装备普遍采用气液两相分离器，由于该装置内具有一定压力，只能分离钻井液中的大部分段塞流或大气泡气体，且压力越高，越不利于气体的分离。钻井液中还残留着不易分离的小气泡形态的硫化氢等有害气体。如果没有完全分离干净的钻井液排入撇油罐或振动筛等敞开式装置后，硫化氢等有毒有害气体的挥发会对井场人员以及周围的环境造成严重威胁。因此，目前在含硫地层实施钻井作业时，当硫化氢浓度大于50ppm，就不能采用欠平衡钻井技术。即使在常规过平衡钻井过程中（即井筒钻井液液柱压力大于地层压力），在钻遇不可预见含硫化氢等有毒有害气体地层时，如果没有相关地面气体处理设备，挥发到大气中的地层气体也将对人员和环境造成伤害。

随着新《中华人民共和国安全生产法》与《中华人民共和国环境保护法》两法的颁布，国家与社会对环境保护与安全生产愈加重视与严格。在钻井过程中对钻井液中有毒有害气体进行完全密闭清除的工艺方法成为一种必然趋势。

国家知识产权局于2009年9月9日，公开了一件公开号为cn101525993a，名称为“含硫地层欠平衡钻井中硫化氢的监测与控制方法”的发明专利，该发明专利是钻井液经过密闭取样器时对钻井液中硫化氢含量进行监测，并将监测到的硫化氢含量信号输入至控制系统，控制系统换算成所需除硫剂的量并发出指令，注入除硫剂至四相分离器并使钻井液中的硫化氢与除硫剂反应从而清除残留硫化氢。

上述现有技术中对硫化氢的处理方法中，过量地添加除硫剂至钻井液中，会对钻井液材料的性能造成一定的影响，因此会对除硫剂的添加量产生一定的限制，而限制了除硫剂的添加量之后，就会影响硫化氢的清除效果和效率，不能很好的清除掉钻井液中的硫化氢。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种钻井液中有害气体密闭清除方法，本发明可以使在完全与大气隔离的钻井液地面处理系统中分级处理钻井液中不同形态的硫化氢等有害气体，完全避免了有毒有害气侵钻井液暴露于大气环境中挥发后对人员、设备与环境的伤害，防止了意外事故的发生，满足钻井安全环保的迫切需求。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：

钻井液中有害气体密闭清除方法，含有有害气体的钻井液从井内返出地面，进入地面钻井液密闭处理系统中，其特征在于：含有有害气体的钻井液从井内返出，经过降压后进入初级分离器，经过初级分离器分离后的钻井液直接导入二级分离器中进行二次分离，二次分离器的工作压力小于初级分离器的工作压力；经过二级分离器分离后的钻井液通过离心泵泵入第三级分离系统中，在第三级分离系统中，分别采用负压抽离、液下扰流、流体温控相结合的结构方式对参与气体进行分离；将上述各级分离系统中分离出的气体导入气体处理装置中进行处理；经第三级分离系统分离后的钻井液排入固控系统进行处理，经固控系统处理后的钻井液排入井内进行循环。

在第三级分离系统的排液口处设置气体监测仪器，当监测到仍有未分离的气体存在时，通过加药装置向第三级分离系统的进液管线中注入除硫剂，使第三级分离系统中的钻井液中的硫化氢与除硫剂反应；若气体仍为完全处理，通过加药装置向二级分离器的进液管线中注入除硫剂，使二级分离器中的钻井液中的硫化氢与除硫剂反应；依次类推，通过加药装置向初级分离器的进液管线中注入除硫剂，使初级分离器中的钻井液中的硫化氢与除硫剂反应。

在第三级分离系统的排液口处设置气体监测仪器，当监测到仍有未分离的气体存在时，在第三级分离系统的排液管线上设置分支管路，将第三级分离系统中排出的未分离干净的钻井液再次回注到第三级分离系统中进行再次循环处理；若仍不能将钻井液分离干净，在二级分离器的排液管线上设置分支管路，将二级分离器分离后的钻井液回注到二级分离器中进行再次循环处理。

将第三级分离系统中处理后的钻井液绕过固控系统直接注入井内进行循环处理。

在第三级分离系统中，分别采用负压抽离、液下扰流、流体温控相结合的结构方式对参与气体进行分离；具体是指：经二级分离器处理后的钻井液进入第三级分离系统中的分离罐中，经过离心分离，离心分离后的气体由分离罐上部分离，分离后的钻井液落入分离罐内；通过钻井液加热系统对钻井液进行增温调节；并对分离罐内的钻井液底部流体进行搅拌扰流；将分离罐内的钻井液出口处的钻井液抽送至钻井液液面处喷射；在分离罐内设置真空系统，通过真空系统将分离罐内抽至负压状态；真空系统将分离罐中的气体抽至气体处理装置中。

经过降压后进入初级分离器，具体是指：返出的钻井液经过节流管汇降低压力，所述节流管汇包括一级节流管汇或多级节流管汇串联。

在第三级分离系统中，经过气体处理装置处理后的气体输送至点火装置处进行点火燃烧。

在第三级分离系统中，将经过气体处理装置处理后的气体进行收集，将收集的处理后的气体注入井内进行重复循环。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、对于井口返出的含有硫化氢等有毒有害气体的高压流体采用三级分离系统进行逐级降压的分离方法，对钻井液中不同形态气泡的有害气体进行分级处理。在第三级分离系统中采用负压抽离、液下扰流、流体温控等相结合的结构方式来对残余的不易分离的微小气泡气体进行分离，最大限度的提高设备的分离效率。本发明对于分离出的气体设置有脱硫等气体处理设备进行环保处理。分离的气体可以进行点火燃烧，在充气钻井中也可以重新加压后注入井内循环，节约了设备资源的消耗，降低了使用成本。

2、本发明的独特的优点还有采用药剂注入、旁通回流以及循环回注三级保险措施方法来控制地面分离系统不能完全分离有毒有害气体时的钻井液流体处理控制工艺，最大限度的避免硫化氢等有毒有害气体在固控系统中挥发至大气对人员与环境造成伤害。同时将接单根前的立管压力泄至分离系统中，提高了钻井作业的安全性，满足安全环保的要求。

3、含有硫化氢等有害气体的钻井液从井口经管线a返出地面，进入地面钻井液密闭处理系统。返出的流体压力较高，设置有高压力级别的节流管汇来降低系统压力，避免了直接将返出钻井液导入到分离器可能超过设备工作压力造成的井控风险。如果在高压高含硫气井储层段钻井时，井口返出流体压力过高，可采用双节流系统装置串联的方式来逐级降低地面循环压力，避免了单节流管汇工作负荷过重，同时还避免了一次压力降过高造成的钻井液起泡现象，提高了分离效率。

4、高压流体通过节流管汇降压后经管线b进入初级分离器，初级分离器具有一定工作压力（≥2.5mpa）。由于压力越高，分离器分离效率越低，初级分离器只能分离返出钻井液中段塞流气泡或大气泡的气体。管线的工作压力应大于初级分离器的工作压力。本发明中，初级分离器3可以是常规的液气分离器或其他已知类型分离器。

5、将初级分离器分离后的钻井液经管线c直接导入第二级分离器进行二次分离。第二级分离器的工作压力应小于初级分离器，约为1.0~2.5mpa。在二级分离中，钻井液中大部分气体将被分离干净，但在一定压力条件下，直径小于3mm的微小气泡仍不易被完全分离。管线c的工作压力应大于第二级分离器的工作压力。本发明中，第二级分离器可以是常规液气分离器、多相分离器或其他已知类型分离器。

6、将第二级分离器分离后的钻井液采用高速离心砂泵经管线泵入第三级分离系统。如果第二级分离系统压力较高，通过旁通管路直接依靠压力将钻井液排入第三级分离系统。第三级分离系统的工作压力可以通过负压系统进行调节，压力范围约为-0.05~0.5mpa。在第三级分离系统中，分别采用负压抽离、液下扰流、流体温控等相结合的结构方式来对残余微小气体进行分离。本发明中的第三级分离系统可以是已知的负压分离设备或专门设计的气液分离系统。

7、本发明的第三级分离系统中，在分离罐内通过钻井液加热系统对钻井液进行增温调节，受钻井液温度升高的影响，硫化氢的溶解度降低，部分硫化氢气体从钻井液中分离出来。在罐内设置有搅拌机构，能够将钻井液底部流体进行搅拌扰流，有助于粘度较大钻井液中硫化氢气体的分离。同时在罐内中部设置有液下扰流喷射机构，将罐内钻井液出口附近钻井液抽至罐内中部底层钻井液处喷射，可以将钻井液底部的不易分离的微小气泡的硫化氢循环至液面进行脱气分离。在罐内的上部空间采用真空系统将罐内抽至负压状态，使钻井液中硫化氢气泡在上升至液面过程中随着压力减小气泡直径增大，进而浮力增加，有利于气泡的快速上升与分离。

附图说明

图1为本发明方法的工艺流程示意图；

图2为本发明方法的不同工艺需求的方法流程示意图；

图3为本发明第三级分离系统的流程示意图。

具体实施方式

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

钻井液中有害气体密闭清除方法，含有有害气体的钻井液从井内返出地面，进入地面钻井液密闭处理系统中，含有有害气体的钻井液从井内返出，经过降压后进入初级分离器，经过初级分离器分离后的钻井液直接导入二级分离器中进行二次分离，二次分离器的工作压力小于初级分离器的工作压力；经过二级分离器分离后的钻井液通过离心泵泵入第三级分离系统中，在第三级分离系统中，分别采用负压抽离、液下扰流、流体温控相结合的结构方式对参与气体进行分离；将上述各级分离系统中分离出的气体导入气体处理装置中进行处理；经第三级分离系统分离后的钻井液排入固控系统进行处理，经固控系统处理后的钻井液排入井内进行循环。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

钻井液中有害气体密闭清除方法，含有有害气体的钻井液从井内返出地面，进入地面钻井液密闭处理系统中，含有有害气体的钻井液从井内返出，经过降压后进入初级分离器，经过初级分离器分离后的钻井液直接导入二级分离器中进行二次分离，二次分离器的工作压力小于初级分离器的工作压力；经过二级分离器分离后的钻井液通过离心泵泵入第三级分离系统中，在第三级分离系统中，分别采用负压抽离、液下扰流、流体温控相结合的结构方式对参与气体进行分离；将上述各级分离系统中分离出的气体导入气体处理装置中进行处理；经第三级分离系统分离后的钻井液排入固控系统进行处理，经固控系统处理后的钻井液排入井内进行循环。在第三级分离系统的排液口处设置气体监测仪器，当监测到仍有未分离的气体存在时，可以采用下述三种方法中的一种或多种的组合进行处理：

a、在第三级分离系统的排液口处设置气体监测仪器，当监测到仍有未分离的气体存在时，通过加药装置向第三级分离系统的进液管线中注入除硫剂，使第三级分离系统中的钻井液中的硫化氢与除硫剂反应；若气体仍为完全处理，通过加药装置向二级分离器的进液管线中注入除硫剂，使二级分离器中的钻井液中的硫化氢与除硫剂反应；依次类推，通过加药装置向初级分离器的进液管线中注入除硫剂，使初级分离器中的钻井液中的硫化氢与除硫剂反应；

b、在第三级分离系统的排液口处设置气体监测仪器，当监测到仍有未分离的气体存在时，在第三级分离系统的排液管线上设置分支管路，将第三级分离系统中排出的未分离干净的钻井液再次回注到第三级分离系统中进行再次循环处理；若仍不能将钻井液分离干净，在二级分离器的排液管线上设置分支管路，将二级分离器分离后的钻井液回注到二级分离器中进行再次循环处理；

c、将第三级分离系统中处理后的钻井液绕过固控系统直接注入井内进行循环处理。

上述三种处理方法，可以择一进行使用，也可以两两结合或者三种同时使用。

实施例3

作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了：

钻井液中有害气体密闭清除方法，含有有害气体的钻井液从井内返出地面，进入地面钻井液密闭处理系统中，含有有害气体的钻井液从井内返出，经过降压后进入初级分离器，经过初级分离器分离后的钻井液直接导入二级分离器中进行二次分离，二次分离器的工作压力小于初级分离器的工作压力；经过二级分离器分离后的钻井液通过离心泵泵入第三级分离系统中，在第三级分离系统中，分别采用负压抽离、液下扰流、流体温控相结合的结构方式对参与气体进行分离；将上述各级分离系统中分离出的气体导入气体处理装置中进行处理；经第三级分离系统分离后的钻井液排入固控系统进行处理，经固控系统处理后的钻井液排入井内进行循环。经过降压后进入初级分离器，具体是指：返出的钻井液经过节流管汇降低压力，所述节流管汇包括一级节流管汇或多级节流管汇串联。在第三级分离系统中，经过气体处理装置处理后的气体输送至点火装置处进行点火燃烧。

在第三级分离系统的排液口处设置气体监测仪器，当监测到仍有未分离的气体存在时，在第三级分离系统的排液口处设置气体监测仪器，当监测到仍有未分离的气体存在时，通过加药装置向第三级分离系统的进液管线中注入除硫剂，使第三级分离系统中的钻井液中的硫化氢与除硫剂反应；若气体仍为完全处理，通过加药装置向二级分离器的进液管线中注入除硫剂，使二级分离器中的钻井液中的硫化氢与除硫剂反应；依次类推，通过加药装置向初级分离器的进液管线中注入除硫剂，使初级分离器中的钻井液中的硫化氢与除硫剂反应；

当监测到仍有未分离的气体存在时，在第三级分离系统的排液管线上设置分支管路，将第三级分离系统中排出的未分离干净的钻井液再次回注到第三级分离系统中进行再次循环处理；若仍不能将钻井液分离干净，在二级分离器的排液管线上设置分支管路，将二级分离器分离后的钻井液回注到二级分离器中进行再次循环处理；

在本实施例中，在第三级分离系统中，将经过气体处理装置处理后的气体进行收集，将收集的处理后的气体注入井内进行重复循环。

实施例4

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1和2，本实施例公开了：

钻井液中有害气体密闭清除方法，含有硫化氢等有害气体的钻井液从井口1经管线a返出地面，进入地面钻井液密闭处理系统。返出的流体压力较高，设置有高压力级别的节流管汇2来降低系统压力，高压流体通过节流管汇2降压后经管线b进入初级分离器3，初级分离器3具有一定工作压力（≥2.5mpa）。由于压力越高，分离器分离效率越低，初级分离器3只能分离返出钻井液中段塞流气泡或大气泡的气体。管线b的工作压力应大于初级分离器3的工作压力。本发明中，初级分离器3可以是常规的液气分离器或其他已知类型分离器。

将初级分离器3分离后的钻井液经管线c直接导入第二级分离系统4进行二次分离。第二级分离系统4的工作压力应小于初级分离器，约为1.0~2.5mpa。在二级分离中，钻井液中大部分气体将被分离干净，但在一定压力条件下，直径小于3mm的微小气泡仍不易被完全分离。管线c的工作压力应大于第二级分离系统4的工作压力。本发明中，第二级分离系统4可以是常规液气分离器、多相分离器或其他已知类型分离器。

将第二级分离系统4分离后的钻井液采用高速离心砂泵30经管线d泵入第三级分离系统5。如果第二级分离系统4压力较高，可以采用关闭阀门39，并打开阀门38的方式通过旁通管路直接依靠压力将钻井液排入第三级分离系统5。第三级分离系统5的工作压力可以通过负压系统进行调节，压力范围约为-0.05~0.5mpa。在第三级分离系统5中，分别采用负压抽离、液下扰流、流体温控等相结合的结构方式来对残余微小气体进行分离。本发明中的第三级分离系统5可以是已知的负压分离设备或专门设计的气液分离系统。

将以上各级分离系统中分离出的气体分别通过管线h、i、j导入气体处理装置6，各管线设置有单向阀13、14、15，防止气体反窜。第三级分离系统分离的气体需有真空泵16等抽吸设备抽入处理装置6，该装置可以是脱硫干燥等气体处理设备。经处理后的气体通过管线k、l连接至点火装置7进行点火燃烧，管线l上靠近点火装置处有防火阀18，防止气量小时火苗回窜。如果在充气钻井中，分离出的气体中还含有氮气、二氧化碳或烃类气体，可以将分离后的气体收集后，关闭管线l上的阀门17，并打开m管线上的阀门20、22，打开多相加压泵19对气体进行加压后通过管线m、g再次注入井内参与重复循环。也可以打开阀门23，通采用气体注入装置8通过管线n补充注入气量。管线m、n上均安装单向阀24、21。

经三级分离系统分离后的钻井液可通过离心砂泵36经管线u、e直接排入固控系统10进行下一步处理，再通过上水罐11与泥浆泵12经管线f再次泵入井内进行循环。在各级分离系统的排气口均设置有有害气体监测仪器，同时在第三级分离系统的排液口亦设置有气体监测仪器，当监测到仍有未分离的气体存在时，可采用三级处理措施进行分级处理或者是以结合的方式进行处理。

一级措施是打开加药装置9及其注入泵37，打开阀门33经管线9c向第三级分离系统5的进液管线d中注入除硫剂等相关处理药剂，向管线中直接注入药剂的优点是可以更好的混合药剂与钻井液并发生反应。若气体仍未完全处理，再打开阀门27经管线9b向第二级分离系统4的进液管线c注入药剂。依次类推，如需加量处理时，打开阀门26经管线9a向初级分离器3的进液管汇b注入药剂。需要注意的是药剂加注泵37的注入压力应高于管线b中的流体压力。各注入管线上均设置有单向阀25、28、32。

由于药剂过多量的添加将对钻井液材料的性能造成一定影响。可采取第二级措施，即首先打开阀门35，联通第三级分离系统5排液管线u上分支管路通道o，将未分离干净的钻井液再次回注至第三级分离系统5中进行再次循环分离；若仍未分离干净，再打开阀门31，联通第二级分离系统4排液管路d分支通道p，将经第二级分离系统4分离后的钻井液回注到该系统中重新进行循环分离。旁通回流管线o、p上分别设置有单向阀29、34，防止回流。

如果地层返出的气体量过大，所有分离设备均不能够完全处理，又不能停止钻井液的循环，可采取第三级措施，即打开阀门40、44，关闭阀门35、41、42、43。将地面三级分离系统处理后的仍含有气体的钻井液直接经管线v、q、f通过泥浆泵12注入井内进行循环处理，由此完成气体处理的三级防控措施。

在起下钻过程中，需要卸掉立管压力才能进行接单根等操作，在本发明的钻井液密闭循环处理系统中，可以打开阀门38、47，可将立管压力经管线r、t泄至第三级分离系统5中。如果立管与分离系统压差过大，也可打开阀门45，经管线r、s直接泄入第二级分离系统4中。管线s、t上均设置有单向阀46、48。

实施例5

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图3，本实施例公开了：

在本实施例中，在第三级处理系统中，经二级分离器处理后的钻井液进入第三级分离系统中的分离罐100中，经过离心分离，离心分离后的气体由分离罐上部分离，分离后的钻井液落入分离罐内；通过钻井液加热系统200对钻井液进行增温调节；并对分离罐内的钻井液底部流体进行搅拌扰流；将分离罐内的钻井液出口处的钻井液抽送至钻井液液面处喷射；在分离罐内设置真空系统300，通过真空系统将分离罐内抽至负压状态；真空系统将分离罐中的气体抽至气体处理装置中。

在本发明中，所有阀门、仪器、泵以及设备等均可以采用集中控制或其他已知方式进行控制。本发明省略了返出钻井液中其他如岩屑、油等相态物质的处理流程，但其气相处理流程均包含在本发明的保护范围。如果在较低压力的地层进行钻井，本发明可以简化为二级分离的方法，其流程示意图如图2所示。也可以采用本发明中提到的各级方法的组合进行处理，以上方法均包含在本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不限制本发明，凡在本发明的基本原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。