氣體鉆井節(jié)能減排裝置的研制及應(yīng)用

田玉棟（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院）

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氣體鉆井節(jié)能減排裝置的研制及應(yīng)用

田玉棟（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院）

摘要：針對(duì)氣體鉆井常用降塵裝置為單筒式降塵短節(jié)起不到很好的降塵和節(jié)能減排的效果，研發(fā)了氣體鉆井節(jié)能減排裝置，即在氣體鉆井排砂管線上安裝內(nèi)外雙筒式降塵短節(jié)進(jìn)行降塵。其節(jié)能減排降塵原理是：通過注水泵向降塵短節(jié)外筒內(nèi)注水，水流進(jìn)入內(nèi)外筒腔體，被內(nèi)筒管壁上若干出水口分割成具有一定速度的小水流，與含屑?xì)怏w進(jìn)行充分接觸，起到良好的降塵效果。研究分析表明，該工具具有水流速度快、與巖屑接觸面積大、降塵效果好等特點(diǎn)，能夠滿足氣體鉆井節(jié)能減排和綠化施工要求。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用7口井，表明該裝置具有強(qiáng)制除塵和快速拆裝等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，除塵效果可達(dá)95%，節(jié)約用水700 m3，有效地解決了氣體鉆井對(duì)空氣、土地和環(huán)境造成污染的難題，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

關(guān)鍵詞：氣體鉆井；節(jié)能減排；新型降塵短節(jié)

目前，氣體鉆井常用降塵裝置為單筒式降塵短節(jié)，缺點(diǎn)是水流速度慢，水流與含屑?xì)怏w接觸時(shí)間短、接觸面積小，起不到很好的降塵和節(jié)能減排效果，需要搭建防塵棚，給氣體鉆井增加了額外的投入及工作量。鑒于此，研發(fā)了內(nèi)外雙筒式降塵短節(jié)，依靠此裝置可以達(dá)到良好降塵的目的，并省去不必要的投入及額外工作量，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

1　防塵機(jī)理分析及其結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過對(duì)氣體鉆井降塵機(jī)理分析屬于管道內(nèi)降塵。管道內(nèi)降塵屬于有限空間降塵，不用考慮粉塵的形態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡、飛揚(yáng)程度等，只要在粉塵離開該有限空間之前使其降落即可[1-3]。氣體鉆井降塵要通過潤(rùn)濕機(jī)理來迫使粉塵降落，即在排砂管內(nèi)粉塵必須與水充分接觸打濕。

氣體鉆井原有的降塵裝置為現(xiàn)場(chǎng)焊接型，即在排砂管線上選擇1個(gè)部位采用電氣焊切割1個(gè)直徑約50.8 mm的孔洞（圖1），然后焊接1個(gè)球閥，通過潛水泵和管線使水經(jīng)球閥進(jìn)入排砂管線內(nèi)；當(dāng)管線內(nèi)有粉塵經(jīng)過的時(shí)候就會(huì)與水接觸，起到降塵效果。但是，原有的降塵裝置結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)單，在排砂管線內(nèi)降塵面過短，粉塵不能與水充分接觸，所以，在出口排放時(shí)仍會(huì)有粉塵飄散到空氣中，對(duì)鉆井現(xiàn)場(chǎng)造成粉塵污染。因此，需要對(duì)降塵短節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種具有水流速度快、與巖屑接觸面積大等優(yōu)點(diǎn)的新型氣體鉆井節(jié)能減排降塵短節(jié)。新設(shè)計(jì)的短節(jié)由內(nèi)外筒組成，內(nèi)筒上設(shè)有若干排水小孔，外筒上有2個(gè)注水口，外筒2側(cè)與內(nèi)筒之間采用焊接密封，內(nèi)筒2側(cè)設(shè)有法蘭，直接與排砂管相連。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　中原現(xiàn)場(chǎng)降塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　新型節(jié)能降塵短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

2　降塵短節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)

氣體鉆井降塵的關(guān)鍵是讓粉塵與水充分接觸，因此，新型節(jié)能減排降塵短節(jié)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是內(nèi)筒小孔射出水的速度、小孔的大小、內(nèi)筒上小孔的個(gè)數(shù)及排布等技術(shù)參數(shù)。

2.1內(nèi)筒小孔射水速度

在氣體鉆井中，從降塵短節(jié)小孔射出水的速度應(yīng)該滿足，氣體把水滴帶出排砂管之前水滴必須垂直運(yùn)動(dòng)排砂管直徑的距離（圖3），即

圖3　水射流運(yùn)動(dòng)分析

其中

式中：v1為含屑?xì)怏w在排砂管線內(nèi)流速，m/s；v2為水流在內(nèi)筒出水口處流速，m/s；t為水流從內(nèi)筒出水口運(yùn)動(dòng)到相對(duì)1側(cè)所需時(shí)間，s；L為出水口到排砂管線末端距離，m；D為排砂管線內(nèi)徑，mm；Q為排砂管線內(nèi)氣量，m3/min。

根據(jù)氣體鉆井實(shí)際情況代入數(shù)據(jù)得v2≥1.65 m/ s，為了使小孔射出的水流沖擊內(nèi)筒壁后進(jìn)行2次降塵，取v2=4 m/s。

2.2內(nèi)筒水孔直徑

內(nèi)筒水孔直徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（3）進(jìn)行確定：

式中：d0為霧滴直徑，μm；K為比例系數(shù)，取3453；P為水壓，kg/cm2；D為小孔直徑，mm。

2.2.1霧滴直徑d0

根據(jù)降塵機(jī)理得出粉塵直徑和霧粒直徑之間最佳的對(duì)應(yīng)關(guān)系[2-4]，即

其中

式中：d1為現(xiàn)場(chǎng)占比例最大的粉塵直徑，mm；ρ為粉塵密度，kg/m3；v為排砂管線內(nèi)氣流速度，m/s；η為空氣黏度系數(shù)；μ為水的黏度系數(shù)；ρg為氣體密度，kg/m3；ρs為巖屑密度，kg/m3；Rp為機(jī)械鉆速，m/h；A為井筒橫截面積，m2；A1為排砂管線橫截面積，m2；Q為注氣量，m3/min。

根據(jù)氣體鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，代入數(shù)據(jù)得d0= 170 μm。

2.2.2水壓P

潛水泵的水壓主要來自于整個(gè)流動(dòng)過程中的水頭損失，假設(shè)排砂管內(nèi)壓力為0.2 MPa，則需要的水頭損失H為20 m；沿程損失為h1，入口變徑損失為h2，噴水小孔變徑損失為h3，泵距降塵短節(jié)的垂直高度h4為5 m，得

根據(jù)氣體鉆井實(shí)際情況，代入數(shù)據(jù)得P =0.27 MPa。

把計(jì)算出的d0、P和K值代入公式（3）中，得D =4 mm。

2.3布孔方式及小孔個(gè)數(shù)

為了減少水流在降塵短節(jié)中的能量損失，確保每一個(gè)小孔都有足夠的射流能量，小孔的當(dāng)量截面積應(yīng)該小于注水口的截面積，即

式中：A2為注水口截面積，m2；n為小孔個(gè)數(shù)。

根據(jù)實(shí)際情況，代入數(shù)據(jù)得n≤90，取n =81。

在內(nèi)筒上每隔10 cm在圓周上開4個(gè)小孔，前1個(gè)圓周上的孔和下1個(gè)圓周上的孔相位相差10°，這樣布孔的好處是：內(nèi)筒壁上的81個(gè)小孔都是錯(cuò)位排布，水流沒有重疊的，確保了每個(gè)相位都有水流射出，能提高降塵效率。

2.4潛水泵的選取

根據(jù)小孔個(gè)數(shù)和射流速度計(jì)算潛水泵的流量Q1，即Q1= 81vπD2/4 =14.6 m3/h。

根據(jù)整個(gè)降塵過程中水頭損失來確定潛水泵所需的工作揚(yáng)程H0。從上述計(jì)算水壓的過程可以得出，整個(gè)降塵過程中所需的水頭損失為27 m；所以，降塵所需潛水泵必須滿足揚(yáng)程在27 m時(shí)泵的流量要達(dá)到14.6 m3/h。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2011—2014年，大慶油田肇深17、古深3、徐深904等7口氣體鉆井中均應(yīng)用了該節(jié)能減排裝置[5]，平均每口井使用時(shí)間12 d，每口井節(jié)約用水100 m3，共節(jié)約用水700 m3。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：該裝置是一種新型的具有強(qiáng)制除塵和快速拆裝的氣體鉆井用除塵裝置，能對(duì)排砂管內(nèi)粉塵進(jìn)行有效降塵，出口返出基本無粉塵顆粒（圖4），除塵效果可達(dá)95%，有效地解決了由于氣體鉆井排量大導(dǎo)致灰塵飛揚(yáng)、對(duì)土地和環(huán)境造成污染的問題，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

圖4　氣體鉆井節(jié)能減排降塵裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

4　結(jié)論

1）設(shè)計(jì)的內(nèi)外筒組合式降塵短節(jié)原理可行，具有水流速度快、與巖屑接觸面積大、降塵效果好等特點(diǎn)，能夠滿足氣體鉆井節(jié)能減排和環(huán)保施工要求。

2）通過使用降塵短節(jié)，可以省去搭建防塵棚費(fèi)用及額外勞動(dòng)量，減少鉆井成本投入及提高鉆井效率。

3）通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：新型降塵短節(jié)具有強(qiáng)制除塵和快速拆裝等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，節(jié)約用水700 m3，除塵效果可達(dá)95%，有效地解決了氣體鉆井對(duì)空氣、土地和環(huán)境造成污染的難題，達(dá)到了節(jié)能減排效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李高峰，馬勝利，劉亞力.高效噴霧降塵的理論研究[J].礦山機(jī)械，2009，37（19）：26-29.

[2]吳瓊，題正義.綜采工作面噴霧降塵技術(shù)研究[J].礦山工程，2007（15）：47-48.

[3]李新，王磊，馮秀麗.一種新型連續(xù)降塵裝置的研究與應(yīng)用[J].科技信息，2008（23）：721.

[4]紀(jì)傳東，李文才.氣化噴霧降塵器的應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理，2008（23）：92，116.

[5]楊決算.大慶油田氣體鉆井配套技術(shù)及應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40（6）：47-50.

（編輯李發(fā)榮）

收稿日期2015-12-18

作者簡(jiǎn)介：田玉棟，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）（石油工程專業(yè)），從事氣體鉆井、欠平衡鉆井、控壓鉆井技術(shù)研究工作，E-mail：tianyudong@cnpc.com.cn，地址：黑龍江省大慶市紅崗區(qū)八百坰鉆井研究院欠平衡所，163413。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.008