天然气循环钻井计算机控制系统研究

天然气循环钻井是在天然气钻井工艺的基础上产生的一种新型的钻井工艺。其关键技术是利用气体分离与过滤装置对天然气进行气固分离和过滤,以实现天然气的循环使用。针对天然气循环钻井的工艺特点,从工艺流程、总体控制方案设计、排料罐液位控制、压缩机入口气量控制、逻辑控制、安全联锁保护等几个方面,对天然气循环钻井计算机控制系统进行了研究。地面工程试验结果表明,该控制系统可以满足天然气循环钻井的自动控制要求,为进一步的钻井现场试验奠定了基础。     

气体循环钻井井筒气量控制技术

通过对井筒气量控制的研究,可以提高循环钻进效率,并能有效降低设备压力控制的难度,为循环钻井施工提供合理的气量补充和排放方案,并为节点压力控制提供指导。依据封闭气体循环钻井工艺特点,开展针对循环钻井在不同注入条件下井筒压力的研究,利用压力分布研究成果,依据气体PVT理论,建立了井筒内部?环总气量计算模型,研究了在动态条件下井筒内气体质量分布。在此基础上,结合封闭气体循环地面设备控制要求,确定了井筒气量控制的合理区域。研究结果表明,随着井深的增加,单位进尺气量补充量增加,同时合理气量窗口逐渐变宽,如果井筒气量不足,井口将出现负压。     

气体循环钻井工艺系统研究

目前气体钻井均采用出井气体直接排放的方式。如果能将气体回收,象普通钻井液一样循环使用,则可以大大减少能源消耗,降低钻井成本：同时,如果地层出气量较大,还可以进行天然气的分离与回收利用,使气体钻井的综合效益明显提高。文章针对我国目前氮气和天然气钻井中普遍存在的气体不能循环使用、导致成本过高的问题,首次完整提出了气体循环钻井系统的观点,填补了国内外空白。系统设计了气体循环钻井的工艺技术方案和工艺流程。初步现场试验结果表明,该技术简单易行,稳定可靠,应用前景广阔。对进一步降低我国气体钻井成本,加快推广气体钻井技术具有重要价值。     

天然气钻井气体回收装置设计探讨

针对天然气钻井没有气体回收设备,采用放空燃烧产生巨大浪费的现象,在调研的基础上确定了天然气钻井气体回收的工艺流程,在理论上建立了回收效率的计算模型,且进行了分离效率的推算。根据国内油田天然气钻井的现状,开发了一种高效、实用的天然气钻井气体回收装置,该装置由旋流分离器、过滤器、沉砂罐、控制阀组等部分组成,其处理量达120m3/min。     

气体循环钻井室内相似模拟方法研究

气体循环钻井是一种新的工艺方式,与常规气体钻井存在不同之处。当气体钻井转变为气体循环钻井时,井内的压力、流速会发生变化,进而对携岩产生影响。因此,针对气体循环钻井的室内相似模拟的研究具有重要的工程意义。在相似理论的基础上,以管流内压力的变化规律为研究对象,对气体循环钻井室内模拟方法进行了研究。研究的3种模拟方法分别为动力相似模拟、雷诺数相似模拟、欧拉相似模拟。其中,动力相似模拟适用于对关键点的模拟,雷诺数相似模拟适用于对整体过程的模拟,欧拉数相似模拟适用于对部分井段的模拟。通过不同模拟条件下的模拟数据对比,验证了3种模拟方法的可行性,为气体循环钻井室内相似模拟奠定了理论基础。     

天然气钻井气体回收设备的研制

天然气钻井过程中,井筒返回至地面的携岩天然气直接放燃,这样既浪费能源又污染环境。为了回收井筒返回至地面的携岩天然气,研究了天然气回收工艺,设计了由一级分离器、二级分离器、缓冲罐和过滤器组成的回收设备。一级分离器起预分离的作用,具有分离效率高、防粘壁、防返混的特点;二级分离器利用导叶式旋分管做分离元件。两级分离器能够除净气体中粒径大于7μm的钻屑颗粒。一级和二级分离器均采用液体输送方式进行连续排料。过滤器选用了外层玻璃纤维滤芯加内层金属纤维滤芯的双层复合滤芯,过滤分离效率可达99.8%以上,能够除净气体中粒径大于5μm的钻屑颗粒,可以保证过滤后的气体达到压缩机的进气要求。该回收设备不仅适用于天然气钻井中的携岩天然气回收,同时适用于其他气体钻井过程中携岩气体的净化和回收。     

应用超临界CO2进行气体循环钻井的技术构想

超临界CO2流体既有液体的高密度又有气体的低黏度和高扩散系数等特点,采用超临界CO2作为钻井液相对普通钻井液具有很大的优势。采用超临界CO2作为钻井液能够有效提高射流破岩效率,提高钻速,并且能够有效保护油气藏,减少井下事故。气体循环利用钻井技术是利用地面气体回收处理设备将从井口中返出的携岩气体进行分离和精细过滤,然后经过压缩增压循环注入井下,大大降低了钻井成本。介绍了超临界CO2的性质以及超临界CO2在钻井过程中的优势,气体循环利用钻井工艺系统的原理及流程,提出了将超临界CO2钻井与循环钻井技术相联合的技术构想。     

气体循环钻井井口气量控制技术

以气体瞬变流理论为基础 , 结合地层渗流相关理论和气体循环钻井工艺原理建立了一套气体循环钻井井口气量控制的理论模型。模型根据气体在流动过程中应遵从的基本规律 ,描述了地层渗流和井口流体的各种运动特性以及动态压力平衡关系 ,详述了气体循环钻井钻遇气层时井口气量的控制方法。通过 Mac Cormack方法求解理论模型 , 利用数值模拟方法对气体循环钻井钻遇气层过程进行了系统的模拟计算和分析,研究结果对气体循环钻井钻遇气层进行动态过程的描述对指导现场施工具有现实意义。     

气体钻井井眼循环温度预测模型

气体钻井过程中井筒循环气体与地层之间持续不断地发生着热量传递,井筒温度随钻进时间和钻井参数的变化而改变,井眼循环温度是气体钻井工艺设计的基础。通过深入研究井筒流动和热量传递规律,建立井筒温度预测数学模型,并对模型进行数值求解。实例计算表明：钻杆和环空内的温度均呈非线性分布,钻杆内温度低于环空内温度,环空温度随着注气量的增大而降低。     

气体连续循环钻井在苏里格地区的应用

气体钻井有提高机械钻速、避免井漏等诸多优点,但在地层出水时接单根／立柱导致井内积水严重,
浸泡井壁和注气压力增加、井底压力波动,而引起井下事故复杂的发生。针对苏里格地区水层多、水量大特点,开
展了气体连续循环钻井作业,得到了接立柱过程中立管压力变化曲线,即马－魏曲线,该曲线证实了气体连续循环
钻井技术的有效性和实用性,实现了在不停注气情况下接立柱过程中维持恒定的钻井循环排量和当量循环密度,
同时持续携带地层水、防止因地层水聚集引起过高的立管压力,确保气体钻井安全。     

天然气管道放空系统失效的故障树分析

天然气在管道输送过程中往往存在超压问题,容易造成管道破裂,导致天然气泄漏、爆炸等事件,因此需要在天然气管道上设置放空系统。本文对引起天然气管道放空失效的各个因素进行系统分析,建立以天然气管道放空失效为顶事件的天然气管道放空失效故障树。通过利用故障树方法进行分析,计算基础事件导致管道放空失效的概率,寻找影响放空失效的根本原因,并提出了有效措施提高放空系统的可靠性。     

海洋天然气水合物藏钻探环空相态特性

海洋天然气水合物藏钻探过程中,水合物钻屑随钻井液向上返出,随着温度升高、压力降低,水合物钻屑上升至一定位置开始分解,使井筒流动变为环空复杂气液固多相流,这对井下流动安全产生严重威胁。考虑井筒温度、压力与水合物分解的耦合作用与影响,建立了海洋天然气水合物钻井过程中井筒温度模型、井筒压力模型、水合物动态传质分解模型和复杂环空多相流模型。通过模型求解,数值分析了井筒温度、环空压力和水合物分解在不同钻井工况下的变化规律。结果表明:增大钻井液排量,井筒中井底处循环钻井液温度升高,环空中井口处返出钻井液温度降低,分解起始位置下移;增大钻井液密度,环空压力升高,分解起始位置上移;增大钻井液入口温度,井筒温度升高,分解起始位置下移;增大机械钻速,分解起始位置不变。     

气体钻井井筒冲蚀作用定量分析及控制方法

定量分析了气体钻井中气-固两相流对井筒的冲蚀作用。结果表明,冲蚀作用最大的点在井底,这有助于破岩;井口段套管和钻杆的冲蚀作用次之,这是有害的。提出了在环空井口加载回压来控制气体钻井过程中气固两相流对井筒冲蚀的方法,确定了加载合理回压值的准则,即:确保环空内流速介于最小携岩速度和冲蚀临界速度之间。     

天然气钻井人因失误事故风险定量评价方法

天然气钻井行业的事故率一直较高且人因失误占较高比例,目前尚无针对钻井施工过程人因失误事故风险的定量评价方法。为此,提出了应用德尔菲专家判断法定量评价钻井施工人因事故风险的方法,通过专家评分获得了与11类钻井作业活动相关的10种风险类别的可能性和严重度数据,计算了不同作业活动的风险水平。研究数据显示,钻井施工人因失误事故风险最高的风险类型是物体打击;人因失误事故风险最高的作业活动是钻进作业。研究结果可应用于跟踪钻井过程异常高风险时段,以便有针对性地采取风险消减措施,合理地部署现场安全工作,避免高风险的累加效应。该方法在5支钻井队应用后取得了较好的效果,可报告事故率由7.54%下降到5.24%。     

基于GO法的输气站场可靠性分析

为有效提高天然气站场可靠性水平,识别系统的薄弱环节,基于GO法原理建立了输气站场可靠性分析方法。根据输气站场的基本工艺流程,将其划分为清管器接收子系统、过滤分离子系统、增压子系统、调压计量子系统、放空子系统、排污子系统和清管器发送子系统7个区块。根据子系统的工艺流程建立了GO图模型,通过GO法计算公式进行可靠性定量分析并确定组成部件的故障重要度,通过实际案例,将GO法与故障树分析法的计算结果进行对比。结果表明:相对于故障树分析法,GO法能够充分表征输气站场中存在的关于停工、维修和备用等故障的复杂相关性,建模过程简单、逻辑清晰,且分析结果更加符合工程实际;分析案例中增压子系统的平均失效概率为2.2180×10^-5,其中的空冷器、汇管以及埋地工艺管道的故障重要度较高,应作为站场安全管理的重点关注对象。     

天然气循环经济评价模型设计

基于生态文明下的天然气循环经济评价是量化研究天然气产业发展合理性的主要途径,其评价模型对于指导天然气产业发展符合环境友好型要求具有重要意义。由于天然气循环经济在内涵和外延上具有模糊性,因此可采用模糊多目标决策方法对其进行评价。通过构建因素集、评价集、权重集、隶属函数和三级模糊多目标决策过程,设计了基于生态文明下衡量天然气循环经济发展的评价模型。该模型可较准确地诊断在天然气循环经济发展过程中,各级指标的相对重要性及其发展状况;通过该模型各级评价结果,可分别了解在效应层面、经济外在性层面天然气循环经济的发展状况以及生态文明条件下天然气循环经济的综合发展效果。     

大型天然气管网系统可靠性

随着中国国民经济的快速发展,天然气需求量不断扩大。天然气管网作为连接资源与市场的纽带,已成为保障国民经济的生命线。中国拥有世界上最复杂、输送任务最艰巨的天然气管网系统。现有基于单一或少数管道的运行管理方法已不能满足大型管网系统安全生产需要,必须寻求更为科学合理的管理思路。本文首次提出大型天然气管网系统可靠性概念,分析了大型天然气管网系统可靠性面临的3个挑战：量化大系统可靠性、评价分系统（单元）可靠性、建立大系统与分系统之间的关联。同时,对大型天然气管网系统可靠性框架进行了初步设计,并针对中国天然气管道行业现状,提出大型天然气管网可靠性增强方案。     

天然气管线放空过程的动态模拟与分析

针对某LNG接收站天然气外输管线系统,应用HYSYS Dynamic流程模拟软件,建立了天然气管线放空系统的动态模型,通过模型计算得出紧急泄压所需孔板的喉径面积,并基于此模型研究了放空过程中系统压力、温度、流量等参数随时间的动态响应过程。结果表明,建立的动态模型可仿真模拟天然气管线的实际放空过程,较为准确地离线计算出天然气管线放空过程介质的最低温度和最大流量等参数,指导工程设计中放空系统孔板喉径面积和管线材质的选取。