[科普中国]-气体循环

全球的物质循环可分为3种类型：水循环、气体循环、沉积型循环。凡属于气体型的物质及其分子或某些化合物必以气体形式参与循环过程。

工业的气体循环气液分散与反应问题在化工和医药中是经常遇到的，例如硝基芳烃、脂肪腈、烯烃和炔烃的液相催化加氢反应、烷基化反应、羰基化反应、氧化反应等。其共同特点是反应速率受气/液传质的控制，而气/液传质涉及到气体分散、气体循环、以及固体催化剂悬浮等过程，问题变得比较复杂。
由于气液的不相容性，且密度差别非常大，气液反应器中未反应的气体聚积在反应器内的上部空间，严重影响反应速率和效率。同时，固体催化剂悬浮的不均匀也约束了反应的速率。为提高反应速率，工业上一般采用气体外循环、液体外循环和气体内循环三种方式。
1、气体外循环是将反应气体从气相空间引出，气体通过压缩机增压后再从反应器底部通入，在搅拌器的配合下，可得到较大的持气量和相接触面积，从而提高反应速率，其优点是可得到任意的气体循环量，缺点是需要大量的氢气循环设备，增加了装置的复杂性和资金投入；
2、液体外循环是用离心泵将反应液体从反应器底部抽出，通过文丘里管抽吸反应器气相空间内的反应气体，在一文丘里管内充分混合与分散，可得到十分细小的气泡，大幅度提高气液相接触面积和反应速率。液体外循环式的优点是反应速率快，可连续生产，传热方便等，缺点是能耗大，对循环泵的要求十分苛刻；
3、气液内循环反应器即自吸式气液反应器，它是原正公司开发的气/液反应装置的核心技术之一，是一种不用额外的气体输送机械而能自行吸入反应器上部空间气体进行气液接触的反应装置，通过特殊设计的空心涡轮搅拌器在料液混合的同时不断吸入液面上的反应气体，达到气液循环与分散目的，同时，组合使用的高效轴流桨能将气体与固体催化剂均匀地弥散在反应器内，达到快速反应的目的。1

气体循环钻井工艺随着我国采矿技术的不断进步，我国各地正在逐渐采用气体钻井技术，目前普遍使用的是包括空气、氮气、天然气的携岩介质，而这三种中医空气因其所花成本较低被使用的较多，但是这一应用也有着巨大的安全隐患，因为在储层的钻进中空气与天然气接触混合易产生爆炸事故。所以在保障安全的前提下，使用氮气、天然气是最为适宜的，而这两种气体的使用却又会造成能源的巨大消耗、环境污染等，而直接的排放方式又加剧了这种损耗。

气体循环钻井工艺的思路和流程气体循环钻井工艺的思路是将排出井的固体、液体和气体混合物实现科学析出分离，将液体和固体岩屑物质排出，再将气体进行系统的分离、过滤和净化后进行进一步的处理和循环利用。对于采用天然气钻井的，则可以将分离净化后的气体直接注入气源装置用于气体钻井利用。在流程上，气体循环钻井根据所使用的气体而不同，主要以氮气钻井为例进行工艺流程的介绍。首先使用小容量的制氮设备制造所需氮气，通过压缩机、增压机注入井中，根据系统设定的循环利用参数值，进行钻采，钻进后的氮气循环利用，可以降低制氮设备的压力，制氮设备可以用于补气来配合钻进加深和气体损失所需氮气。

在氮气循环钻井工艺系统中所需的设备主要有容量相对较小的制氮设备、分离设备、过滤设备、排料系统，这些装置应用的技术在我国已经很成熟，实践应用的稳定性和可靠性也十分良好。在这些设备中分离和过滤的装置主要是利用的物理结构，在运行上本身几乎不需要动力驱动，所以能够大幅的降低能耗，对生产成本降低和环境保护具有重要意义。

气体循环钻井工艺系统的具体步骤1、制氮

制氮是在气体钻井开始前需要提前准备的，准备充足的氮气后再通过压缩机、增压机开始注入井内，注入的氮气达到钻井所需的压力、气量的条件下，就可以进行钻进了。实践中，由于工期和时间的要求，可以在制氮完成后，继续制氮，并通过压缩机和增压机将其注入储罐内，从而在面临钻井所需时，即时注入井内，而无需等待制氮设备制氮。

2、空气排气

在有的钻井中采用的是钻井液钻井和气体钻井结合的方法，对于上部分钻井液钻井是可以直接采用空气气举排浆和干燥井眼的方法进行排气的，这样可以省却制氮所花费用。空气排气后再开始氮气钻井前，还需要先使用氮气将井内的和管线中的空气顶替排出，以免发生不必要的事故。

3、补气

气体循环钻井开始以后，对于井口排出的混合物，经过有序的分离、过滤和净化后，有用的气体直接接入压缩机、增压机，被重新注入井内。钻井中产生损耗或者深度增加，需要补充氮气时，可以通过氮气储罐内的氮气进行补气，确保钻井的顺利进行。

4、接单根作业

接单根作业中会产生一定的气量损耗，如何控制这种损耗，需要在设计中在钻柱之上每隔一段距离接装一个单向阀，以此来控制钻柱内的氮气损耗。对于换空中的气量损耗可以使用旋转防喷器来控制，实践中可以直接关闭旋转防喷器，也可以调节其静压值来完成控制气量损耗的目的。但是上述方法存在一定的不安全性，所以为了安全起见，可以采取旁通管线的做法，在注气管线与排砂管线之间接一条旁通管线，这样能够有效减少开关防喷器的次数，确保安全。

5、应急预案

在气体循环钻井中如果遇有井壁不稳或者地层出现渗水等问题，在处理时可能需要增加气量，此时可以使用储存与氮气储罐内的氮气，也可以开启制氮设备开始制氮，或者可以同时运用，以迅速的保证充足的氮气，这样在循环工艺系统下就几乎不会出现气量不足的问题。从上述步骤过程介绍来看，虽然气体循环钻井工艺系统较之常规的钻井技术更为复杂，需要使用的设备、处理的环节等对较多，但是这样一套系统可以通过完整成熟的自动系统来实现，其效率就显著得多，为了确保可靠，也可以采用人工控制和自动控制相结合的方式，共同完成气体循环钻井。

气体循环钻井工艺的优化和控制一套气体循环钻井工艺系统是否能够顺利的进行钻井开采，关键在于其方案设计的优化和科学稳定的系统控制。在实践中钻井可能会遇到各种不确定因素影响，所以实施的技术方案必须经过不断的完善优化，尽可能考虑到多的情况，确保各个环节都能够面临复杂的施工环境和条件。而科学稳定的系统则是气体循环钻井顺利进行的有效保障，系统需要对涉及的气量补充、阀门开关、储罐、制氮等各个环节进行有效的管理和协调，所以控制系统的科学有效与否对气体循环钻井意义重大，上文提到最安全有效的方式就是采用入工控制和自动化控制两种方式结合的模式。1

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学