气体欠平衡钻井是一项先进的钻井工艺新技术,具有减轻地层伤害,提高油井产能,提高钻井速度和缩短钻井周期等优点。现行的气体欠平衡钻井携岩气体从井口直接排放,既污染环境又浪费了能源。若将井口返出的高成本携岩气体(氮气或者天然气)净化回收循环利用,则不但可以减小环境污染,还可以降低钻井成本,无疑将具有更广阔的应用前景。研究开发一套适合气体钻井现场应用的携岩气体井口分离设备是实现气体循环钻井工艺的前提和关键。　　 论文根据对气体钻井现场操作工况的调研,研究提出了两级旋风分离器串联过滤器的携岩气体井口分离净化方案。并先后研制了立式分离和卧式分离撬装式系统。初步试验显示,两套分离系统都具有较高的分离效率,且能够连续自动将分离下来的钻屑排出系统,可以实现分离系统长时间连续运行;并具有很好的机动性和灵活性,可适应钻井的流动作业。还在气体钻井现场进行了国内首次携岩气体分离净化试验,试验取得了满意的分离效果,证明了本论文设计的分离方案可行。　　 为进一步提高井口携岩气体旋风分离器的性能,完善旋风分离器设计,论文进而结合气体钻井携岩量大、钻屑粒度分布范围宽等工况特点,分析研究了旋风分离器排料返混夹带问题和抑制返混夹带的技术措施。论文对旋风分离器内气相流场进行了数值模拟,并对旋风分离器灰斗中的颗粒进行了受力分析,结果表明,在灰斗中,颗粒的返混主要发生在上下行流交界面和灰斗底部颗粒层表面,返混的方式与颗粒质量浓度、颗粒粒径以及气相流场有关。上下行流交界面处,颗粒受到气流的径向曳力、湍流扩散等影响而发生返混:灰斗底部如果存在颗粒聚积,造成此处颗粒返混的因素除了气流湍流扩散以外,还有边界层颗粒受到的Saffman升力。灰斗中,沿着径向向内,颗粒分离临界粒径逐渐增加。颗粒返混进入到上行流区域以后,小于临界分离粒径的颗粒会在向心曳力的作用下向灰斗中心区移动,然后随着上行气流离开灰斗。　　 从灰斗流场和颗粒运动分析的结果可以得出,要想减少被带出灰斗的颗粒数量,主要应该从改变灰斗的流场入手,取消中心上行排气的方式。通过安装防返混锥可以将灰斗改为周边上行排气方式,这样就可以消除中心区高浓度低分离效率的缺点;同时使颗粒在上行过程中增大离心力,使其进一步分离,减小分离临界粒径,从而达到减小颗粒向旋风分离器分离空间的返混的目的。论文进一步利用数值模拟和试验的方法,考察了防返混锥的结构参数对旋风分离器流场和性能的影响。结果表明,防返混锥的周向环隙面积是对旋风分离器的流场、分离效率和压降影响最大的结构参数;防返混锥的底面直径对筒体段和锥体段的气相流场影响很小,主要改变了灰斗中的气相流场;防返混锥的高度对全流场和分离性能的影响都很小。可以通过优化设计防返混锥的结构参数来改变灰斗中气相流场,减小灰斗中颗粒的返混夹带,从而提高旋风分离器的分离性能。同时还试验考察了操作条件对安装防返混锥旋风分离器性能的影响。在颗粒粒径较小、入口质量浓度和入口气速较大的情况下,防返混锥对提高分离效率的作用更明显。旋风分离器抗灰斗返混夹带结构的研究及其性能试验,为抑制旋风分离器灰斗返混设计提供理论与试验基础。　　 根据防返混锥对旋风分离器气相流场以及灰斗颗粒返混与夹带的影响规律,提出了防返混锥的设计方法,并进行了实例设计和性能试验。结果显示,本论文设计的防返混锥能够有效地抑制灰斗排尘返混,提高旋风分离器的分离效率,对工程设计有指导意义。