鉆井液固控系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)*

董懷榮，李宗清，李 琴，郭 振，付光萌，陳志禮

（中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

鉆井液固控系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)*

董懷榮*，李宗清，李 琴，郭 振，付光萌，陳志禮

（中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

隨著石油鉆井工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)鉆井液固控系統(tǒng)提出了更高要求。探討了該系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀、存在問題，介紹了2種新型固控設(shè)備，提出了固控系統(tǒng)研發(fā)方向。目前，簡化現(xiàn)有固控系統(tǒng)的主要方法是以直線振動(dòng)篩和變頻調(diào)速離心機(jī)組成兩級(jí)固控系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單、處理量大、能耗低、系統(tǒng)可靠性高、易損件壽命長、鉆井液凈化效果好，滿足新型鉆井工藝技術(shù)發(fā)展的需要。

鉆井液；直線振動(dòng)篩；變頻調(diào)速離心機(jī)；固控系統(tǒng)；發(fā)展趨勢(shì)

隨著石油勘探開發(fā)工作的發(fā)展，鉆井深度不斷增加，鉆遇地層日益復(fù)雜，特別是近幾年國內(nèi)外新型鉆井技術(shù)的發(fā)展（如深井、超深井、水平井、欠平衡鉆井技術(shù)等），對(duì)鉆井液凈化與固控提出了更嚴(yán)格的要求。目前，我國現(xiàn)有的鉆井液固控系統(tǒng)主要由振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)等組成的三級(jí)或四級(jí)凈化系統(tǒng)，其總重量達(dá)50 t，總電力消耗接近300 kW。隨著鉆井工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)有鉆井液固控系統(tǒng)已經(jīng)不能很好地滿足現(xiàn)代鉆井技術(shù)發(fā)展的需要，也無法滿足競爭日益激烈的國際鉆井市場的需求，研制新的固控設(shè)備、組建新的固控系統(tǒng)十分必要。筆者探討固控設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀及新型固控系統(tǒng)研發(fā)，希望對(duì)國內(nèi)相關(guān)設(shè)備的研發(fā)和創(chuàng)新具有借鑒作用[1]。

1 系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國外

目前，國外固控系統(tǒng)的理論和設(shè)備研究水平較高，有的廠家可以根據(jù)室內(nèi)分析數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果，改變固控流程，指導(dǎo)鉆井液處理，并可以通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)定量控制各種固控設(shè)備。

在固控設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，英國Thomas Broadbent& Son’s Ltd.公司及美國Derrick公司、Brandt公司和SWACO公司是比較有代表性的公司。英國Broadbent公司的鉆井液固控系統(tǒng)是5臺(tái)雙層雙聯(lián)直線振動(dòng)篩（上層為8～80目篩網(wǎng)，下層150目以上篩網(wǎng)目）與1臺(tái)變頻調(diào)速大處理量離心機(jī)（滾筒直徑508mm）組合而成。美國SWACO公司新型鉆井液固控系統(tǒng)包括4臺(tái)振動(dòng)篩、1臺(tái)除氣器、1臺(tái)鉆井液清潔器、2臺(tái)離心機(jī)（1臺(tái)中速離心機(jī)、1臺(tái)高速離心機(jī)等。美國Brandt公司的成套固控系統(tǒng)包括2臺(tái)ATL-CS細(xì)目直線振動(dòng)篩、1臺(tái)ATL-DRYER-16/2干燥機(jī)、1臺(tái)DG10除氣器、2臺(tái)HS-3400型離心機(jī)，可處理加重或非加重鉆井液。Derrick公司推出的固控系統(tǒng)包括鉆井液分配器、4～5臺(tái)超細(xì)目直線振動(dòng)篩、1臺(tái)除氣器、2臺(tái)離心機(jī)。

可以看出，國外固控系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為以振動(dòng)篩為核心的兩級(jí)系統(tǒng)，即多臺(tái)細(xì)目或超細(xì)目直線振動(dòng)篩與中高速大排量離心機(jī)組合而成，且已非常成熟，取代了傳統(tǒng)的耗能高、系統(tǒng)可靠性低、維護(hù)保養(yǎng)工作量大的多級(jí)固控系統(tǒng)。

1.2 國內(nèi)

國內(nèi)固控系統(tǒng)大多是在引進(jìn)國外技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行國產(chǎn)化，使之適合我國鉆井工藝的需要。各油田又根據(jù)地區(qū)性特點(diǎn)推出各具特色的固控系統(tǒng)，我國當(dāng)前主要以NG4型固控系統(tǒng)為主，該系統(tǒng)主要由振動(dòng)篩、除砂器、除泥器和離心機(jī)等組成，可以將鉆井液中的固相含量控制在5%～8%。目前，這種三級(jí)或四級(jí)固控系統(tǒng)普遍存在以下問題。

（1）公稱直徑200～300mm旋流除砂器只能達(dá)到80～120目篩網(wǎng)的篩分效果，公稱直徑120～125mm旋流除泥器也只能達(dá)到100～200目篩網(wǎng)的篩分效果。同時(shí)，由于細(xì)目篩網(wǎng)易破損，大多數(shù)采用低目數(shù)篩網(wǎng)，鉆井液中占固相顆粒80%的細(xì)顆粒不能被高效清除，鉆井液凈化效果大大降低，固相含量高，影響后續(xù)設(shè)備或高端儀器的使用。

（2）砂泵給鉆井液施加的壓力以及旋流器內(nèi)部的摩擦導(dǎo)致巖屑更加細(xì)化，將其清除更加困難。

（3）砂泵能耗高，排量200m3/h的砂泵電機(jī)功率在55～75kW，如果同時(shí)使用除砂器和除泥器，耗能大于100 kW。此外，砂泵軸的密封件易損壞，導(dǎo)致漏失鉆井液，且設(shè)備管理維修不便。

（4）隨著鉆井工藝技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有多級(jí)固控系統(tǒng)不能很好地滿足諸如水平井、欠平衡井、大位移井、深井和超深井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、特殊工藝井等新型鉆井工藝的需要。

（5）固控系統(tǒng)中的易損件壽命較短，頻繁更換，不僅使得鉆井成本增加，而且大大影響鉆井施工的連續(xù)順利進(jìn)行，特別是振動(dòng)篩篩網(wǎng)、旋流器篩網(wǎng)、砂泵軸封等易損件，與國外相比仍有較大差距。

（6）固控設(shè)備加工質(zhì)量差，可靠性不高，固控系統(tǒng)產(chǎn)品沒有形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，科研設(shè)計(jì)能力尤其是理論研究仍落后于國外。

2 新型固控設(shè)備

2.1 ZS6型鉆井液直線振動(dòng)篩

振動(dòng)篩是由井口返出鉆井液的第一級(jí)常規(guī)固控設(shè)備，也是目前唯一能全流量處理、耗能最低的固液分離設(shè)備。目前，大多數(shù)國產(chǎn)振動(dòng)篩的缺點(diǎn)是：振型不合理，影響振動(dòng)篩整機(jī)性能，特別是處理量、篩網(wǎng)壽命和過濾精度，不能滿足新型鉆井工藝技術(shù)的發(fā)展要求；篩網(wǎng)壽命較短，更換不方便，不能滿足連續(xù)鉆進(jìn)的工藝要求；透篩能力不強(qiáng)，易發(fā)生“糊篩”和“跑鉆井液”的現(xiàn)象，且篩網(wǎng)目數(shù)不高，導(dǎo)致許多細(xì)小固相顆粒仍然存在于鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中；振動(dòng)篩隔振裝置采用金屬螺旋彈簧隔振，隔振效果不好，整機(jī)噪音大，工作不平穩(wěn)；調(diào)節(jié)和適應(yīng)性能差，振動(dòng)篩篩箱坡角和激振力不能根據(jù)鉆井工藝的實(shí)際要求進(jìn)行調(diào)節(jié)；開機(jī)、停機(jī)共振時(shí)間較長，對(duì)整機(jī)損害較大，尤其是對(duì)隔振系統(tǒng)易損件的影響較大；在我國出國施工的鉆機(jī)招投標(biāo)時(shí)，國產(chǎn)振動(dòng)篩性能無法得到國外承包商的認(rèn)可，不得已采用進(jìn)口振動(dòng)篩，但其價(jià)格高，配件供應(yīng)不及時(shí)，服務(wù)不到位，甚至影響到國外市場的進(jìn)一步發(fā)展。據(jù)此，利用我國鉆井液振動(dòng)篩理論研究優(yōu)勢(shì)，研制開發(fā)先進(jìn)的國產(chǎn)鉆井液振動(dòng)篩，特別是研制符合現(xiàn)代鉆井工藝、有著較高可靠性和較強(qiáng)處理能力的線性振動(dòng)篩就顯得尤為迫切和重要[2-3]。

目前，某單位研發(fā)的ZS6型鉆井液直線振動(dòng)篩采用雙篩分倉式結(jié)構(gòu)，可以對(duì)鉆井液進(jìn)行兩次凈化與固液分離，上層篩網(wǎng)目數(shù)一般為20～60目，下層篩網(wǎng)根據(jù)井段和固控要求使用60～325目的細(xì)目、超細(xì)目帶框架板式疊層粘接篩網(wǎng)。該振動(dòng)篩的特點(diǎn)是：篩網(wǎng)更換方便，使用壽命較長，篩分效果好，處理量大，可以替代進(jìn)口產(chǎn)品，滿足連續(xù)鉆進(jìn)的工藝要求；篩面角度可調(diào)，調(diào)整范圍5°；帶有鉆井液進(jìn)液緩沖槽和地質(zhì)儀器安裝槽；通過由壬與井口出水管可快速連接；結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，噪音低，整機(jī)振動(dòng)平穩(wěn)；可靠性高，比較適合國內(nèi)石油礦場實(shí)際情況[4-5]，這種ZS6型雙聯(lián)雙層直線振動(dòng)篩的主要技術(shù)性能如下：

（1）振型：直線；（2）額定功率：1.5×4kW；（3）供電頻率、電壓：50Hz、380V；（4）激振頻率：24.16Hz(1450r/min)；（5）振動(dòng)強(qiáng)度：5.5g；（6）處理量：50～80L/s；（7）激振力：63×2kN；（8）振幅：5mm；（9）上層篩網(wǎng)：目數(shù)：20～60目，面積：1.1m×2m；（10）下層篩網(wǎng)（板式疊層復(fù)合篩網(wǎng)）：目數(shù)：60～325目，面積：2.4m×2m；（11）外型尺寸(長×寬×高)：4500mm×2600mm×1550mm；（12）質(zhì)量：5082kg。

2.2 閉環(huán)控制全變頻鉆井液離心機(jī)

離心機(jī)也是固控系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能直接影響二級(jí)固控系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)。雖然振動(dòng)篩能夠全流量處理鉆井液中的有害固相，但不能全部清除，一些極小的固相顆粒膠體仍然需要離心機(jī)分離。此外，離心機(jī)可以回收重晶石。離心機(jī)是固控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、掌握最難的設(shè)備，一般根據(jù)處理量、離心力、分離點(diǎn)和轉(zhuǎn)速等分成3種類型：①重晶石回收離心機(jī)，主要將重晶石粉回收至鉆井液體系中，將一些低固相顆粒排除，處理量一般38～151L/min，轉(zhuǎn)速1800r/min，離心力700g，低密度固相分離點(diǎn)6～10μm，高密度固相分離點(diǎn)4～10μm；②大容量離心機(jī)，主要清除低密度固相，處理量非常大，轉(zhuǎn)速1900～2200r/min，離心力800g，分離點(diǎn)約5～7μm（在未加重鉆井液中）；③高速離心機(jī)，雙離心機(jī)組合時(shí)的第2臺(tái)離心機(jī)，主要清除未加重鉆井液中的低密度固相，處理量151～453L/min，轉(zhuǎn)速2500～3300r/min，離心力1200～2100g，分離點(diǎn)2～5μm。雙離心機(jī)組合時(shí)第1臺(tái)回收重晶石。

某單位研制的GLW系列閉環(huán)控制全變頻鉆井液離心機(jī)，與國內(nèi)外現(xiàn)有其它離心機(jī)相比，由于采用了特殊的差速器，轉(zhuǎn)鼓與螺旋推進(jìn)器全部由1臺(tái)主電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得控制簡單、可靠，操作方便。而國內(nèi)現(xiàn)有離心機(jī)均采用了主、輔2臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓與螺旋推進(jìn)器。整機(jī)采用了1套全變頻、全自動(dòng)閉環(huán)控制，包括了主機(jī)和供漿泵均是交流變頻控制[6]。

該離心機(jī)具有處理量大、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長、性能可靠等特點(diǎn)，是鉆井液固相控制、進(jìn)行液相/固相分離的理想設(shè)備。采用了變頻調(diào)速智能控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，能夠根據(jù)鉆井液性能參數(shù)的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)離心機(jī)滾筒的轉(zhuǎn)速、差轉(zhuǎn)速以及供漿泵的排量，以獲得最大的排渣量，并能實(shí)現(xiàn)故障停車報(bào)警、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離顯示和控制等功能。并具有長徑比大、分離因數(shù)高、差速器結(jié)構(gòu)合理壽命長等特點(diǎn)。分離中點(diǎn)可以達(dá)到3μm以下，處理能力Q=50m3/h，輸渣能力G3=7200kg/h。另外，底流和溢流調(diào)節(jié)方便。離心機(jī)排出底流的干濕，通過轉(zhuǎn)鼓大端的溢流調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)。也可以通過進(jìn)液管深度實(shí)現(xiàn)。

（1）具有適應(yīng)不同鉆井液性能參數(shù)的能力，實(shí)現(xiàn)了智能變頻調(diào)速反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，整體控制系統(tǒng)具有防爆和自動(dòng)保護(hù)功能。

能夠根據(jù)鉆井工藝的實(shí)際情況，對(duì)于在不同地層、不同鉆進(jìn)過程中采用不同鉆井液性能（包括粘度、密度、含固相含量）和排渣量的變化，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集離心機(jī)負(fù)載扭矩、處理量等實(shí)際參數(shù)，通過變頻器和自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，能夠自動(dòng)改變離心機(jī)運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)供漿泵的排量，使得在鉆井液性能參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，確保排渣量和離心機(jī)的處理能力始終處于最大狀態(tài)，離心機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。

（2）具有很好的自控能力，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能自動(dòng)停機(jī)并報(bào)警，具有遠(yuǎn)距離監(jiān)視能力，從而大大提高了離心機(jī)的使用效率并降低了風(fēng)險(xiǎn)，從而得到最佳的處理效果。

（3）能夠與我所研制成功的ZS6型直線振動(dòng)篩、中速離心機(jī)等固控設(shè)備配套，形成新型固控系統(tǒng)，從而大幅度提高鉆井液固相控制水平，促進(jìn)鉆井技術(shù)的發(fā)展，提高鉆井速度，降低鉆井成本。采用ZS6型直線振動(dòng)篩和高、低速離心機(jī)組合的固控系統(tǒng)時(shí)，可以使鉆井液的含砂量一直控制在0.3%以下。

（4）速度調(diào)節(jié)范圍大，既可以作為中速離心機(jī)用，也可以作為高速離心機(jī)用。

（5）控制系統(tǒng)中具有溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性能。在控制系統(tǒng)中設(shè)有溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)溫度，以便手動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)與停機(jī)，使得控制系統(tǒng)處于良好最優(yōu)工作狀態(tài)。

（6）長徑比大（k=3），分離固相更為干燥，減少鉆井液的漏失，有利于保護(hù)環(huán)境和鉆井液的消耗量。

（7）從設(shè)計(jì)、制造等方面考慮，全面提高了離心機(jī)的分離性能，使之更加適應(yīng)油田鉆井工藝的發(fā)展要求，從而提高鉆井液固相控制的水平。

3 鉆井液固控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

綜觀國內(nèi)外鉆井液固控設(shè)備及系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀，其研發(fā)方向應(yīng)以改進(jìn)提高振動(dòng)篩性能為核心，提高離心機(jī)處理量和工作轉(zhuǎn)速，簡化現(xiàn)有固控系統(tǒng)，力爭使用多臺(tái)振動(dòng)篩與離心機(jī)組成的兩級(jí)固控系統(tǒng)。簡化固控系統(tǒng)可以分兩步走：從長遠(yuǎn)考慮，研究采用一種真空過濾抽吸原理直接進(jìn)行一級(jí)過濾即可實(shí)現(xiàn)高效固液分離，一步到位，固控效率更高、費(fèi)用更低，是今后固控設(shè)備研發(fā)的主攻方向；近期目標(biāo)是研究處理量大、可靠性高、分離效果好的多篩固控系統(tǒng)，去掉除砂器、除泥器以及為除砂器和除泥器供液的耗能大效率低的砂泵，這種新型固控系統(tǒng)由3～4臺(tái)細(xì)目篩網(wǎng)直線振動(dòng)篩、1臺(tái)全變頻全自動(dòng)智能控制中速大排量離心機(jī)（轉(zhuǎn)速1200～2000r/min）、1臺(tái)全變頻全自動(dòng)智能控制高速離心機(jī)（轉(zhuǎn)速1800～3400r/min）組成兩級(jí)固控系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)可靠性高，振動(dòng)篩和離心機(jī)分離性能好，易損件壽命長，能耗降低，鉆井液凈化精度高；設(shè)備安裝簡單，維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)輸和搬遷快捷；能夠適應(yīng)國外鉆井市場的需求[7]。

4 認(rèn)識(shí)與建議

（1）研究新型固液分離機(jī)理、研制新型固控設(shè)備是從根本上改進(jìn)和發(fā)展固控系統(tǒng)、提高鉆井液固液分離效果的重要途徑。

（2）簡化現(xiàn)有固控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少固控系統(tǒng)級(jí)數(shù)，減少耗能，提高固控系統(tǒng)的整體可靠性，減少鉆井液的漏失，減輕環(huán)境污染。建議當(dāng)前固控系統(tǒng)配套方案是4～5臺(tái)超細(xì)目振動(dòng)篩與1臺(tái)中速離心機(jī)、1臺(tái)高速離心機(jī)組合而成。振動(dòng)篩以處理量大的直線篩為主，篩網(wǎng)目數(shù)在200目以上，同時(shí)提高離心機(jī)的處理量和分離粒度，力爭2臺(tái)離心機(jī)即可滿足處理量和篩分效果。

（3）振動(dòng)篩是首級(jí)全流量處理鉆井液的關(guān)鍵設(shè)備，因此深化振動(dòng)篩理論研究，研制新型大排量超細(xì)目振動(dòng)篩非常必要。振動(dòng)篩研究主要包括深化振動(dòng)篩工作理論、合理振型、篩面固相顆粒運(yùn)移規(guī)律、透篩效果、凈化精度等，不斷改進(jìn)振動(dòng)篩的控制、調(diào)節(jié)、隔振等性能，提高板式粘接疊層復(fù)合篩網(wǎng)的壽命，進(jìn)一步提高整機(jī)和零部件的可靠性。

（4）研制智能控制中高速大排量離心機(jī)，單臺(tái)離心機(jī)的處理量要達(dá)到100m3/h以上，分離中點(diǎn)2～3μm，分離出來的固相沉渣達(dá)到可運(yùn)輸條件。研究離心機(jī)固液分離的粒度分布，開發(fā)重晶石可回收型離心機(jī)。

（5）加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)，減少環(huán)境污染，開發(fā)適用于油田鉆井液及鉆屑隨鉆處理的環(huán)保設(shè)備，有效回收鉆井液，降低鉆井成本，徹底去掉泥漿池，真正意義上實(shí)現(xiàn)鉆井液和鉆屑現(xiàn)場不落地。

（6）加強(qiáng)鉆井液固控過程中的自動(dòng)計(jì)量和自動(dòng)控制研究，鉆井液性能參數(shù)的在線檢測(cè)與分析，開發(fā)鉆井液固相控制專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)固控系統(tǒng)的自動(dòng)化。研發(fā)國產(chǎn)固控設(shè)備評(píng)價(jià)計(jì)算模型，對(duì)固控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置和效率評(píng)價(jià)，推動(dòng)我國固相控制工藝技術(shù)的發(fā)展。

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TE254

A

1004-5716(2015)11-0049-04

2015-07-02

2015-07-22

中石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“頁巖油（氣）鉆井油基鉆屑處理技術(shù)與裝備研制”的部分研究成果，項(xiàng)目編號(hào)312002。

董懷榮（1969-），男（漢族），江蘇淮安人，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)從事自動(dòng)化鉆機(jī)及鉆井液固控系統(tǒng)與環(huán)保方向研究工作。