鉆井液固相控制系統(tǒng)配套技術(shù)

肖修均，徐杏娟，張團(tuán)結(jié)

（渤海裝備石油機(jī)械廠，河北任丘 062550）

0 前言

鉆井液固相控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱固控系統(tǒng)）是鉆機(jī)的重要配套系統(tǒng)，在鉆井作業(yè)中，起著儲(chǔ)存、調(diào)配鉆井液，控制鉆井液中的固相含量，保持、維護(hù)鉆井液優(yōu)良性能，提高鉆井效率，保證井下安全的作用，是將鉆井液凈化設(shè)備、及與其相配合使用的輔助設(shè)備及流程管路等安裝在一套罐面上而組成的一套鉆井施工裝備。隨著石油勘探工業(yè)的發(fā)展，鉆井深度不斷增加，深井、超深井、水平井和欠平衡井等特殊井日益增多，這些都對(duì)固控系統(tǒng)提出了更高要求。

1 固控系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

近年來，振動(dòng)篩和旋流器的工作原理等固相控制設(shè)備理論研究已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平，但國產(chǎn)固控設(shè)備在性能、壽命方面與國外設(shè)備尚有一定差距。國外固控設(shè)備水平以美國BRANDT、SWACO、DERRICK等公司為代表，質(zhì)量和性能處于世界領(lǐng)先水平。固控系統(tǒng)歷經(jīng)技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和自主生產(chǎn)等過程，目前發(fā)展到已基本能夠滿足鉆井生產(chǎn)和鉆井工藝的要求，國內(nèi)外的設(shè)計(jì)原理和功能基本處于同一水平線。但是國內(nèi)生產(chǎn)廠家缺少對(duì)固控系統(tǒng)系統(tǒng)深入的理論研究，缺少科學(xué)的理論依據(jù)，只是被動(dòng)的根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，缺少規(guī)范性和科學(xué)依據(jù)。經(jīng)過對(duì)比國內(nèi)外同類產(chǎn)品性能和參照相關(guān)法律法規(guī)要求，分析總結(jié)目前國內(nèi)鉆機(jī)固控系統(tǒng)存在以下不足。

1.1 缺少相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的支持，用戶對(duì)固控系統(tǒng)的配套存在較大隨意性，對(duì)容積、配套功率、安裝擺放、流程和配套設(shè)備等性能參數(shù)缺少要求和限制，容易造成各種浪費(fèi)，增加制造和使用成本。

1.2 固控系統(tǒng)在使用過程中未能充分發(fā)揮其功能。操作人員對(duì)設(shè)備和操作流程還存在一定誤區(qū)和認(rèn)識(shí)不足，需要生產(chǎn)廠家和用戶共同加強(qiáng)相關(guān)資料的完善和培訓(xùn)，使其功能最大化。

1.3 罐體尺寸不規(guī)范，生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶要求生產(chǎn)，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，流程復(fù)雜、隨意性大，罐體擺放有的不合理，模塊化設(shè)計(jì)程度不夠，搬遷運(yùn)輸車次較多，造成現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化水平較低，系統(tǒng)及部件互換性較差。

1.4 固控系統(tǒng)配備五級(jí)凈化設(shè)備，除砂泵、攪拌器等設(shè)備配套功率大，設(shè)備配合使用合理性較差。

1.5 加重泥漿無法使用離心機(jī)清除有害固相，重晶石不能進(jìn)行回收。

1.6 加重泥漿需要人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。

2 固控系統(tǒng)技術(shù)研究

2.1 國外研究概況

國外特別重視泥漿固控設(shè)備的優(yōu)化配置和整個(gè)泥漿固控系統(tǒng)的效率評(píng)價(jià)，為此開發(fā)了泥漿固相控制專家系統(tǒng)。在這方面我國差距較大，開展的研究工作很少，應(yīng)盡快開發(fā)針對(duì)國產(chǎn)泥漿固控設(shè)備的評(píng)價(jià)計(jì)算模型，開展泥漿固控系統(tǒng)的效益評(píng)價(jià)，研制開發(fā)適合多種工況的多功能泥漿固控配套系統(tǒng)，進(jìn)一步推動(dòng)我國固相控制工藝技術(shù)的發(fā)展，更好地為鉆井工程服務(wù)。

2.2 國內(nèi)研究概況

近10年來，固控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，另外針對(duì)特殊工況還有輪式固控系統(tǒng)、直升機(jī)吊裝固控系統(tǒng)、快速運(yùn)移固控系統(tǒng)和低溫固控系統(tǒng)等一系列專業(yè)化產(chǎn)品。通過不斷改進(jìn)與完善，提高了鉆井技術(shù)水平，減少了循環(huán)系統(tǒng)維修工作量，保證優(yōu)質(zhì)鉆井液的性能，減小井下事故、提高鉆速和降低成本效果顯著。目前，固控設(shè)備著重發(fā)展除砂、除泥、除氣器等占用面積小、效能高、壽命長的設(shè)備。

按照國內(nèi)對(duì)固控行業(yè)發(fā)展的要求，降低成本、提高可靠性已成為未來的新趨勢(shì)。近期目標(biāo)則是研究處理過大、可靠性高、分離效率高的多篩系統(tǒng)，減少除砂器的開機(jī)時(shí)間甚至不再使用旋流除砂器。

3 固控系統(tǒng)配套技術(shù)研究

3.1 加重吹灰裝置設(shè)計(jì)及研制

目前井隊(duì)鉆井液的加重作業(yè)通常采用噴射式加重漏斗，常用方法是人工袋包加重和噸包架加重，均是依靠噴射漏斗射流產(chǎn)生的真空吸力和重晶石的重力將重晶石粉混合到射流里，這些加重方法存在加重效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度高，作業(yè)時(shí)間長和加重混合不均勻等問題。如何利用井隊(duì)現(xiàn)有條件，提高加重效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度是1個(gè)重要問題。

YLL90LG型立式加灰儲(chǔ)罐主要用于石油礦場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)灰料的儲(chǔ)備和裝卸重晶石粉，以供油（氣）田井場(chǎng)和施工工地使用，也可用于裝卸其他散裝粉粒物料。該罐具有操作簡(jiǎn)便、下灰速度快、加重均勻、?；衣实?、存儲(chǔ)量大、便于安裝等特點(diǎn)，全部加重作業(yè)僅需井隊(duì)提供壓縮空氣氣源，1～2人進(jìn)行準(zhǔn)備和操控工作即可。該罐主要由罐體、底座、進(jìn)料裝置、卸料裝置、進(jìn)氣裝置、排放裝置、氣化裝置和總氣室等組成。罐體為圓柱形，上封頭采用橢圓形封頭，下封頭采用60°錐形封頭，下封頭均勻分布?xì)饣遥捎孟逻M(jìn)氣結(jié)構(gòu)。氣化室采用該種結(jié)構(gòu)大大增加了進(jìn)氣量，使灰料氣化充分，并且下灰均勻，流動(dòng)速度快。

YLL90LG型立式加灰儲(chǔ)罐為氣力輸送，即借助流化裝置，以壓縮空氣為動(dòng)力，使壓縮空氣透過氣化床，將儲(chǔ)料罐內(nèi)的灰料逐漸成流態(tài)化，流化態(tài)的灰料經(jīng)進(jìn)灰管口進(jìn)入罐內(nèi)，再經(jīng)出灰管口通過操做碟閥來控制出灰量（出灰管上裝有助風(fēng)掃氣裝置，以排除堵塞）。既可利用罐內(nèi)、外壓差將灰料排出儲(chǔ)料罐，還可通過該罐自帶的稱重計(jì)控制出灰重量。加重操作方法：①所有的閥門應(yīng)處在關(guān)閉狀態(tài)。②將立罐出料管與加重漏斗接口用膠管連接。③啟動(dòng)空壓機(jī)，使其工作在額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)氣壓達(dá)到額定工作壓力時(shí)，打開空壓機(jī)出氣球閥，氣流經(jīng)進(jìn)氣管閥門進(jìn)入立罐，把罐內(nèi)的粉料，利用壓縮空氣及立罐的氣化裝置，使粉料成流態(tài)。④粉料成流態(tài)時(shí)打開立罐的出料碟閥，將粉料送入噴射漏斗。⑤掃灰，出料完畢，均應(yīng)將出灰管中殘存的灰料清掃干凈；可打開罐體上的掃灰管閥門，用壓縮空氣將管線內(nèi)殘存的灰料清掃干凈，以便下次使用。

在研究YLL90LG型立式加灰儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)上還擴(kuò)展了加重漏斗裝置的應(yīng)用，申請(qǐng)了新型實(shí)用專利。該實(shí)用新型專利涉及一種加重漏斗組件，包括噸包架、加重漏斗、氣動(dòng)加重吹灰裝置和手動(dòng)自吸吸灰及吸液裝置。噸包架正對(duì)加重漏斗處還設(shè)置有通孔，通孔的上方固定有插刀。氣動(dòng)加重吹灰裝置升高短節(jié)上設(shè)置有由壬母接頭，該裝置通過設(shè)置在進(jìn)灰膠管上的由壬公接頭與由壬母接頭相連接。手動(dòng)自吸吸灰及吸液裝置包括依次連接的吸頭、膠管及由壬公接頭，該裝置的由壬公接頭與所述氣動(dòng)加重吹灰裝置升高短節(jié)相連接。該加重漏斗組件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、安裝及操作方便快捷，用量精準(zhǔn)且工作效率高，改善了鉆井液質(zhì)量，降低了添加材料的用量，大大地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)利于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保作業(yè)。加重漏斗組合示意見圖1。

圖1 加重漏斗組合示意圖

3.2 攪拌器節(jié)能控制的研究和利用

固控系統(tǒng)設(shè)備配置功率隨著鉆井深度的增加不斷增大，固控系統(tǒng)設(shè)備配置功率的增加不僅對(duì)鉆機(jī)動(dòng)力提出了更高要求，也不斷提高了井隊(duì)的能源成本。結(jié)合固控系統(tǒng)處理鉆井液的特點(diǎn)，降低能源消耗成為研究對(duì)象。

鉆井液五級(jí)凈化設(shè)備經(jīng)過20年的不斷改進(jìn)，配置功率基本穩(wěn)定，在使用方法上也比較成熟，改進(jìn)的有效性不大，把研究目標(biāo)鎖定在了配置數(shù)量多，占用固控系統(tǒng)功率接近一半的攪拌器上。通常在10～12 m長度罐體上配置3臺(tái)15 kW攪拌器，也配置過3臺(tái)11 kW攪拌器和兩臺(tái)15 kW攪拌器。通過信息反饋，配置兩臺(tái)15 kW攪拌器的罐體攪拌效果不夠均勻，攪拌器負(fù)荷較大且容易損壞，配置3臺(tái)15 kW攪拌器的攪拌效果很好，配置過3臺(tái)11 kW攪拌器在ZJ50及以下鉆機(jī)的使用效果較好。由于ZJ70以上鉆機(jī)固控系統(tǒng)泥漿的密度及粘度較大，曾出現(xiàn)過11 kW攪拌器過載損壞電機(jī)的情況。最后確定ZJ70以上鉆機(jī)固控系統(tǒng)單個(gè)10～12 m長度罐體上配置3臺(tái)15 kW攪拌器，ZJ50及以下鉆機(jī)固控系統(tǒng)單個(gè)10～12 m長度罐體上配置3臺(tái)11kW攪拌器。

3臺(tái)攪拌器的攪拌效果很好，若將3臺(tái)攪拌器的工作方式改成間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而又不影響攪拌效果，就能起到很好的節(jié)能效果。經(jīng)過查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)鉆井液在固控罐中攪拌良好的情況下，4～6 h發(fā)生明顯沉淀，0.5～1 h鉆井液的性能不發(fā)生明顯變化。為了保證鉆井液保持良好的攪拌效果，將渤鉆二ZJ40L固控系統(tǒng)的3#～5#罐，塔鉆ZJ80DB固控系統(tǒng)3#～10#罐的攪拌器的間停時(shí)間定為30min，單個(gè)罐上始終保持兩臺(tái)攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)。

ZJ40L固控系統(tǒng)的3#～5#罐共9臺(tái)11 kW攪拌器，無間停裝置時(shí)，每天消耗功率為9×11×24=2376 kW；有間停裝置時(shí)，每天消耗功率為6×11×24=1584 kW，每天節(jié)約功率為792 kW，按照每年運(yùn)轉(zhuǎn)260天計(jì)算，可節(jié)約功率205920 kW，節(jié)約效果可觀。

同理，塔鉆ZJ80DB固控系統(tǒng)的節(jié)約效果也較為可觀。

3.3 重晶石回收技術(shù)

固控循環(huán)系統(tǒng)常用的加重材料是重晶石粉，以BaSO4為主要成分，密度達(dá)到4.2 g/cm3，粉末細(xì)度要求通過200目篩網(wǎng)時(shí)的余量小于3%（API對(duì)于重晶石的規(guī)定：小于74 μm粒度的應(yīng)占97%，其中小于44 μm粒度的應(yīng)占94%），重晶石粉一般用于加重密度不超過2.4 g/cm3的水基和油基鉆井液。采用機(jī)械處理方法，優(yōu)化設(shè)備參數(shù)即可方便的處理各種類型的加重材料，并可對(duì)加重材料進(jìn)行回收再利用。

以前的固控系統(tǒng)配備兩臺(tái)中速離心機(jī)，雖然處理非加重泥漿時(shí)起到重要作用，但對(duì)于處理加重泥漿時(shí)就會(huì)因浪費(fèi)大量的重晶石不能發(fā)揮作用。若不對(duì)加重鉆井液的有害固相進(jìn)行處理，鉆井液的粘度及切力的變化超出鉆井的允許范圍，當(dāng)粘度、切力過大時(shí)，會(huì)造成鉆井液的流動(dòng)阻力大，能量消耗高，鉆速慢，固控設(shè)備凈化不良，易引起井下復(fù)雜事故；當(dāng)粘度、切力過小時(shí)，也會(huì)造成洗井不良，井眼凈化差，沖刷井壁加劇引起井塌，巖屑過細(xì)影響錄井等。根據(jù)固相顆粒及固相處理設(shè)備的處理特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了加重鉆井液的處理方法，使用兩臺(tái)變頻離心機(jī)替代兩臺(tái)中速離心機(jī)，并對(duì)離心機(jī)的工作流程進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方案應(yīng)用在ZJ40及ZJ80固控系統(tǒng)后，通過用戶現(xiàn)場(chǎng)使用狀況反饋，數(shù)據(jù)采集整理發(fā)現(xiàn)兩套固控系統(tǒng)均在工作中很好保證了鉆井液使用質(zhì)量，保障了鉆井順利進(jìn)行。