鉆井液固相控制系統(tǒng)發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢(shì)展望

王 臣，明向東，代炳曉，彭愛紅，周小剛，李樂(lè)佳

（1.渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北滄州 062552；2.渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司，河北滄州 062552）

0 引言

隨著石油鉆井工藝技術(shù)的不斷更新，環(huán)保要求的日益嚴(yán)峻，對(duì)鉆井液固相控制（以下簡(jiǎn)稱“固控”）系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。常規(guī)的固控系統(tǒng)配有振動(dòng)篩、除氣器、除砂器、除泥器、離心機(jī)等五級(jí)凈化設(shè)備，固控系統(tǒng)對(duì)鉆井液進(jìn)行循環(huán)、處理以及凈化，調(diào)整鉆井液的密度、黏度等參數(shù)滿足工藝要求。高質(zhì)量的固控系統(tǒng)在鉆井工程中起著重要作用。

在近30年來(lái)，固控系統(tǒng)不斷改進(jìn)與完善，對(duì)提高鉆井液處理效果，減少維護(hù)保養(yǎng)工作量，保證鉆井液性能，減少井下事故、提高鉆速、減少成本效果顯著。因此，完善的鉆井液固相控制系統(tǒng)是科學(xué)鉆井的重要標(biāo)志。在不降低或少降低其固控系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化設(shè)備、降低能耗、提高可靠性已成為國(guó)內(nèi)外固控專家們關(guān)心的問(wèn)題。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

通過(guò)多年的研究和經(jīng)驗(yàn)累積，固控系統(tǒng)得到了較快的發(fā)展，各種配置較為全面、設(shè)計(jì)越來(lái)越人性化、性能穩(wěn)定。固控系統(tǒng)配套有防爆電路、砂泵、攪拌器、泥漿槍、剪切泵、加重漏斗、安全設(shè)施等多種輔助設(shè)備和設(shè)施，總重量達(dá)到45～300 t，總電力消耗己接近300～800 kW。固相含量最高可控制在5%以下，鉆井液的低密度性也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

經(jīng)過(guò)廣大技術(shù)人員的多年努力，國(guó)內(nèi)各鉆井設(shè)備生產(chǎn)廠家陸續(xù)開發(fā)出了多種振動(dòng)篩、高速離心機(jī)、真空除氣器等具有較高技術(shù)含量的固控設(shè)備，縮短了我國(guó)在鉆井液固控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。但由于設(shè)計(jì)水平、主要材料達(dá)不到要求，使得產(chǎn)品性能不穩(wěn)定；研究處理大、可靠性高、分離效率高的多篩系統(tǒng)，減少清潔器的開機(jī)時(shí)間甚至不再使用旋流清潔器，減少固控級(jí)數(shù)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

2 存在的問(wèn)題

研制方面，根據(jù)鉆井工藝和環(huán)保的要求選配相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行特殊的、非常規(guī)的組合應(yīng)用，以取得最佳的固控效果。并要求最有效地節(jié)約資源，從而使產(chǎn)品具有最好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)的綜合效益。因此，科學(xué)分析各種固控設(shè)備分離固相的能力，確定合理的鉆井液固控工藝流程，對(duì)于設(shè)計(jì)和研制高性能的鉆井液固控系統(tǒng)具有重要意義。目前固控系統(tǒng)主要存在以下4個(gè)問(wèn)題。

（1）固控系統(tǒng)通常配備五級(jí)凈化設(shè)備，凈化層級(jí)多、設(shè)備耗能大，給后期的維護(hù)、保養(yǎng)、安裝等帶來(lái)諸多不便。

（2）有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)低、互換性差、通用性不高、系統(tǒng)個(gè)性化差異大等缺點(diǎn)，也不利于功能擴(kuò)展和系統(tǒng)的升級(jí)改造。

（3）固控系統(tǒng)的操作、鉆井液性能參數(shù)測(cè)量等主要依靠人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度較低、智能化程度低，已不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)的要求。

（4）作為施工作業(yè)過(guò)程中的主要污染源，固控系統(tǒng)有廢棄物處理工藝難于滿足環(huán)保要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未滿足后續(xù)處理裝置的連接與使用等缺陷。

3 發(fā)展趨勢(shì)

固控就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)石油鉆井液的固相控制，固控系統(tǒng)的性能和質(zhì)量是固相控制技術(shù)的關(guān)鍵，對(duì)提高鉆井質(zhì)量、降低鉆井成本、滿足環(huán)保要求、提高安全人性化操作等都具有重大意義。

3.1 模塊化標(biāo)準(zhǔn)化

由于不同的鉆井工藝需要有不同的凈化參數(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)容積、工藝流程、凈化設(shè)備進(jìn)行多種組合能形成不同的產(chǎn)品，產(chǎn)品具有多樣性，因此采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的繼承、互換和功能拓展。

（1）科學(xué)合理布置流程。根據(jù)鉆井工藝需求優(yōu)化固控系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)及布局結(jié)構(gòu)，使之滿足正常鉆探作業(yè)時(shí)的需求。固控系統(tǒng)流程滿足鉆井液循環(huán)、儲(chǔ)備、處理、控制等功能，凈化設(shè)備振動(dòng)篩、真空除氣器、清潔器必須滿足最大排量時(shí)的全排量處理，輔助設(shè)備的配置滿足鉆井液輸送、攪拌性能等參數(shù)。各種管路流程清晰、控制便捷、功能齊備。

（2）罐體結(jié)構(gòu)設(shè)備安裝模塊化。罐體結(jié)構(gòu)和設(shè)備安裝的模塊化可以有效地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品通用化、組合化、系列化，用戶可根據(jù)不同地區(qū)、不同工藝要求及時(shí)便捷的更換不同的設(shè)備配置和調(diào)節(jié)固控系統(tǒng)的性能參數(shù)取得最優(yōu)的性價(jià)比，使得固控系統(tǒng)具有更廣泛的使用性和拓展性。

（3）罐體接口標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化是提高產(chǎn)品互換性、兼容性和擴(kuò)展性的基礎(chǔ)，而固控接口的標(biāo)準(zhǔn)化有助于產(chǎn)品的維護(hù)、更換、修理并且可以大大提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力、應(yīng)變能力和拓展能力。

3.2 節(jié)能環(huán)保

3.2.1 超細(xì)目直線振動(dòng)篩研究及使用

公稱直徑200～300 mm旋流器只能達(dá)到80～120目（篩孔尺寸0.180～0.125 mm）篩分效果，公稱直徑100～125 mm旋流器只能達(dá)到100～200目（篩孔尺寸0.150～0.075 mm）篩分效果。同時(shí)砂泵能耗高，排量200 m3/h的砂泵電機(jī)功率在55～75 kW，且設(shè)備管理維修不便。

超細(xì)目直線振動(dòng)篩（不低于200目）可以減少固控系統(tǒng)中除砂清潔器、除泥清潔器以及相配套的砂泵的使用，還可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)凈化流程，提高鉆井液凈化效率、效果，有效降低固控系統(tǒng)的能耗。

3.2.2 高速變頻離心機(jī)

高速變頻離心機(jī)兼顧了目前大多數(shù)離心機(jī)的功能，對(duì)簡(jiǎn)化凈化設(shè)備、擴(kuò)展固控系統(tǒng)功能、提高設(shè)備使用率、降低鉆井成本等均具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

（1）通過(guò)研究和試驗(yàn)總結(jié)出離心機(jī)工作參數(shù)與鉆井液參數(shù)、固相顆粒的匹配關(guān)系，使得設(shè)備具有適應(yīng)不同鉆井液性能參數(shù)的能力。

（2）更大的處理能力。處理量可以達(dá)到60～100 m3/h，具有更寬泛的工作范圍，可以適應(yīng)更多的工藝要求。

（3）能夠與超細(xì)目振動(dòng)篩等固控設(shè)備配套，形成新型固控系統(tǒng)，提高鉆井速度，降低鉆井成本。

（4）速度調(diào)節(jié)范圍大（800～2800 r/min），既可以當(dāng)作中速離心機(jī)和高速離心機(jī)使用，也可以清除有害固相、回收有用固相。

3.2.3 攪拌器間歇控制

作為固控系統(tǒng)的重要輔助設(shè)備，攪拌器在系統(tǒng)中安裝數(shù)量最多、能耗最大，其耗電占到整套系統(tǒng)的50%左右。在工作過(guò)程中，可以根據(jù)不同的鉆井工藝并在保證鉆井液性能前提下，采用多種科學(xué)的間歇工作方式，可降低系統(tǒng)耗電10%～15%。

3.2.4 環(huán)保處理一體化

油氣田鉆井過(guò)程中，固控系統(tǒng)的污染物處理主要依靠泥漿不落地系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源共享、流程工藝的相互協(xié)作，最大限度提高工作效率：①設(shè)備共享節(jié)約了資金投入、提高了運(yùn)行效率；②一體化設(shè)計(jì)為以后的使用、維護(hù)、安裝等帶來(lái)更大的便利；③有助于提高處理效果，使其液相在不被破壞的情況下滿足二次回注利用的需求。

3.3 智能化

智能化控制固控系統(tǒng)的成功應(yīng)用，可以盡可能降低人力成本、提高工作能效，是在原來(lái)操作控制前基礎(chǔ)上的又一全新突破，也是實(shí)現(xiàn)泥漿凈化處理工作更加全面、高效的途徑。

3.3.1 設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制

（1）鉆井液振動(dòng)篩、除泥清潔器、攪拌器、砂泵等設(shè)備一體化遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，可實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)操作、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及泥漿處理等全過(guò)程遠(yuǎn)程跟蹤（圖1）。

（2）加重是固控系統(tǒng)工作過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度最大、最繁重的工作。加重系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制具有提高鉆井液材料的使用率、實(shí)現(xiàn)密閉輸送儲(chǔ)存和使用以及有效減少污染等作用。

圖1 處理系統(tǒng)工作流程

3.3.2 鉆井液性能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是將被測(cè)參數(shù)直接測(cè)量并顯示出來(lái)，告知人們或其他系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象的變化情況，同時(shí)用作自動(dòng)控制系統(tǒng)的前端系統(tǒng)，以便根據(jù)參數(shù)的變化情況做出相應(yīng)的控制決策，實(shí)施自動(dòng)控制。與傳統(tǒng)的手工采樣分析相比，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可以及時(shí)掌握主要監(jiān)測(cè)位置的性能參數(shù)、預(yù)警預(yù)報(bào)重大參數(shù)變化，達(dá)到多點(diǎn)同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、提高及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患的能力等目的。

4 結(jié)論

（1）研究提高固控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計(jì)，提高固控系統(tǒng)的通用性、互換性和拓展性。

（2）提高環(huán)保要求，減小環(huán)境污染。振動(dòng)篩篩網(wǎng)目數(shù)在200目以上，力爭(zhēng)三級(jí)固控設(shè)備即可滿足處理量和篩分效果。

（3）研制處理量達(dá)到60～100 m3/h以上、分離中點(diǎn)2～3 μm的振動(dòng)篩，分離出來(lái)的固相沉渣達(dá)到可運(yùn)輸條件。

（4）開發(fā)新型環(huán)保設(shè)備，使其適用于油田鉆井液及鉆屑隨鉆處理，提高鉆井液回收效率，減少鉆井成本，徹底淘汰泥漿池，真正實(shí)現(xiàn)泥漿不落地。

（5）研究鉆井液性能參數(shù)的在線檢測(cè)與分析，對(duì)固控系統(tǒng)進(jìn)行效率配置和優(yōu)化評(píng)價(jià)，推動(dòng)我國(guó)鉆井液固相控制系統(tǒng)的發(fā)展。