新型鉆井液循環(huán)管匯濾清器結(jié)構(gòu)分析

王 臣，王 皓，張志敏，王可佳，李向敏，周小剛

（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.華北油田公司工程技術(shù)研究院，河北滄州 062552；3.華北油田公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院審計(jì)中心，河北滄州 062552）

0 引言

濾清器是鉆井液循環(huán)管匯的主要部件之一，安裝于鉆井液循環(huán)管匯管體中，通常位于立管和地面管匯交匯的三通處，用于過濾從泥漿泵打入鉆井液循環(huán)管匯中的泥漿，去除直徑較大的雜質(zhì)，是鉆井液進(jìn)入井眼前的最后一道屏障。隨著各大鉆井公司的水平井、復(fù)雜井鉆探數(shù)量增多，對鉆井液的要求也越來越高，要求鉆井液中雜質(zhì)的體積越來越小，這就要求濾清器的濾孔盡可能小。因此，需要提出一種結(jié)構(gòu)更合理、更適用、濾孔小、通過面積大、射流不損傷管體的濾清器。

1 傳統(tǒng)鉆井液循環(huán)管匯結(jié)構(gòu)及不足

傳統(tǒng)的鉆井液循環(huán)管匯濾清器主要有兩種：一種是在管體上打?yàn)V孔，鉆井液從濾清器內(nèi)孔流入，經(jīng)過濾孔從濾清器外壁流出；另一種是在與鉆井液流動(dòng)方向垂直放置一塊擋板，在擋板上打?yàn)V孔。上述結(jié)構(gòu)存在以下3 個(gè)缺點(diǎn)。

（1）濾清器內(nèi)外壓差較大，如果使用上述結(jié)構(gòu)1（即在管體上打?yàn)V孔）時(shí)，泥漿通過濾孔后形成具有一定能量的高速射流，以射流沖擊的形式作用于高壓管匯管壁，從而對鉆井液循環(huán)管匯管壁造成損傷。

（2）射流沖擊力是指射流在鉆井液循環(huán)管匯作用的面積上的總作用力的大小。濾孔出口處的射流沖擊力Fj可以根據(jù)動(dòng)量原理計(jì)算得出：

式中 Fj——射流沖擊力，kN

ρd——鉆井液密度，g/cm3

Q——通過濾孔的鉆井液流量，L/s

A0——濾孔出口截面積，cm2

由式（1）可知，濾孔截面積越小，射流沖擊力越大，對管壁損傷越嚴(yán)重，因此傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的濾清器濾孔不宜過小，不僅對較小的雜質(zhì)起不到過濾效果，而且如果雜質(zhì)進(jìn)入井眼，對斜井、水平井等復(fù)雜井的影響極大。

（3）濾清器壓力降是指泥漿流過濾清器濾孔以后鉆井液壓力降低的值。當(dāng)泥漿排量和濾清器濾孔尺寸一定時(shí)，根據(jù)能量方程可以計(jì)算壓力降：

式中 △pb——濾清器壓力降，MPa

C——濾孔流量系數(shù)，與濾孔的阻力系數(shù)有關(guān)，C 的值總是小于1

如果濾孔出口面積用濾孔當(dāng)量直徑表示，則濾清器壓力降△pb計(jì)算公式為：

式中 dne——濾孔當(dāng)量直徑，cm

di——濾孔直徑（i=1，2，…，z），cm

Z——濾孔個(gè)數(shù)[1]

由上式可知，濾孔個(gè)數(shù)越少，濾清器壓力降越大，當(dāng)使用上述結(jié)構(gòu)2（即放置擋板）時(shí)，雖然濾清器前后形成射流方向與液流方向平行，解決了射流損傷管體的問題，但通過面積大大減小，濾清器前后壓力損失嚴(yán)重。

2 新型鉆井液循環(huán)管匯結(jié)構(gòu)及原理[2]

2.1 結(jié)構(gòu)

新型鉆井液循環(huán)管匯濾清器自前至后依序設(shè)有連為一體的濾網(wǎng)、排液孔和扶正套，濾網(wǎng)為前部直徑小，后部直徑逐漸變大的圓筒狀，在該濾筒壁上設(shè)有內(nèi)外貫通的濾孔，濾筒前部外徑小于安裝在其中的由壬或連接管內(nèi)徑，濾筒后端和扶正套的外徑與安裝在其中的連接管體內(nèi)徑緊密吻合，在濾筒和扶正套之間設(shè)有供過濾后的鉆井液排出的數(shù)個(gè)排液孔，在濾筒的前端設(shè)有帶水平透孔的擋板（圖1）。

圖1 新型鉆井液循環(huán)管匯濾清器結(jié)構(gòu)

2.2 使用原理

將鉆井液循環(huán)管匯濾清器安裝在鉆井液循環(huán)管匯地面管匯和立管交匯的三通處，前后設(shè)有連接的由壬。扶正套保證濾清器在鉆井液循環(huán)管會(huì)內(nèi)居中位置，濾網(wǎng)與由壬壁之間的間隙適中且均勻，鉆井液從濾網(wǎng)外周通過濾孔和擋板透孔進(jìn)入濾網(wǎng)內(nèi)腔，并能防止較大雜質(zhì)通過間隙流過濾網(wǎng)。濾網(wǎng)設(shè)計(jì)為前細(xì)后粗，且濾網(wǎng)上的濾孔和液流方向成40°～50°的夾角，可以充分減小鉆井液流過濾孔的阻力，減小壓力損失。同時(shí)，鉆井液從濾清器外向?yàn)V清器內(nèi)流動(dòng)，射流形成在濾清器內(nèi)部；對稱傾斜設(shè)計(jì)的濾孔可將與液流方向垂直的射流抵消，同時(shí)加大與液流方向平行射流的流速，既避免了射流損傷管壁，又加快了通過濾孔后液流的流速，減小了壓力損失[3]；通過扶正套的限位，可將排液孔正對立管，液流通過濾孔后由排液孔流入立管完成整個(gè)過濾過程。新型鉆井液循環(huán)管匯使用原理如圖2 所示。

圖2 新型鉆井液循環(huán)管匯使用原理

3 應(yīng)用情況

（1）新型鉆井液循環(huán)管匯濾清器通過調(diào)整鉆井液流經(jīng)濾清器的方向，使原本對管體有害的射流問題得到解決，因此，濾孔大小不再受射流限制，可大大縮小濾孔直徑，減小過濾雜質(zhì)體積，同時(shí)避免鉆井液循環(huán)管匯管壁受射流傷害。

（2）該結(jié)構(gòu)通過調(diào)整濾網(wǎng)表面角度以及濾網(wǎng)和擋板上濾孔的角度，大大減小壓力損失，增加通過面積。

（3）該濾清器結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，現(xiàn)場工作人員可自行拆裝。