快速自動加重配漿系統(tǒng)研制與應(yīng)用

張銅鋆，李勝忠 ，徐鈺佳，黃進(jìn)云，王維剛，于文紅，聶 軍，包秋民，宰艷玲

(1.中石化石油工程鉆井儀表及固控技術(shù)中心，河南 濮陽 457001；2.中石化中原石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001；3.中石化中原石油工程有限公司 裝備管理部，河南 濮陽 457001；4.河南省市場監(jiān)督管理局， 鄭州 450000； 5.河南省標(biāo)準(zhǔn)化研究院， 鄭州 450000)

在石油鉆井作業(yè)中，當(dāng)遇到井涌、溢流或鉆遇高壓氣層等突發(fā)情況時(shí)，需要快速提高鉆井液的密度，進(jìn)行加重壓井，否則易造成重大井控安全事故。

目前國內(nèi)鉆井隊(duì)常用的加重方法是采用常規(guī)的鉆井液混漿器[1-4]進(jìn)行加重作業(yè)，這種加重方法存在如下的問題：

1) 加重速度慢?，F(xiàn)有常規(guī)的鉆井液混漿器主要分為射流混漿器和旋流混漿器，這2種設(shè)備處理量小，加料時(shí)間長，鉆井液密度提升速度慢，難以應(yīng)對井控突發(fā)情況。

2) 人工搬運(yùn)大量的鉆井液助劑，勞動強(qiáng)度較大。

3) 環(huán)境污染嚴(yán)重，不符合HSE規(guī)范。物料混合后產(chǎn)生的粉塵氣體排放到空氣中，可造成空氣污染，既不符合環(huán)保規(guī)范，又危害施工人員的身體健康。

特別是在西南地區(qū)，地層壓力系數(shù)高，氣層含有硫化氫，其井控工作更加嚴(yán)格。中石化標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 0033-2009《川東北含硫化氫天然氣井鉆井與試氣作業(yè)工程安全技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：探井現(xiàn)場應(yīng)儲備高于鉆進(jìn)時(shí)最高密度0.2 g/cm3以上的高密度鉆井液；上部陸相大尺寸井眼，高密度鉆井液儲備量不少于本次開鉆最大井眼容積的1.5倍；以下井段，高密度鉆井液儲備量應(yīng)不少于井筒容積的2倍，并儲備加重劑不少于500 t；開發(fā)井高密度鉆井液可按井筒容積1倍儲備；對易漏失井應(yīng)儲備同性能的鉆井液及堵漏材料，鉆井液儲備量應(yīng)是井筒容積的1倍，堵漏材料應(yīng)儲備2次用量以上，儲備鉆井液應(yīng)按規(guī)定循環(huán)、維護(hù)[5-8]。

大量的儲備鉆井液，特別是油基鉆井液，既造成鉆井成本增加，又造成巖屑后處理成本增加。

針對目前西南、西北地區(qū)“三高”油氣井鉆井作業(yè)時(shí)，需儲備500～1 500 m3加重鉆井液以應(yīng)對緊急情況下的壓井作業(yè)需求，中石化石油工程鉆井儀表及固控技術(shù)中心、中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院研制了快速自動加重系統(tǒng)，能夠快速提高鉆井液的密度，實(shí)現(xiàn)井控安全，同時(shí)能夠大幅減少儲備加重鉆井液、降低鉆井成本、降低環(huán)境污染、減輕勞動強(qiáng)度。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

快速自動加重配漿系統(tǒng)主要由快速混漿裝置[9-12]、空氣動力裝置[13]、除塵裝置以及自動控制系統(tǒng)[14-15]等組成，如圖1所示?？焖倩鞚{裝置由快速混漿器、泵組、流量計(jì)、液位控制裝置、自動控制系統(tǒng)、緩沖罐等組成；空氣動力裝置由高性能空壓機(jī)、儲氣罐、濾清器、減壓裝置組成；除塵裝置采用慣性除塵和過濾除塵的復(fù)合式除塵方式，氣體脈沖清灰。

1-空氣動力裝置；2-除塵裝置；3-灰罐；4-快速混漿裝置；5-排液管匯；6-井場泥漿罐；7-進(jìn)液管匯。

快速混漿裝置進(jìn)液管匯、排液管匯與鉆井現(xiàn)場泥漿罐連接，粉體輸送管匯與灰罐連接，含塵氣體排放管匯與除塵裝置連接；空氣動力裝置與灰罐連接；自動控制系統(tǒng)采用HMI人機(jī)交互終端、PLC測控、模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測鉆井液密度及重晶石質(zhì)量、自動加重、自動啟停。

1.2 工作原理

快速自動加重配漿系統(tǒng)泵組將井場泥漿罐內(nèi)鉆井液以一定壓力輸送至快速混漿裝置；空氣動力裝置為井場灰罐提供0.3 MPa壓縮空氣，將灰罐里的重晶石流化后，輸送到快速混漿裝置的分層預(yù)混漿器內(nèi)進(jìn)行預(yù)混合處理；經(jīng)過預(yù)混合后的鉆井液進(jìn)入射流剪切混漿器進(jìn)行快速混合處理，最后進(jìn)入緩沖罐內(nèi)的旋流混漿器進(jìn)行高效均勻的混配，同時(shí)泵組將配制好的鉆井液輸送到井場泥漿罐內(nèi)。緩沖罐內(nèi)的液位平衡由液位自動控制裝置控制，分離出來的氣體經(jīng)氣水分離器處理后，輸送至除塵器進(jìn)行無害化處理。

快速混漿裝置采用多級復(fù)合混漿方式，混漿速度快、處理量大、效率高、混漿效果均勻，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

空氣動力裝置是為灰罐提供空氣動力的設(shè)備。經(jīng)空壓機(jī)壓縮后的空氣，經(jīng)過過濾和減壓，輸送到井場灰罐內(nèi)，將流化后的重晶石輸送至快速混漿裝置。

除塵裝置是將快速混漿過程中產(chǎn)生的含塵氣體凈化。輸送重晶石的壓縮空氣從混漿器排氣口排出，由除塵裝置進(jìn)行凈化處理。

1-排液口；2-緩沖罐；3-欄桿；4-立式泵；5-高效混漿器；6-進(jìn)液口；7-排氣管；8-進(jìn)灰管；9-控制柜；10-底座。

自動控制系統(tǒng)設(shè)置手動和自動2種模式。在自動模式下，可以自動檢測鉆井液密度及計(jì)量重晶石質(zhì)量，并根據(jù)設(shè)定密度值自動啟停加重流程，同時(shí)控制除塵器以及計(jì)量顯示重晶石的加料量等參數(shù)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

鉆井液最高加重密度

2.80 g/cm3

重晶石最大混配速度

2.2 t/min

配漿精度

0.001 g/cm3

除塵能力

9 000 m3/h

系統(tǒng)功率

190 kW

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 快速混漿器

快速混漿器[9-10](專利號ZL201620960591.1)采用Y型結(jié)構(gòu)，主要由分層預(yù)處理器、射流剪切混漿器、旋流混漿器等多級復(fù)合混漿方式組成。經(jīng)過鉆井液分層噴射預(yù)混合、射流剪切、旋流混合，使重晶石迅速均勻地與鉆井液混合為一體，具有混漿速度快、處理量大、效率高、混漿效果均勻等特點(diǎn)。如圖3所示。

1-射流剪切混漿器；2-分層預(yù)混合器；3-旋流混漿器。

2.2 液位自動控制裝置

液位自動控制裝置[16]由控制機(jī)構(gòu)、電器元件和控制軟件等組成，液位控制機(jī)構(gòu)采用超聲波控制機(jī)構(gòu)和浮球控制機(jī)構(gòu)2種方式，如圖4所示。

針對蝶閥具有非線性飽和的特性，采用抗積分飽和的算法處理。常規(guī)微分控制器容易引起高頻干擾，導(dǎo)致控制過程振蕩，采用不完全微分的控制器，增量式PID控制算法。

圖4 液位自動控制裝置原理

1#離心泵的功率為55 kW，2#離心泵的功率為45 kW，所以2臺泵的排量不一樣，易造成緩沖罐的液位出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，最終會導(dǎo)致緩沖罐內(nèi)鉆井液被抽干或者溢出，影響快速混漿裝置的正常工作，造成環(huán)保事件。由于緩沖罐的容積僅有6 m3左右，而進(jìn)漿和排漿流量都在3 m3/min以上，手動調(diào)節(jié)很難實(shí)現(xiàn)。采用液位自動控制裝置可以實(shí)現(xiàn)緩沖罐的液位自動平衡。

2.3 自動控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括初始化模塊、電機(jī)啟動模塊、邏輯自檢模塊、輸入測量模塊、運(yùn)行計(jì)時(shí)模塊、報(bào)警模塊等，控制系統(tǒng)流程界面如圖5所示。

HMI交互終端主要包括幫助界面、數(shù)據(jù)顯示界面、參數(shù)設(shè)置界面、報(bào)警界面和液位自動控制界面等。

圖5 控制系統(tǒng)流程界面

3 現(xiàn)場應(yīng)用

快速自動加重系統(tǒng)在室內(nèi)試驗(yàn)取得成功后，于2017-11 在東頁深1井進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。東頁深1井是中石化部署在川東南綦江褶皺帶東溪構(gòu)造的1口預(yù)探井，該井設(shè)計(jì)井深4 426 m，目的層為上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組下部頁巖氣層段。該井在三開段需儲備密度為2.35 g/cm3的鉆井液762 m3?，F(xiàn)場應(yīng)用中，快速自動加重系統(tǒng)共混配重晶石1 600 t，其中在51 min內(nèi)將30 m3鉆井液基漿(1.33 g/cm3)加重至2.33 g/cm3，重晶石的最大混配速度達(dá)到2.2 t/min，配漿精度0.001 g/cm3，最高加重密度達(dá)到2.80 g/cm3，裝置除塵后的氣體排放質(zhì)量濃度28.5 mg/m3，小于30 mg/m3。

2019-07，普光306-1T井在鉆井作業(yè)過程中發(fā)生井涌，需大量加重鉆井液進(jìn)行壓井，井隊(duì)采用常規(guī)加重設(shè)備和方法多次進(jìn)行壓井后，未取得成功。緊急安裝使用快速自動加重系統(tǒng)后，累計(jì)工作3 h，將300 m3密度為2.0 g/cm3的鉆井液快速加重至2.3 g/cm3，井隊(duì)于當(dāng)晚1次壓井成功。

現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，快速自動加重系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了現(xiàn)場應(yīng)用要求，為“三高”油氣井的井控安全提供了強(qiáng)有力的支撐。

4 結(jié)論

1) 通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，快速自動配漿加重系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用于西南、西北地區(qū)的高壓、高溫、高含硫地區(qū)“三高”油氣井鉆井作業(yè)。

2) 快速自動加重系統(tǒng)的加重速度是傳統(tǒng)的混漿設(shè)備的4～5倍，可實(shí)現(xiàn)及時(shí)加重作業(yè)，實(shí)現(xiàn)井控安全，同時(shí)大量減少鉆井液的儲備量，節(jié)約鉆井成本。

3) 除塵能力強(qiáng)，粉塵排放質(zhì)量濃度小于30 mg/m3，達(dá)到了國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)，符合HSE規(guī)范的要求。

4) 實(shí)現(xiàn)了裝備自動化，為井控安全提供了強(qiáng)有力的支撐。