高密度油基泥漿串聯(lián)離心機(jī)固控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

鄭德帥

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京102260)

采用高密度油基泥漿是保證長水平段頁巖氣井的井壁穩(wěn)定的必要技術(shù)條件[1]。油基泥漿經(jīng)過重復(fù)使用后會逐漸老化，主要是黏度大、流動性差，破乳電壓難以穩(wěn)定，井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高，起下鉆摩阻力大，機(jī)械鉆速降低[2-4]。泥漿老化的主要原因是固相含量升高，尤其是粒徑小于10 μm的固相含量升高所致。油基泥漿經(jīng)過1～2口井的使用后，固相平均粒徑約為8 μm，90%的固相粒徑低于20 μm[5-7]。加入降黏劑效果不佳，且無法降低固相含量。加入柴油稀釋降黏會導(dǎo)致密度下降，且成本高[8-10]。

離心機(jī)是分離鉆井泥漿中固相的重要設(shè)備[11-12]。但是，中低速離心機(jī)會把泥漿中重晶石粉一同分離出去，使重晶石粉不能重復(fù)利用，需要持續(xù)添加以維持泥漿密度，并且增大了含油固廢的處理量[13]。高速離心機(jī)由于分離粒徑范圍寬，導(dǎo)致其極易堵塞且處理量較小，維護(hù)難度大，很多井隊(duì)的高速離心機(jī)處于閑置狀態(tài)[14-15]。

針對離心機(jī)組的技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了低速-高速離心機(jī)串聯(lián)泥漿固控系統(tǒng)，優(yōu)化高、低速離心機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，使低速離心機(jī)作為高速離心機(jī)的預(yù)處理模塊，極大地提高了高速離心機(jī)的處理能力，實(shí)現(xiàn)了重晶石粉的回收，單井降低含油固廢的處理量為38.6%。該系統(tǒng)已經(jīng)在中石化南川頁巖氣工區(qū)推廣應(yīng)用。

1 離心機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，鉆井液經(jīng)過振動篩(處理粒徑大于50 μm)處理后分別進(jìn)入高、低速離心機(jī)進(jìn)行固相分離。高速離心機(jī)可分離出粒徑為1～50 μm的固相，低速離心機(jī)可分離出粒徑為10～50 μm的固相，主要成分為重晶石粉，通過一級分離隔倉混合后重新進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)重晶石粉的回收利用。高速離心機(jī)的分離理粒徑范圍更寬，但容易堵塞，現(xiàn)場經(jīng)常無法使用，導(dǎo)致低于10 μm的固相無法被分離出去，而粒徑小于10 μm的固相對于油基泥漿性能的影響很大。

針對高速離心機(jī)的堵塞問題，設(shè)計(jì)了高、低速離心機(jī)串聯(lián)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的配套結(jié)構(gòu)。主要流程為鉆井液從振動篩處理后，先進(jìn)入低速離心機(jī)將10～50 μm粒徑固定分離，再進(jìn)入高速離心機(jī)進(jìn)行1～10 μm粒徑固相的分離。由于高速離心機(jī)需要處理的粒徑范圍大幅縮小，因此堵塞問題被解決，有效提高了高速離心機(jī)的效率。

設(shè)計(jì)的低速-高速串聯(lián)離心機(jī)固控系統(tǒng)的流程如圖1所示。由于低速離心機(jī)處理能力低于振動篩的處理能力，高速離心機(jī)處理能力小于低速離心機(jī)的處理能力，在管路中設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)液量的球閥和獨(dú)立隔艙，解決振動篩、高低速離心機(jī)、低速離心機(jī)處理能力不匹配的問題。帶有球閥的三通可調(diào)節(jié)離心機(jī)進(jìn)液量，防止溢流或堵塞。低速離心機(jī)處理過的油基泥漿進(jìn)入二級分離隔艙，通過控制高速離心機(jī)的進(jìn)液量，提高處理1～10 μm固相的效率。隔艙頂端低于泥漿罐頂端30 cm，低速離心機(jī)處理的油基泥漿量長時(shí)間大于高速離心機(jī)時(shí)，泥漿會自動溢出至泥漿罐中。

1-有害固相;2-高速離心機(jī);3-低速離心機(jī);4-低速離心機(jī)供液離心泵;5-手動球閥;6-振動篩；7-液量平衡隔倉;8-一級分離隔倉；9-二級分離隔倉；10-高速離心機(jī)供液離心泵;11-處理后的鉆井液。圖1 低速-高速離心機(jī)串聯(lián)固控系統(tǒng)流程圖

2 離心機(jī)參數(shù)優(yōu)化

2.1 離心機(jī)分離規(guī)律

離心機(jī)是利用離心力來加速固相顆粒的運(yùn)動，從而使固相顆粒與液體分離。固相旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力為：

F=mRω2

(1)

式中：F為固相顆粒的離心力，N；m為固相顆粒的質(zhì)量，kg；R為固相顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑,m；ω為固相顆粒的旋轉(zhuǎn)速度，rad/s。

依據(jù)巖屑滑落速度公式可推導(dǎo)出帶有離心力的固相顆?；渌俣萚8]：

(2)

式中：vs為固相顆粒的運(yùn)移速度，m/s；d為固相顆粒的直徑，mm；ρr為固相顆粒當(dāng)量密度，g/cm3；ρrc為固相顆粒的密度，g/cm3；ρd為鉆井液的密度，g/cm3；μpv為鉆井液黏度，mPa·s。

根據(jù)某型常用低速離心機(jī)的尺寸，以及進(jìn)液量等參數(shù)，可計(jì)算出鉆井液在低速離心機(jī)內(nèi)的滯留時(shí)間。當(dāng)固相顆粒運(yùn)移至離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁時(shí)間小于滯留時(shí)間時(shí)，則認(rèn)為此粒徑的固相顆?？梢员环蛛x出來。

圖2中的計(jì)算結(jié)果表明，離心機(jī)轉(zhuǎn)速越高，可分離出更小粒徑的固相，相同轉(zhuǎn)速條件下，可分離出更小粒徑的重晶石顆粒。這是由于重晶石顆粒密度為4.2 g/cm3，高于巖屑顆粒密度2.6 g/cm3，相同轉(zhuǎn)速條件下產(chǎn)生更大的離心力，更容易被分離出來。巖屑顆粒和重晶石顆粒的分離曲線較為接近，當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，可分離的重晶石和巖屑的粒徑分別為13、17 μm，轉(zhuǎn)速越高兩者越接近，因此在分離回收的重晶石中將難以避免混有巖屑顆粒。

圖2 不同固相的轉(zhuǎn)速-分離粒徑曲線

泥漿密度對于離心機(jī)轉(zhuǎn)速-分離粒徑曲線會產(chǎn)生影響(如圖3)，相同轉(zhuǎn)速條件下，泥漿密度越低，可分離出更小粒徑的重晶石顆粒。低密度泥漿對重晶石顆粒產(chǎn)生的粘滯力較小，相同轉(zhuǎn)速條件下重晶石顆粒更容易被分離出來。離心機(jī)轉(zhuǎn)速越高，泥漿密度的影響對分離粒徑的影響越小，轉(zhuǎn)速超過2 500 r/min的高速離心機(jī)基本不用考慮泥漿密度的影響。

圖3 不同泥漿密度的轉(zhuǎn)速-分離重晶石粒徑曲線

2.2 離心機(jī)分離試驗(yàn)

為了驗(yàn)證和校正理論計(jì)算的離心機(jī)轉(zhuǎn)速-分離粒徑曲線，取南川頁巖氣某井的油基泥漿進(jìn)行分離測試，未處理前泥漿密度1.6 g/cm3，塑性黏度35 mPa·s。

測試結(jié)果顯示，鉆井泥漿進(jìn)入離心機(jī)后，由于部分固相被分離，密度降低，轉(zhuǎn)速越高分離出的固相越多，泥漿密度下降幅度越大。分離出的固相中，重晶石含量超過50%，因此可以回收并重復(fù)利用。

表1 不同離心機(jī)轉(zhuǎn)速的固相分離數(shù)據(jù)

重晶石粉大部分粒徑為10～50 μm，根據(jù)計(jì)算的曲線(如圖2)，粒徑10 μm的重晶石分離轉(zhuǎn)速約為1 300 r/min，粒徑10 μm的巖屑顆粒分離轉(zhuǎn)速約為1 550 r/min。當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 350 r/min提高至1 800 r/min時(shí)，重晶石含量從56.3%降低為53.7%，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速超過1 300 r/min之后，轉(zhuǎn)速越高，分離出固相中巖屑顆粒含量越高，相應(yīng)重晶石含量越低。

2.3 參數(shù)確定

低速離心機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)要同時(shí)兼顧以下幾點(diǎn)：

1) 要盡量分離出多的重晶石顆粒進(jìn)行回收再利用。

2) 盡量不分離出粒徑為10 μm以下的巖屑顆粒，防止重復(fù)利用重晶石粉時(shí)10 μm以下顆粒降低泥漿性能。

3) 低速離心機(jī)轉(zhuǎn)速越高，高速離心機(jī)負(fù)載越小，越不容易堵塞。

綜合上述原則，結(jié)合離心機(jī)分離曲線和測試數(shù)據(jù)，低速離心機(jī)的轉(zhuǎn)速確定為1 550 r/min，可以分離回收全部的重晶石顆粒，以及大于10 μm的巖屑顆粒。

高速離心機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的原則是在設(shè)備參數(shù)允許和不堵塞的條件下越高越好，轉(zhuǎn)速越高可以分離出更小粒徑的有害固相，更有利于提高鉆井液性能。高速離心機(jī)轉(zhuǎn)速一般確定為2 800～3 000 r/min。

3 應(yīng)用效果

設(shè)計(jì)的低速-高速離心機(jī)串聯(lián)固控系統(tǒng)已在中石化南川某平臺4號井應(yīng)用，三開采用油基泥漿，鉆進(jìn)井段包含三維定向段和水平段共2 250 m，實(shí)際泥漿密度1.5～1.65 g/cm3，黏度35 mPa·s，低速離心機(jī)轉(zhuǎn)速為1 550 r/min，高速離心機(jī)轉(zhuǎn)速為2 850 r/min。

相對于同一平臺的3口鄰井的重晶石粉用量平均值，4號井節(jié)省重晶石粉用量150 t，減少固廢排放量38.6%(如圖4)。鉆進(jìn)期間由于油基鉆井液固相控制好，泥漿破乳電壓提高20%以上。在水平段壓井期間，鉆柱靜止30 h后起鉆，摩阻力低于50 kN。應(yīng)用效果表明，設(shè)計(jì)的低速-高速離心機(jī)串聯(lián)固控系統(tǒng)對于油基泥漿的固相分離具有優(yōu)良性能。

圖4 某平臺各井泥漿中固體廢物處理量對比

4 結(jié)論

1) 高、低速離心機(jī)串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，運(yùn)行可靠。對鉆井液進(jìn)行分級處理，實(shí)現(xiàn)了全部重晶石回收利用，可高效處理粒徑1～10 μm的有害固相，降低成本，提高泥漿性能。

2) 基于理論研究的離心機(jī)轉(zhuǎn)速-分離粒徑規(guī)律和實(shí)際測試結(jié)果，綜合重晶石回收、降低有害固相等因素，優(yōu)化確定了高、低速離心機(jī)的轉(zhuǎn)速值，有效保障了離心機(jī)的正常運(yùn)行。

3) 目前常用的高、低速離心機(jī)處理鉆井液的能力還有進(jìn)一步提升的空間。存在的問題是尚未實(shí)現(xiàn)全排量鉆井液的處理，基本不具備亞微米顆粒的分離處理能力。