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鉆井液固相控制之–非加重鉆井液固相控制系統(tǒng)

1、非加重鉆井液固相控制系統(tǒng)

非加重鉆井液的固相控制主要是除去惰性的低密度固相(即在環(huán)境變化時不起反應的那些固相顆粒，如砂粒、燧石、石灰石、白云巖石、某些頁巖和許多礦物的混合物等)中的API 砂和API 泥。一般粒度大者清除較易，小者清除較難，膠體顆粒就不易用機械方法清除了，應適當用絮凝法再配合機械法清除，但采用這種清除法的鉆井液固相含量應很低。為了清除 2～74 mm的鉆屑，從 60 年代以來，國外就重視除鉆井液清除分離設備的研發(fā)與應用，它可以降低稀釋水量的50～70%，泵的易損件消耗也可降低50～90%，同對改善了鉆頭工作特性，并可減少壓差卡鉆等井下事故，同時減少處理劑的用量。特別在除泥后，降低鉆井液密度效果明顯，鉆井液性能穩(wěn)定。為了達到好的除泥效果，宜采用連續(xù)除泥法。圖2—24 給出了幾種常見除泥措施的效果比較。

 

 

　　圖 2-24 固相清除工藝對鉆井液密度的影響

2、 鉆井液固相控制工藝及原理

非加重鉆井液主要采用全流一次固控。全流一次固控是利用固控設備，將全部循環(huán)鉆井液中的液相，及過小或過大固相經過鉆井液循環(huán)系統(tǒng)后進行部分清除，并將另一部分歸回循環(huán)系統(tǒng)中的過程。有時為了回收除泥器底流中的液相和膠體，進行節(jié)約利用，可用鉆井液清潔器或離心機進行二次凈化。

 

 

　　圖 2-25 非加重鉆井液固控系統(tǒng)Ⅰ

圖 2—25 為一典型而又較完善的非加重鉆井液控制系統(tǒng)，從井口返出的鉆井液經過振動篩，大于篩孔的鉆屑被清除，必要時振動篩的底流應經過除氣處理，然后依次進入除砂器、除泥器進行固液分離，除泥器的溢流進入鉆井液罐由離心機再進行處理;底流的粘土和膠體，進入備用鉆井液罐以備繼續(xù)使用，這種固控系統(tǒng)主要用于較貴的油基鉆井液或生物聚合非加重鉆井液。當然也適用于一般水基鉆井液的處理。據(jù)有關文獻統(tǒng)計，采用離心機的固控系統(tǒng)的處理成本僅是采用稀釋法處理成本的一半。

 

 

　　圖 2-26 非加重鉆井液固控系統(tǒng)Ⅱ

圖 2—26 為另一種非加如重鉆井液固相控制系統(tǒng)布置方案，與圖2—25 比較，它的特點是除砂器和除泥器的底流又進入離心機再次進行分離，有利于回收貴重的液相。非較重鉆井液固相控制系統(tǒng)的最大缺點，就是不能在加重的鉆井液系統(tǒng)中應用，因為它將導致重晶石和貴重化合物的嚴重損失。而離心機僅能回收一部分重晶石和貴重化合物。因此，對于加重鉆井液應采用相應的加重鉆井液固相控制系統(tǒng)。

2-1.加重鉆井液固控系統(tǒng)

加重鉆井液是控制井壓的一項重要而有效的措施，控制井壓也就控制了高壓油(氣)層，因此應重視和加強對加重鉆井液的固相控制。加重鉆井液一般用于較硬地層、井徑較小、鉆速較低、固相含量較高(但總的處理量不高)的鉆井過程，通常介于12～42%之間，而非加重鉆井液介于0～22%之間。加重鉆井液中的固相有高密度和低密度兩種。在固控中，要避免對加重劑的損耗。除鉆井液振動篩外，現(xiàn)行固控設備都為重力分離，遵循斯托克定律。在淡水鉆井液中，一般鉆屑顆粒與重晶石的當量粒度比約為1.5：1.0。按照API 重晶石標準，若使用150mm(約6″)旋流器對鉆井液進行除砂，則經底流流失的重晶石就較多，不經濟，如用細目篩和250mm(約10″)、300mm(約12″)除砂器較適宜。加重鉆井液的鉆屑與粘土的體積含量比控制較嚴，不宜超過2：1。在非加重鉆井液的最優(yōu)化鉆進方案中，可放寬到3：1，若經濟上可行，還可放寬到4.5：1。在非加重鉆井液中，主要是清除較粗固相。而在加重鉆井液中，還要控制膠體固相，有時還要進行除氣工作。重晶石在使用過程中和鉆屑一樣，要不斷的細化，甚至細化到膠體范圍。若不加處理。鉆井液性能就會惡化。加重鉆井液的固控，有全流固控和部分流固控，后者用以降低鉆井液中的劣等膠體固相和可溶性鹽類，也用于重晶石的回收。用于部分流固控的設備有螺旋式離心機，篩筒離心機和50mm(約2″)或75mm(約3″)旋流器。篩筒離心機的進料加水量較大，為螺旋式離心機的2.5～4.0倍左右，除膠體率為其一半左右，重晶石回收率略低，但其回收重晶石的底流呈液態(tài)，可以直接回收到循環(huán)系統(tǒng)中去。旋流器的進料加水量為螺旋式離心機的4～8倍左右，除膠體率略低，最高重晶石回收率為螺旋式離心機的3/4 左右。對于加重鉆井液的固相控制，也有一種固控系統(tǒng)的中心設備是鉆井液清潔器，它能除去大部分鉆屑而回收鉆井液中的液相和大部分重晶石。需要說明的是，在固相控制系統(tǒng)的設配匹配中，篩選設備和離心沉降設備都應按鉆井液的最大流量來匹配，但離心機除外，它一般只能處理1/10左右的流量。

3、 鉆井液固相控制工藝及原理

 

 

　　圖 2-27 加重鉆井液固控系統(tǒng)

圖 2—27 為加重鉆井液固控系統(tǒng)的典型流程圖，從井口返回的鉆井液經過振動篩(雙層篩)，除去大尺寸的鉆屑。振動篩的底流經除氣處理后進入除砂器處理，除砂器底流被拋棄，溢流流回鉆井液罐。經除砂器處理的鉆井液通過鉆井液清潔器后分為兩股液流：一般為低密度溢流，它返回鉆井液循環(huán)系統(tǒng);另一股為高密度的底流，它經過一個超細目振動篩的再次篩選，使重晶石及有用液相返回鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，而將大部分砂粒

除去。雖然經過鉆井液清潔器處理后，大部分有害固相已被清除，但總有一些極細的鉆屑或略小于 2 mm的膠體，會隨著重晶石通過超細目篩回到鉆井液系統(tǒng)中;或者當鉆進造漿性能很強的粘土層時，鉆井液中的膠體含量劇增，使鉆井液粘度升高，性能變壞;另外鉆井液清潔器分離的粒度受超細目篩的限制，在清除旋流器底流中的細小鉆屑的同時，也要損失少量重晶石，若過篩鉆井液中仍含有較多的細鉆屑和膠體重晶石，就需采用離心機作進一步分離，如圖2—27所示。讓離心機工作至少兩個循環(huán)是很必要的，這時，離心機的溢流被拋棄，底流回收的重晶石回鉆井液系統(tǒng)。

從圖 2—27所示的加重鉆井液固控系統(tǒng)可以看出，鉆井液清潔器是關鍵設備。另外，加重鉆井液固控系統(tǒng)在使用中應連續(xù)不斷進進行清除工作，避免鉆屑粉碎成泥或糙土，防止鉆屑在鉆井液系統(tǒng)中的積累，同時保持系統(tǒng)中應有的重晶石含量，盡量減少重晶石

和貴重液相的損失。應當注意的是不需要使用加重鉆井液鉆井的地區(qū)，固控系統(tǒng)不必考慮處理加重鉆井液的問題，而需要使用加重鉆井液鉆井的地區(qū)，固控設備的布置就應兼顧處理輕、重鉆井液。

3-1.密閉鉆井液固相控制系統(tǒng)

為了適應海上和特殊地區(qū)的鉆井要求，便于運輸和安裝，美國和前蘇聯(lián)兩國自70年代起相繼出現(xiàn)了密閉鉆井液固控系統(tǒng)，它由振動篩、旋流器、鉆井液清潔器、離心機、攪捧器和各種罐體組合而成，實行鉆井液閉路循環(huán)處理。在寒冷地區(qū)、沙漠缺水地區(qū)作業(yè)時，整個裝置需用大型金屬箱體封閉起來，這種系統(tǒng)適應性強，在許多情況下幾乎可以處理各種鉆井液，最大限度地提高了鉆井液固相控制設備的處理效率，作業(yè)時不添加鉆井液，還能維持鉆井液密度，處理能力與配用鉆機相適應，能將進入系統(tǒng)中的鉆屑清除，幾乎不補充鉆井液用水，這種系統(tǒng)最適合于缺水地區(qū)或海上鉆井作業(yè)，而且不污染環(huán)境。

在密閉鉆井液固相控制系統(tǒng)中，螺旋式離心機的底流不是被拋棄，而是送給高速離心機處理，排除的鉆屑也是比較干的。在海上鉆井時，排除的鉆屑可通過一套蒸餾系統(tǒng)，將其中的油污和水份蒸發(fā)除去后，再將處理后的鉆屑排入大海，這樣可減少污染。密閉鉆井液固控系統(tǒng)一般應配備下列設備：兩臺細目振動篩、一臺除氣器、兩臺清潔器、兩臺螺旋式離心機、一臺高速離心機，以及帶有連通孔的鉆井液罐系統(tǒng)。它包括三個主罐和兩個小儲罐，其中一個裝干鉆屑的備用罐。用于凈化非加重鉆井液的密閉安裝固控系統(tǒng)的工作流程如圖2—28所示。從井口返出的鉆井液流經排漿管，進入兩個細目振動篩;比篩網網目大的鉆屑經過振動篩排除端進入備用罐了，通過篩網孔眼的鉆井液流入l號罐，1 號罐的砂泵把鉆井液泵入除砂器。由除砂器清除的鉆屑從底流排除，再經過超細目振動篩清除的鉆屑進入備用罐5，通過篩網的液相流入4 號罐，除砂器的溢流進入2號罐。再由砂泵將2 號罐的鉆井液送到除泥器，除泥器的底流經過超細目振動篩清除的鉆屑排進備用罐5;通過篩網的液相流進4 號罐，除泥器的溢流流入3 號罐。收集在4 號罐中的鉆井液用兩臺螺旋式離心機再進行處理。離心機排出的底流，進入備用罐5，溢流(干凈鉆井液)流入3 號罐。高速離心機由3號罐提供鉆井液，底流是較干的鉆屑，直接排入備用罐5。幾乎不含鉆屑的溢流流回在用鉆井液系統(tǒng).在鉆井液出現(xiàn)氣侵的情況下，要用除氣器除去氣體，以保證密閉固控系統(tǒng)安全工作。

 

 

　　圖 2-28 非加重鉆井液的密閉固控系統(tǒng)

4、 鉆井液固相控制工藝及原理

用于凈化加重鉆井液的密閉鉆井液固控系統(tǒng)工作流程如圖2—29 所示。排漿管線和振動篩的工作方法與處理非加重鉆井液時相同，除了通過清潔器超細篩網孔眼的鉆井液進入3號罐(凈化非加重鉆井液時，鉆井液液相應流入4 號罐)外，除砂器和除泥器的工

作方式與凈化非加重鉆井液基本相同。螺旋式離心機的底流含有大量重晶石，流回3罐，重新配置成鉆井鉆井液;溢流直接流入4 號罐。高速離心機凈化來自4 號罐的液體，底流含有極細的膠體鉆屑和少量重晶石，排進備用罐，溢流流入4 號罐中，或用作

螺旋式離心機的稀釋水或返回鉆井液系統(tǒng)。這樣直接排到廢鉆井液池中的廢液和稀釋水都大為減少。密閉鉆井液固控系統(tǒng)已經在不同地區(qū)多次獲得成功的應用。在不能采用鉆井液土池、鉆井用水和配鉆井液用水受到限制、廢鉆井液需要處理的地方，特別是海上和生態(tài)

敏感的地區(qū)，采用密閉鉆井液固控系統(tǒng)，可以提高鉆井作業(yè)的效率，費用是合理的。如果不存在上述問題，就不必采用這種系統(tǒng)。

 

 

　　圖2-29 加重鉆井液的密閉固控系統(tǒng)

4-1.固相控制設備的選用

固相控制系統(tǒng)的整體布置中，固控設備的選用十分講究，應因地制宜，不局限于鉆機型號。同樣一部6000m 米鉆機，有的鉆探高壓油(氣)層，有的鉆探常壓構造，有的井下情況復雜，有的砂粒多，有的泥粒多，只能根據(jù)實際情況，選用適宜的固控設備組合才能充分發(fā)揮效益。表2—5、表2—6列出了部分固控設備的處理能力和處理的粒度范圍，以及各種鉆井液推薦采用的固控設備。

表 2-5 各種固控設備處理能力和處理的粒度范圍

 

　　盡管上述表中列出了各種固控設備的處理能力和處理的粒度范圍，以及在不同條件下，各種鉆井液固控系統(tǒng)的設備匹配方案，對我們設計和匹配鉆井液固控系統(tǒng)很有參考價值，但匹配的依據(jù)是什么?匹配是否合理?經濟性如何?這些都是需要進一步探討的問題。