鉆井液固相控制系統配套技術

肖修均，徐杏娟，張團結

（渤海裝備石油機械廠，河北任丘 062550）

0 前言

鉆井液固相控制系統（以下簡稱固控系統）是鉆機的重要配套系統，在鉆井作業中，起著儲存、調配鉆井液，控制鉆井液中的固相含量，保持、維護鉆井液優良性能，提高鉆井效率，保證井下安全的作用，是將鉆井液凈化設備、及與其相配合使用的輔助設備及流程管路等安裝在一套罐面上而組成的一套鉆井施工裝備。隨著石油勘探工業的發展，鉆井深度不斷增加，深井、超深井、水平井和欠平衡井等特殊井日益增多，這些都對固控系統提出了更高要求。

1 固控系統現狀及存在問題

近年來，振動篩和旋流器的工作原理等固相控制設備理論研究已達到或接近世界先進水平，但國產固控設備在性能、壽命方面與國外設備尚有一定差距。國外固控設備水平以美國BRANDT、SWACO、DERRICK等公司為代表，質量和性能處于世界領先水平。固控系統歷經技術引進、消化吸收和自主生產等過程，目前發展到已基本能夠滿足鉆井生產和鉆井工藝的要求，國內外的設計原理和功能基本處于同一水平線。但是國內生產廠家缺少對固控系統系統深入的理論研究，缺少科學的理論依據，只是被動的根據要求進行設計和生產，缺少規范性和科學依據。經過對比國內外同類產品性能和參照相關法律法規要求，分析總結目前國內鉆機固控系統存在以下不足。

1.1 缺少相關規范和標準的支持，用戶對固控系統的配套存在較大隨意性，對容積、配套功率、安裝擺放、流程和配套設備等性能參數缺少要求和限制，容易造成各種浪費，增加制造和使用成本。

1.2 固控系統在使用過程中未能充分發揮其功能。操作人員對設備和操作流程還存在一定誤區和認識不足，需要生產廠家和用戶共同加強相關資料的完善和培訓，使其功能最大化。

1.3 罐體尺寸不規范，生產廠家根據用戶要求生產，沒有統一標準，流程復雜、隨意性大，罐體擺放有的不合理，模塊化設計程度不夠，搬遷運輸車次較多，造成現場標準化水平較低，系統及部件互換性較差。

1.4 固控系統配備五級凈化設備，除砂泵、攪拌器等設備配套功率大，設備配合使用合理性較差。

1.5 加重泥漿無法使用離心機清除有害固相，重晶石不能進行回收。

1.6 加重泥漿需要人工操作，勞動強度大、工作效率低。

2 固控系統技術研究

2.1 國外研究概況

國外特別重視泥漿固控設備的優化配置和整個泥漿固控系統的效率評價，為此開發了泥漿固相控制專家系統。在這方面我國差距較大，開展的研究工作很少，應盡快開發針對國產泥漿固控設備的評價計算模型，開展泥漿固控系統的效益評價，研制開發適合多種工況的多功能泥漿固控配套系統，進一步推動我國固相控制工藝技術的發展，更好地為鉆井工程服務。

2.2 國內研究概況

近10年來，固控系統的設計和生產已經進入模塊化、標準化和通用化，另外針對特殊工況還有輪式固控系統、直升機吊裝固控系統、快速運移固控系統和低溫固控系統等一系列專業化產品。通過不斷改進與完善，提高了鉆井技術水平，減少了循環系統維修工作量，保證優質鉆井液的性能，減小井下事故、提高鉆速和降低成本效果顯著。目前，固控設備著重發展除砂、除泥、除氣器等占用面積小、效能高、壽命長的設備。

按照國內對固控行業發展的要求，降低成本、提高可靠性已成為未來的新趨勢。近期目標則是研究處理過大、可靠性高、分離效率高的多篩系統，減少除砂器的開機時間甚至不再使用旋流除砂器。

3 固控系統配套技術研究

3.1 加重吹灰裝置設計及研制

目前井隊鉆井液的加重作業通常采用噴射式加重漏斗，常用方法是人工袋包加重和噸包架加重，均是依靠噴射漏斗射流產生的真空吸力和重晶石的重力將重晶石粉混合到射流里，這些加重方法存在加重效率低，勞動強度高，作業時間長和加重混合不均勻等問題。如何利用井隊現有條件，提高加重效率，降低勞動強度是1個重要問題。

YLL90LG型立式加灰儲罐主要用于石油礦場現場灰料的儲備和裝卸重晶石粉，以供油（氣）田井場和施工工地使用，也可用于裝卸其他散裝粉粒物料。該罐具有操作簡便、下灰速度快、加重均勻、剩灰率低、存儲量大、便于安裝等特點，全部加重作業僅需井隊提供壓縮空氣氣源，1～2人進行準備和操控工作即可。該罐主要由罐體、底座、進料裝置、卸料裝置、進氣裝置、排放裝置、氣化裝置和總氣室等組成。罐體為圓柱形，上封頭采用橢圓形封頭，下封頭采用60°錐形封頭，下封頭均勻分布氣化室，采用下進氣結構。氣化室采用該種結構大大增加了進氣量，使灰料氣化充分，并且下灰均勻，流動速度快。

YLL90LG型立式加灰儲罐為氣力輸送，即借助流化裝置，以壓縮空氣為動力，使壓縮空氣透過氣化床，將儲料罐內的灰料逐漸成流態化，流化態的灰料經進灰管口進入罐內，再經出灰管口通過操做碟閥來控制出灰量（出灰管上裝有助風掃氣裝置，以排除堵塞）。既可利用罐內、外壓差將灰料排出儲料罐，還可通過該罐自帶的稱重計控制出灰重量。加重操作方法：①所有的閥門應處在關閉狀態。②將立罐出料管與加重漏斗接口用膠管連接。③啟動空壓機，使其工作在額定轉速，當氣壓達到額定工作壓力時，打開空壓機出氣球閥，氣流經進氣管閥門進入立罐，把罐內的粉料，利用壓縮空氣及立罐的氣化裝置，使粉料成流態。④粉料成流態時打開立罐的出料碟閥，將粉料送入噴射漏斗。⑤掃灰，出料完畢，均應將出灰管中殘存的灰料清掃干凈；可打開罐體上的掃灰管閥門，用壓縮空氣將管線內殘存的灰料清掃干凈，以便下次使用。

在研究YLL90LG型立式加灰儲罐的基礎上還擴展了加重漏斗裝置的應用，申請了新型實用專利。該實用新型專利涉及一種加重漏斗組件，包括噸包架、加重漏斗、氣動加重吹灰裝置和手動自吸吸灰及吸液裝置。噸包架正對加重漏斗處還設置有通孔，通孔的上方固定有插刀。氣動加重吹灰裝置升高短節上設置有由壬母接頭，該裝置通過設置在進灰膠管上的由壬公接頭與由壬母接頭相連接。手動自吸吸灰及吸液裝置包括依次連接的吸頭、膠管及由壬公接頭，該裝置的由壬公接頭與所述氣動加重吹灰裝置升高短節相連接。該加重漏斗組件具有結構簡單、設計合理、安裝及操作方便快捷，用量精準且工作效率高，改善了鉆井液質量，降低了添加材料的用量，大大地降低了工人的勞動強度，同時利于現場環保作業。加重漏斗組合示意見圖1。

圖1 加重漏斗組合示意圖

3.2 攪拌器節能控制的研究和利用

固控系統設備配置功率隨著鉆井深度的增加不斷增大，固控系統設備配置功率的增加不僅對鉆機動力提出了更高要求，也不斷提高了井隊的能源成本。結合固控系統處理鉆井液的特點，降低能源消耗成為研究對象。

鉆井液五級凈化設備經過20年的不斷改進，配置功率基本穩定，在使用方法上也比較成熟，改進的有效性不大，把研究目標鎖定在了配置數量多，占用固控系統功率接近一半的攪拌器上。通常在10～12 m長度罐體上配置3臺15 kW攪拌器，也配置過3臺11 kW攪拌器和兩臺15 kW攪拌器。通過信息反饋，配置兩臺15 kW攪拌器的罐體攪拌效果不夠均勻，攪拌器負荷較大且容易損壞，配置3臺15 kW攪拌器的攪拌效果很好，配置過3臺11 kW攪拌器在ZJ50及以下鉆機的使用效果較好。由于ZJ70以上鉆機固控系統泥漿的密度及粘度較大，曾出現過11 kW攪拌器過載損壞電機的情況。最后確定ZJ70以上鉆機固控系統單個10～12 m長度罐體上配置3臺15 kW攪拌器，ZJ50及以下鉆機固控系統單個10～12 m長度罐體上配置3臺11kW攪拌器。

3臺攪拌器的攪拌效果很好，若將3臺攪拌器的工作方式改成間歇運轉而又不影響攪拌效果，就能起到很好的節能效果。經過查閱國內外相關資料，發現鉆井液在固控罐中攪拌良好的情況下，4～6 h發生明顯沉淀，0.5～1 h鉆井液的性能不發生明顯變化。為了保證鉆井液保持良好的攪拌效果，將渤鉆二ZJ40L固控系統的3#～5#罐，塔鉆ZJ80DB固控系統3#～10#罐的攪拌器的間停時間定為30min，單個罐上始終保持兩臺攪拌器運轉。

ZJ40L固控系統的3#～5#罐共9臺11 kW攪拌器，無間停裝置時，每天消耗功率為9×11×24=2376 kW；有間停裝置時，每天消耗功率為6×11×24=1584 kW，每天節約功率為792 kW，按照每年運轉260天計算，可節約功率205920 kW，節約效果可觀。

同理，塔鉆ZJ80DB固控系統的節約效果也較為可觀。

3.3 重晶石回收技術

固控循環系統常用的加重材料是重晶石粉，以BaSO4為主要成分，密度達到4.2 g/cm3，粉末細度要求通過200目篩網時的余量小于3%（API對于重晶石的規定：小于74 μm粒度的應占97%，其中小于44 μm粒度的應占94%），重晶石粉一般用于加重密度不超過2.4 g/cm3的水基和油基鉆井液。采用機械處理方法，優化設備參數即可方便的處理各種類型的加重材料，并可對加重材料進行回收再利用。

以前的固控系統配備兩臺中速離心機，雖然處理非加重泥漿時起到重要作用，但對于處理加重泥漿時就會因浪費大量的重晶石不能發揮作用。若不對加重鉆井液的有害固相進行處理，鉆井液的粘度及切力的變化超出鉆井的允許范圍，當粘度、切力過大時，會造成鉆井液的流動阻力大，能量消耗高，鉆速慢，固控設備凈化不良，易引起井下復雜事故；當粘度、切力過小時，也會造成洗井不良，井眼凈化差，沖刷井壁加劇引起井塌，巖屑過細影響錄井等。根據固相顆粒及固相處理設備的處理特點，設計了加重鉆井液的處理方法，使用兩臺變頻離心機替代兩臺中速離心機，并對離心機的工作流程進行了重新設計。

上述優化設計方案應用在ZJ40及ZJ80固控系統后，通過用戶現場使用狀況反饋，數據采集整理發現兩套固控系統均在工作中很好保證了鉆井液使用質量，保障了鉆井順利進行。