重晶石回收系統評價體系研究與應用

彭云濤， 李文濤， 胡金喜， 李佳琪

（1.長城鉆探鉆井液公司四川頁巖氣項目部，四川威遠642450；2. 長城鉆探鉆井液公司技術中心，遼寧盤錦124000）

長城鉆探鉆井液分公司四川頁巖氣項目在長期現場實踐過程中逐漸形成了四級凈化設備體系，即：三臺振動篩+除砂除泥一體機+中、高速離心機。鉆井液中的無用固相絕大部分是2～74 μm的鉆屑，振動篩和一體機用以除去細顆粒（44～74 μm）及以上無用固相，而離心機用以除去特細顆粒（2～44 μm）與膠體顆粒（＜2 μm）范圍內無用固相[1-5]。在現場鉆井液維護過程中，保證振動篩和一體機的合理、正常的使用（及時更換篩網），即可對粗、細顆粒的無用固相進行高效分離；然而對于更小顆粒度的固相，振動篩和一體機很難把它們除去，而這些有害固相對高密度鉆井液流變性、濾失性能、濾餅質量等都有明顯影響[6-12]，因此第四級固控系統——雙離心機系統就顯得至關重要。然而在現場使用過程中，缺乏相關的評價方法，嚴重影響了該系統的高效運行。

1 重晶石回收系統概述

1.1 重晶石回收系統的組成與基本參數

重晶石回收系統是由中、高速離心機組成的雙離心機系統，主要應用于頁巖氣井三開鉆井的高密度油基鉆井液的維護。重晶石回收系統體系作業流程是：高密度油基鉆井液經過振動篩、一體機后進入2#罐，再通過供液泵進入中速離心機，經過中速離心機分離后，底流返回2#罐回收重晶石，溢流進入集液罐（3#的獨立隔艙）；集液罐內鉆井液通過供液泵進入高速離心機分離，底流排出，被凈化后的溢流鉆井液重新進入循環系統。

1.2 重晶石回收系統的基本原理

鉆井液是固液兩相流體。固相顆粒在液體中主要受到向下的重力G以及向上阻力f（如浮力、黏滯阻力等）的合力，而離心機為固相顆粒增加一個向下的離心力，加速沉降過程，從而達到固液分離的效果，適用于離心機的離心力公式如下[13]。

式中，Fr為分離因數；ω為離心機轉鼓角速度，s-1；R為離心機轉鼓內半徑，m；g為重力加速度，m/s2。分離因數Fr是離心機運轉時的內在屬性，由運轉離心機的轉速（角速度）和轉鼓內半徑決定。因此，對于確定參數的離心機，其離心力與角速度的平方ω2和固相顆粒所受重力G正相關，即：F∝ω2·G。隨著離心機角速度（轉速）的增加，鉆井液中的固相受到的離心力呈幾何倍數增加，逐漸被沉降，分離出來。

2 組分分析與低密度固相分離效率的評價

2.1 組分分析

對于雙離心機系統，分離液包括：中速離心機溢流、底流，高速離心機溢流、底流。由于分離液的組分構成與入口鉆井液組分構成一致，因此油基鉆井液組分分析的方法同樣適用于離心機分離液。油基鉆井液現場的組分分析，通常是利用標準《GB/T 16783.2—2012石油天然氣工業鉆井液現場測試 第2部分：油基鉆井液》中給出的組分計算公式，計算出的4種組分包括油、鹽水（CaCl2水）、加重劑（重晶石）以及低密度固相。

2.2 離心機底流分離效果分析

底流是離心機分離出固相的主要出口，固相含量較高，在離心力的作用下，鉆井液中的固相顆粒快速沉降，最終被分離，然而沉淀過程中，固相顆粒被鉆井液黏附、包裹，最后同固相顆粒一起分離出來，這些附著在鉆井液中的固相，包括重晶石和低密度固相的存在，直接影響了對離心機分離效果的判斷。因此需要把這部分鉆井液體積比計算出來，把對應的重晶石、低密度固相按比例剔除，得到真實的被離心機分離出的固相比例。黏附出的鉆井液以及相關低密度固相、重晶石體積比計算方法如下式所示。

式中，φmud（L/H）為中/高速離心機底流黏附的鉆井液占總底流體積比，%；φmudlg（L/H）為中/高速離心機底流黏附的鉆井液中低密度固相占總底流體積比，%；φmudB（L/H）為中/高速離心機底流黏附的鉆井液中重晶石占總底流體積比，%；φo（mud）為鉆井液中油的體積比，%；φsalt（mud）為鉆井液中鹽水體積比，%；φo（L/H）為中/高速離心機底流組分分析中油的體積比，%；φsalt（L/H）為中/高速離心機底流組分分析中鹽水的體積比，%；φlg（mud）為中低密度固相占鉆井液體積比，%；φB（mud）為重晶石占鉆井液體積比，%。

最后，離心機真實分離出的重晶石和低密度固相的體積比可按照下式求得：

式中，φcentrifugelg（L/H）為中/高速離心機底流中被分離出的低密度固相的體積比，%；φcentrifugeB（L/H）為中/高速離心機底流中被離心機分離出的重晶石的體積比，%。

離心機底流的評價要求是：對于中速離心機，其作用一是回收重晶石，二是將低密度固相保留在溢流中，因此中速離心機的底流中φcentrifugelg（L/H）越低越好；對于高速離心機，其作用是盡可能多的分離出固相，因此高速離心機的底流中φcentrifugelg（L/H）越高越好。

2.3 離心機溢流分離效果分析

鉆井液經中/高速離心機分離液相成為溢流。由于鉆井液經過離心機的分離后體積有變化，離心機溢流與鉆井液2者的組分分析沒有可比性。因此，把中/高速離心機溢流利用加重公式加重至鉆井液密度后，重新計算低密度固相體積比，然后用低密度固含的變化率作為雙離心機系統對低密度固相的分離效率。中/高速離心機溢流鉆井液經過加重后低密度固相含量的計算式如式（8）。

式中，φlg’（L/H）為中/高速離心機溢流鉆井液加重后低密度固相體積比，%；φlg（L/H）為中/高速離心機溢流鉆井液低密度固相體積比，%；ρof（L/H）為中/高速離心機溢流（overflow）鉆井液密度，g/cm3；ρwm為加重劑即重晶石密度，現場采用密度為4.3 g/cm3的重晶石；ρs為鉆井液密度，g/cm3。

用低密度固相的變化率作為分離效率△φlg，如式（9）。

式中，φlg（mud）為鉆井液中低密度固相體積比，%。

離心機溢流的評價要求是：對于中速離心機，△φlg越低說明鉆井液中的低密度固相沒有隨重晶石分離出去而大多都留在了溢流中；對于高速離心機，△φlg越高說明低密度固相被分離出去，鉆井液得到了凈化。

3 重晶石回收系統的現場評價

該次實驗選擇在威204H7平臺6#的水平井段，三開全井段使用高密度油包水鉆井液，水平段鉆井液性能測試與組分分析結果見表1。

表1 威204H7-6井鉆井液性能與組分分析（ρ=2.11 g/cm3）

3.1 中速離心機的分離效果分析

實驗將離心機轉數調整在2 200 r/min，測試溢流和底流的性能，然后進行組分分析，最后進行分離效果分析，結果如表2。

表2 中速離心機2 200 r/min溢流、底流分析（ρ=2.11 g/cm3）

由表2可以看出，底流有3.2%的低密度固相被分離回收；溢流中低密度固相損失了20.74%；從以上分析得知，中速離心機在回收重晶石時，回收了一部分鉆井液中的低密度固相，造成只有79.26%的低密度固相進入溢流，沒有滿足中速離心機分離要求。離心機產生的離心力過大，需要降低離心機轉速，提高中速離心機的分離效果。

實驗將中速離心機轉數由2 200 r/min降低至2 000 r/min，同樣對溢流和底流進行性能測試、組分分析以及分離效果分析，結果如表3。由表3可以看出，底流只有0.15%低密度固相是由離心機分離出，含量很少；溢流只有0.41%的低密度固相沒有進入溢流中，這有利于提高高速離心機的分離效率。

表3 中速離心機2 000 r/min溢流、底流分析

根據以上對中速離心機的調整和分析，可以看出，2 000 r/min的分離效果優于2 200 r/min。實驗中隨著離心機轉速的提高，重晶石和低密度固相所受到的離心力差距迅速增大。當離心機轉速為2 000 r/min時，重晶石被大量分離出來，而低密度固相受到的離心力相對較小，還不足以被分離出來，那么2 000 r/min就是中速離心機要求的最大轉數，在該轉數下，重晶石被回收，而低密度固相和少量重晶石被保留在溢流中。繼續提高至2 200 r/min或者更高，離心力過大使得一部分低密度固相也被分離出來，直接影響了下一步對低密度固相的分離。

3.2 高速離心機的分離效果

高速離心機的作用是分離固相，包括重晶石和低密度固相，以達到凈化鉆井液的作用。現場使用的LW355X1257BP-N型離心機最高轉速為2 805 r/min（工頻50 Hz），在該轉速下對高速離心機的溢流和底流進行評價，結果見表4。由表4可以看出，高速離心機底流中低密度固相φlg（H）占比很高，鉆井液對應的低密度固相只有5.46%，即有41.45%是高速離心機分離出來的；而通過溢流計算出的分離效率△φlg也就是整個重晶石回收系統的低密度固相分離效率為61%，效果明顯。

表4 高速離心機2 805 r/min溢流、底流分析

4 結論

1.重晶石回收系統是長城鉆井液四川頁巖氣項目在現場三開油基鉆井液期間重要的第四級固控設備，2臺中速、高速離心機相互配合，回收重晶石、分離低密度固相。

2.利用現場油基鉆井液組分分析的方法去分析雙離心機系統各出入口的分離液，并給出了公式，確定了溢流、底流分離效果分析評價的方法。

3.在威204H7-6井進行試驗，運用性能測試、組分分析、分離效果分析的3步評價方法，對中速離心機2種轉速進行了對比分析，結果說明2 000 r/min效果要好于2 200 r/min；對高速離心機在最高轉速條件下進行了評價工作，低密度固相的分離效率為61%。