兩級凈化固控系統應用分析

張虎山，周天明，惠川川，春 晨，王福貴

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721002）①

石油天然氣鉆井開采過程中，鉆井液的凈化流程多年來采用四級凈化設備，即振動篩、除砂器、除泥器、離心機。近年來，隨著第1級凈化性能、鉆井液性能的提高，出現了“振動篩+離心機”的兩級凈化方案［1-3］。為保證鉆井泵的使用壽命，鉆井泵吸入的鉆井液中不能出現大于API砂的固相顆粒。若要全井段實現兩級凈化，其中第1級凈化顯得尤為重要。國內外性能優越的第1 級凈化設備主要有DERRICK HYPERPOOL 4P 振 動 篩、GX／S 雙 軌跡振動篩、S610雙層變軌跡振動篩、MUDCUBE 固液分離裝置、長框傳輸型振動篩等，通過優化固控系統流程，兩級凈化方案在中東地區、國內油田得到推廣應用。

1 技術方案

1.1 固控系統布局

中國石油7 000 m 自動化鉆機全面配套兩級凈化固控系統，固控系統成“L 型”布局，如圖1所示。鉆機配套的鉆井液罐進行標準化設計，根據使用地區道路的差異性，有3種不同罐體尺寸的技術方案。雖然罐體尺寸有差異，但是配置的凈化設備相同，即“雙軌跡振動篩+中高速離心機”。

圖1 固控系統布局示意

1） 方案1。采用單罐容積50 m3，罐體尺寸為8.6 m×3 m×2.4 m，鉆井液罐數量為8臺，系統容積為315 m3。

2） 方案2。川渝地區采用單罐容積50 m3，罐體尺寸為8 m×2.6 m×2.45 m，鉆井液罐數量為8臺，系統容積為309 m3。

3） 方案3。采用單罐容積70 m3，罐體尺寸為12.6 m×3 m×2.4 m，鉆井液罐數量為6臺，系統容積為348 m3。

1.2 技術參數（川渝地區）

固控系統容積 309 m3

泥漿槍額定工作壓力 6.4 MPa

清水管線額定工作壓力 0.6 MPa

鉆井液凈化處理量 240 m3／h

鉆井液混合處理量 240 m3／h

1.3 凈化系統流程

鉆井液從井筒環空通過回流管返回到分配器，分配器均勻地給4臺振動篩供液，避免“跑漿現象”，安裝超細篩網后的振動篩可以清除至少74μm 的鉆屑，鉆屑排出到罐外，鉆井液進入到沉砂倉沉淀。經過沉淀后的鉆井液高位進入到除氣倉，通過除氣器處理后，進入到離心機倉。若為非加重鉆井液，中速離心機處理完離心機倉的固相直接拋棄；若為加重鉆井液，中速離心機處理完的固相還需回收再利用，固相進入重晶石回收系統，經過均勻混合后再次進入鉆井液罐。中速離心機處理后的液相進入到過渡罐中，經過高速離心機的再次處理，對固相含量、鉆井液的黏度進行控制，最終進入鉆井液罐，實現完整的凈化流程。

2 關鍵設備

2.1 DERRICK HYPERPOOL 4P振動篩

2.1.1 技術參數

運動軌跡為直線型，篩網面積為2.81 m3（PMD+篩網），電機功率為2×1.87 k W，篩箱傾角2～8°，適用篩網目數為35～325 目，處理量238 m3／h（密度1.29 g／cm3，篩網API 170目條件下），外形尺寸為3 013 mm×1 829 mm×1 770 mm，質量為1 637 kg。

2.1.2 主要特點

1） 采用棱錐式篩網，鉆井液過網面積增大。

2） 采用單邊棘輪式壓緊結構，更換篩網非常便捷，更換篩網時間≤45 s。

3） 噪聲≤82 d B（A）。

2.2 GX／S雙軌跡振動篩

2.2.1 技術參數

運動軌跡為直線和平動橢圓，篩網面積為2.73 m3，電機功率為2×2.11 k W+1 k W，篩箱傾角-1～3°，振幅≤6.8 mm，適用篩網目數為80～320 目，處理量216 m3／h（密度1.16 g／cm3，黏度45 Pa·s條件下），外形尺寸為3 144 mm×1 680 mm×1 300 mm，質量為2 130 kg。

2.2.2 主要特點

1） 可以實現直線和橢圓振動軌跡轉換。可根據現場生產需要來變換振動篩的運動軌跡，在砂巖地層鉆進時，采用直線振動軌跡，使篩面的砂粒運移速度快，處理量大；在泥巖層時，含砂量降低，黏度增高，砂粒細，采用橢圓振動軌跡，延長砂粒分離時間，減少鉆井液的損失量，避免了“糊篩”現象，滿足復雜鉆井作業的要求。

2） 篩箱升降調整裝置能快速調整篩箱的角度。

3） 單篩采用3臺防爆激振電機，性能優越可靠，結構緊湊、維護簡單、使用壽命長。

4） 減振彈簧采用橡膠復合簧，使用壽命長，振動平穩，噪聲低。

5） 電氣控制系統采用隔爆型短路、斷相、過載保護開關。

6） 采用快卸式楔形塊壓緊結構，可以快速更換篩網。

7） 篩網面積大，凈化程度高，最大目數可達320目，能清除47μm 以上的固相顆粒。

2.3 MUDCUBE固液分離裝置

2.3.1 技術參數

耗氣量4.95 m3／min，功率1 k W+11 k W，處理量180 m3／h，適用篩網目數為50～325目，鉆屑含油率≤10%，鉆屑含水率≤40%，外形尺寸2 657 mm×2 142 mm×1 788 mm，質量1 670 kg。

2.3.2 主要特點

1） 機械分離技術。采用空氣刀技術，機械分離鉆井返排鉆屑，對水基鉆井液和油基鉆井液都能很好的處理，徹底解決水基鉆井液鉆屑固液分離效果差，鉆屑后處理環保壓力大的問題。

2） 空氣激振技術。采用微振動技術，由壓縮空氣激發振動系統，全密封，降低噪聲和蒸汽量，提高環保水平。

3） 真空負壓技術。采用負壓原理，提高鉆井液還原度，在減少鉆井液消耗量的同時減少了廢液產生量，降低鉆井泵和鉆頭的磨損，從而降低成本。

4） 改善作業環境，噪聲約為70 dB（A），而傳統振動篩噪聲為85 dB（A）［4］；整體密閉式結構，作業環境干凈、整潔。

5） 采用負壓原理提高鉆井液還原度，在減少鉆井液消耗量的同時減少了廢液產生量，降低鉆井泵和鉆頭的磨損，從而降低成本。

2.4 S610雙層變軌跡振動篩

2.4.1 技術參數

運動軌跡為橢圓，振幅≤7 mm，電機功率2×3.65 k W，篩網面積6.1 m3，篩箱傾角-1～3°，處理量360 m3／h（在 篩 網60 目 條 件 下），外 形 尺 寸2 920 mm×1 800 mm×1 925 mm，質量2 800 kg。

2.4.2 主要特點

1） 篩網面積達到6.1 m2，處理量是常規振動篩的2倍。

2） 特殊的變橢圓軌跡運動，可以在進液端提高鉆井液透篩率，排砂端使固相平滑滾動更容易被分離。

3） 采用氣囊壓緊篩網技術，提高篩網更換效率，8張篩網更換時間為5 min。

2.5 長框傳輸型振動篩

2.5.1 技術參數

最高使用篩網260目，振動長度19.8 m（3臺串聯），外形尺寸（長×寬）為5.8 m×0.6 m，鉆屑含水率≤32%。

2.5.2 主要特點

1） 常規振動篩固液篩分長度為L1=0.7×L（L 為篩網總長度）。長框傳輸型振動篩改變了傳統振動篩并聯布置方案，采用長框串聯模式，相同篩網面積，處理能力提高5～7倍，鉆井液固相清除能力大大提高［5］。長框傳輸型振動篩的篩分流程如圖2所示。

2） 處理后的鉆屑含水率大幅降低，減少了固化劑的使用量。長框傳輸型振動篩在長慶油田應用效果如表1［5-6］。

圖2 長框傳輸型振動篩篩分流程

表1 長框傳輸型振動篩應用效果

3 性能分析

3.1 有效容積增加

雙軌跡振動篩、雙層篩網、加長篩網、負壓等技術其目的都是提升凈化性能。單臺處理量達到200 m3／h以上，使用超細篩網后，鉆井液中固相顆粒不超過74μm，第1級處理完的鉆井液直接進行除氣處理，取消了常規沉砂倉。7 000 m 鉆機在鉆井液罐數量相同的情況下，使用兩級凈化，可增加固控系統有效容積約30 m3，提高了鉆井安全系數。兩種凈化方案性能對比如表2。

表2 7 000 m 鉆機兩級凈化與四級凈化性能對比

3.2 投資、運行成本降低

取消除砂器、除泥器、75 k W 除砂泵、75 k W 除泥泵等設備，減少了設備第1次投入資金約￥30萬元；同時減少了設備的維護保養、搬家運輸車次。兩級凈化替代四級凈化，鉆井液處理流程簡單，減少了井場占地面積和操作人員工作量。

3.3 有效回收鉆井液

7 000 m 鉆機鉆1口井產生約2 000 m3的含液鉆屑，常規四級凈化振動篩處理后的含水為70%，而大容量固液分離設備處理后的含水為為40%，鉆井液費用按1 200元／m3計算，可節省鉆井液費用￥72萬元。鉆井液運費按0.32元·t／km、路程按300 km、鉆井液密度按1.15 g／cm3計算，1口井鉆井液運費節省￥6.62萬元。合計減少費用￥78.62萬元。

3.4 系統能耗降低

1臺清潔器（除砂器、除泥器）的功率為4 k W，2臺離心泵的功率為150 k W，電費按照自發電2.2元／k W 計算，1口井按60 d、每天工作12 h計算，累計節約電費￥24.4 萬元，與常規四級凈化固控系統相比，減少能耗25%。

3.5 有效回收重晶石

重晶石回收裝置（如圖3）解決了常規固相直接進入鉆井液罐結塊而無法均勻混合的現象，采用雙離心機系統，可以通過變換閥門控制，既可在非加重鉆井液條件下清除大于2μm 的固相，又可在加重鉆井液條件下回收7～74μm 的有用重晶石。

圖3 重晶石回收裝置

兩臺離心機集成在一個橇上，配置離心機供液泵、重晶石回收泵、漏斗、收集罐及配套管路，形成一套獨立的重晶石回收裝置。重晶石回收裝置采用集成設計、升降式結構，運輸時上平臺整體下降，整個模塊滿足道路運輸高度要求。離心機供液泵與中速離心機倉及高速離心機倉通過膠管連接。重晶石回收裝置設置安全欄桿，運輸時不拆卸。重晶石回收裝置外形尺寸為8 000 mm×2 400 mm×2 400 mm。配套鉆井液處理設備有2臺SB4×3-7.5k W型砂泵，1臺SB6×5-37k W 型砂泵，1臺混合漏斗。

4 應用分析

4.1 寶石機械ADNOC DRILLING 項目

ADNOC DRILLING 項目從2010—2015 年已經實施了3個批次，共有39套鉆機在阿布扎比成功應用了兩級凈化方案，其中5 000 m 鉆機34 臺，7 000 m鉆機5臺。該項目中仍保留了沉砂倉，不過沉砂倉的容積很小，僅為8 m3。在阿布扎比油區，每口井采用水基鉆井液和油基鉆井液，正常情況采用水基鉆井液鉆井，在三開作業時，使用3～5 d的油基鉆井液。在水基鉆井液作業時，4臺HYPERPOOL 4P型振動篩處理后的鉆井液進入沉砂倉，沉淀后高位進入除氣倉，進行后續處理；在油基鉆井液作業時，不使用沉砂倉，振動篩處理完后的鉆井液通過鉆井液渡槽進入到儲備罐，然后用F-1600E 型鉆井泵直接吸入，泵入井內，這就要求鉆井泵能夠吸入4個儲備罐中任何隔倉的鉆井液。

阿布扎比油區兩級凈化固控系統主要特點有：①油基鉆井液和水基鉆井液流程設計合理，在不同工況下切換方便；②雙流程設計，即混合泵的吸入和排出管線都有兩路管線，鉆井泵的吸入也是兩路管線，滿足不同性能鉆井液的配比［7-8］。③零排放設計，使用油基鉆井液后清罐方便，鉆井液進入零排放管線統一收集；鉆屑通過螺旋輸送機統一收集，再統一運輸到集中處理站處理，不會對鉆井現場造成污染。兩級凈化固控系統在阿布扎比油田的作業現場如圖4。

圖4 阿布扎比油區兩級凈化固控系統

4.2 渤海鉆探冀中油田項目

2016—2017年，渤海鉆探工程有限公司在冀中油田高9-20X、岔30-201X、岔30-202X、高661、高661X、澤43-13X 井完成了6 口井的兩級凈化固控系統現場試驗，最終獲得成功。2017-08，在澤冀中油田43-13X 井，采用“S610雙層變軌跡振動篩+離心機”的兩級固控模式，4臺雙層振動篩安裝180～230目篩網，凈化能力達到鉆井液清潔器的凈化能力［1］；并具有材料添加混合、鉆井液存儲、鉆井泵吸入、鉆井液補給等流程。冀中油田兩級凈化固控系統應用效果如表3。

表3 冀中油田兩級凈化應用效果

冀中油田兩級凈化固控系統主要特點有：①固相控制和環保處理融合設計，減少設備投入；②雙層變軌跡振動篩的使用，減少了固相中液相的含量，減輕了環保處理的壓力。冀中油田兩級凈化固控系統作業現場如圖5所示。

圖5 冀中油田兩級凈化固控系統作業現場

4.3 中國石油7 000 m 自動化鉆機項目

中國石油7 000 m 自動化鉆機項目固控系統采用兩級凈化“雙軌跡振動篩+中高速離心機”方案。截止2019-08，在新疆吉木薩爾、青海花土溝、新疆克拉瑪依、甘肅慶城、陜西靖邊、遼寧沈陽、河北滄縣、黑龍江大慶等地進行鉆井作業，累計進尺約30 000 m。

中國石油兩級凈化固控系統特點主要有：①采用圓弧形罐底，防止罐內死角沉砂；矩形罐面結構，便于布置罐面設備［9-10］；②灌注泵、混合泵吸入管線布置在外側，最大程度地減少罐內管線，便于清砂；③采用重晶石回收裝置，有效回收重晶石，減少了材料的浪費。圖6所示為固控系統在大慶油田的作業現場。

圖6 中國石油兩級凈化固控系統

5 結論

1） 兩級凈化固控系統中，第1級凈化設備的選用最為重要，其性能直接影響系統性能，應至少滿足200目篩網的使用要求。

2） 兩級凈化固控系統可取消沉砂倉或者采用小容積沉砂倉，增加了系統有效容積，7 000 m 鉆機可增加有效容積約30 m3。

3） 兩級凈化固控系統取消了除砂器、除泥器，大幅降低了固控系統整體投入成本、運行成本以及運輸成本，簡化了鉆井液凈化流程。

4） MUDCUBE 固液分離裝置的性能優于常規振動篩，國產化后有較好的市場前景。

5） 重晶石回收裝置可有效增加鉆井液中重晶石的混合效率，節省了重晶石的投入成本。