高密度油基泥漿串聯離心機固控系統設計分析

鄭德帥

(中國石化石油工程技術研究院，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定的必要技術條件[1]。油基泥漿經過重復使用后會逐漸老化，主要是黏度大、流動性差，破乳電壓難以穩定，井壁失穩風險高，起下鉆摩阻力大，機械鉆速降低[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致密度下降，且成本高[8-10]。

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

針對離心機組的技術難題，設計了低速-高速離心機串聯泥漿固控系統，優化高、低速離心機轉速等參數，使低速離心機作為高速離心機的預處理模塊，極大地提高了高速離心機的處理能力，實現了重晶石粉的回收，單井降低含油固廢的處理量為38.6%。該系統已經在中石化南川頁巖氣工區推廣應用。

1 離心機串聯系統設計

目前，鉆井液經過振動篩(處理粒徑大于50 μm)處理后分別進入高、低速離心機進行固相分離。高速離心機可分離出粒徑為1～50 μm的固相，低速離心機可分離出粒徑為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入循環系統，實現重晶石粉的回收利用。高速離心機的分離理粒徑范圍更寬，但容易堵塞，現場經常無法使用，導致低于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。

針對高速離心機的堵塞問題，設計了高、低速離心機串聯結構和相應的配套結構。主要流程為鉆井液從振動篩處理后，先進入低速離心機將10～50 μm粒徑固定分離，再進入高速離心機進行1～10 μm粒徑固相的分離。由于高速離心機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的效率。

設計的低速-高速串聯離心機固控系統的流程如圖1所示。由于低速離心機處理能力低于振動篩的處理能力，高速離心機處理能力小于低速離心機的處理能力，在管路中設計了調節液量的球閥和獨立隔艙，解決振動篩、高低速離心機、低速離心機處理能力不匹配的問題。帶有球閥的三通可調節離心機進液量，防止溢流或堵塞。低速離心機處理過的油基泥漿進入二級分離隔艙，通過控制高速離心機的進液量，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，低速離心機處理的油基泥漿量長時間大于高速離心機時，泥漿會自動溢出至泥漿罐中。

1-有害固相;2-高速離心機;3-低速離心機;4-低速離心機供液離心泵;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-高速離心機供液離心泵;11-處理后的鉆井液。圖1 低速-高速離心機串聯固控系統流程圖

2 離心機參數優化

2.1 離心機分離規律

離心機是利用離心力來加速固相顆粒的運動，從而使固相顆粒與液體分離。固相旋轉時產生的離心力為：

F=mRω2

(1)

式中：F為固相顆粒的離心力，N；m為固相顆粒的質量，kg；R為固相顆粒的旋轉半徑,m；ω為固相顆粒的旋轉速度，rad/s。

依據巖屑滑落速度公式可推導出帶有離心力的固相顆粒滑落速度[8]：

(2)

式中：vs為固相顆粒的運移速度，m/s；d為固相顆粒的直徑，mm；ρr為固相顆粒當量密度，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。

根據某型常用低速離心機的尺寸，以及進液量等參數，可計算出鉆井液在低速離心機內的滯留時間。當固相顆粒運移至離心機轉鼓內壁時間小于滯留時間時，則認為此粒徑的固相顆粒可以被分離出來。

圖2中的計算結果表明，離心機轉速越高，可分離出更小粒徑的固相，相同轉速條件下，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，相同轉速條件下產生更大的離心力，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，當離心機轉速為1 000 r/min時，可分離的重晶石和巖屑的粒徑分別為13、17 μm，轉速越高兩者越接近，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 不同固相的轉速-分離粒徑曲線

泥漿密度對于離心機轉速-分離粒徑曲線會產生影響(如圖3)，相同轉速條件下，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生的粘滯力較小，相同轉速條件下重晶石顆粒更容易被分離出來。離心機轉速越高，泥漿密度的影響對分離粒徑的影響越小，轉速超過2 500 r/min的高速離心機基本不用考慮泥漿密度的影響。

圖3 不同泥漿密度的轉速-分離重晶石粒徑曲線

2.2 離心機分離試驗

為了驗證和校正理論計算的離心機轉速-分離粒徑曲線，取南川頁巖氣某井的油基泥漿進行分離測試，未處理前泥漿密度1.6 g/cm3，塑性黏度35 mPa·s。

測試結果顯示，鉆井泥漿進入離心機后，由于部分固相被分離，密度降低，轉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利用。

表1 不同離心機轉速的固相分離數據

重晶石粉大部分粒徑為10～50 μm，根據計算的曲線(如圖2)，粒徑10 μm的重晶石分離轉速約為1 300 r/min，粒徑10 μm的巖屑顆粒分離轉速約為1 550 r/min。當轉速從1 350 r/min提高至1 800 r/min時，重晶石含量從56.3%降低為53.7%，這是因為轉速超過1 300 r/min之后，轉速越高，分離出固相中巖屑顆粒含量越高，相應重晶石含量越低。

2.3 參數確定

低速離心機轉速調節要同時兼顧以下幾點：

1) 要盡量分離出多的重晶石顆粒進行回收再利用。

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

3) 低速離心機轉速越高，高速離心機負載越小，越不容易堵塞。

綜合上述原則，結合離心機分離曲線和測試數據，低速離心機的轉速確定為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。

高速離心機轉速調節的原則是在設備參數允許和不堵塞的條件下越高越好，轉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。高速離心機轉速一般確定為2 800～3 000 r/min。

3 應用效果

設計的低速-高速離心機串聯固控系統已在中石化南川某平臺4號井應用，三開采用油基泥漿，鉆進井段包含三維定向段和水平段共2 250 m，實際泥漿密度1.5～1.65 g/cm3，黏度35 mPa·s，低速離心機轉速為1 550 r/min，高速離心機轉速為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號井節省重晶石粉用量150 t，減少固廢排放量38.6%(如圖4)。鉆進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。應用效果表明，設計的低速-高速離心機串聯固控系統對于油基泥漿的固相分離具有優良性能。

圖4 某平臺各井泥漿中固體廢物處理量對比

4 結論

1) 高、低速離心機串聯結構設計科學、合理，運行可靠。對鉆井液進行分級處理，實現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轉速-分離粒徑規律和實際測試結果，綜合重晶石回收、降低有害固相等因素，優化確定了高、低速離心機的轉速值，有效保障了離心機的正常運行。

3) 目前常用的高、低速離心機處理鉆井液的能力還有進一步提升的空間。存在的問題是尚未實現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。