長慶油田鉆井現場快速高效循環系統研究

裴勇毅 陳寧生

川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司裝備公司 寧夏銀川 750003

通過對長慶油田施工現場關于循環系統及不落地工藝技術調研，了解目前循環系統設計在近10 年未進行技術革新?，F用的循環系統存在諸多問題，有必要對現有循環罐進行升級改制。從罐形狀、結構、罐底表面性能和罐的擺放方式，功能管線布局，高效沖砂裝置及流程工藝，研究出一套循環式機械化清砂的罐式循環系統，不僅完全滿足鉆井現場工藝需求，而且使鉆井液循環系統更合理。

1 現有循環系統存在的主要問題

1.1 人工清砂難，安全隱患大

現有的循環罐布局縱橫交錯，排砂路線長，增加清砂難度。清罐時需要工人進入罐內進行人工清罐，因循環罐內管線眾多形成阻擋、沉砂死角多，重晶石及黏土類巖屑長時間沉積，死角難以清除干凈，長時間堆積造成量多且粘接力大，后續難以徹底清理。人工采用水沖鍬挖的傳統清砂方法，勞動強度大且效率低，長時間在密閉、空氣質量低的狹窄空間工作，操作空間受限，員工在罐內作業有一定安全隱患。

1.2 安裝和拆卸勞動強度大、風險高

現用的循環罐安裝、拆卸方式勞動強度大、作業周期長，工人操作時需要敲擊、登高、進入受限空間、吊裝、搬運等，有一定的安全風險，有許多需要改進的地方，如：減少罐與罐之間狹窄空間連接管線數量，改變罐的擺放布局降低對接難度，可以降低勞動強度，提高工作效率。

1.3 環保不落地

循環罐區原有的擺放方式受限，必須在循環管四周挖渠打水泥做圍堰，工人工作量大，鉆井液容易跑冒滴漏。為解決上述主要矛盾，結合長慶油田清潔化生產需求及安全環保形勢，通過可移動沖砂裝置、強拒水性涂層優選、自潔性罐內設計等關鍵技術研究，形成配套循環式機械化清砂的罐式循環系統，以降低勞動強度、降低鉆井液外泄和作業環境安全操作風險。

1.4 配漿設備效率低

近年來由于長慶區域鉆井技術的快速發展，多種井型快速增加，施工的超深井、叢式井、小井眼井、側鉆開窗井等井型逐年增加，對鉆井液技術及相關配套裝備提出了更高的需求。在溢流或井漏處置過程中，因傳統配漿設施工藝簡單，作業效率低，造成壓井或堵漏周期長，容易導致井下復雜情況加劇。

2 快速自清潔循環系統流程

整套循環系統由若干個鉆井液罐及1 個混漿平臺組成，循環系統設置多級凈化工藝，配備1 臺GZS 雙聯雙層振動篩、1 臺真空除氣器、1 臺離心式除砂除泥一體機、1臺離心機及數臺砂泵、剪切泵等。循環系統的設計符合鉆井現場整體布局、工藝設計要求和所需的鉆井液處理工藝流程。整套循環系統包含的工藝流程設計可以充分滿足鉆井液的篩分—除氣—除砂—除泥—離心機，多級固相控制及泥漿剪切、加重等要求。該系統可以滿足鉆5000m 深井時貯存、配置、循環和凈化鉆井液的各種工藝要求。通過多級固控設備的持續運作，可以有效地去除鉆井液中不同規格的有害固相，為鉆井作業持續提供符合要求的鉆井液。該系統分為鉆井液凈化大循環流程、加重工藝流程、剪切流程、鉆井泵吸入工藝流程、清水管路工藝流程、計量工藝流程，清砂等7 大流程。

（1）鉆井液凈化總體循環流程。井口析出的鉆井液通過相應管匯和分流管匯輸入到雙層雙聯振動篩，通過雙層雙聯振動篩處理后輸入到循環系統中的沉砂倉，沉砂倉上部溢流出來的泥漿經過泥漿渡槽進入循環系統中的除氣倉（如果鉆井液有氣侵現象，則可以啟動除氣倉上配備的真空除氣器），除砂除泥一體機、高速離心機處理后的泥漿經過泥漿槽進入吸入倉或儲備罐，由鉆井泵重復泵入井內循環使用，泥漿槽可以流入任意罐中。

（2）鉆井液加重工藝流程。鉆井作業中，不同地質結構需要合適的鉆井液，必須適時調整鉆井液配方和比重。該系統配置專用鉆井液加重系統。鉆井液加重系統由加重砂泵、漏斗及相應的吸入和排出管匯組成，加重砂泵安裝于單獨的混合平臺上，平臺上安裝加重漏斗。加重泵通過加重吸入管匯可抽吸各罐的泥漿，加重后由罐頂泥漿管匯將泥漿輸送至各罐各倉中，或者通過頂部方鋼將藥液送到各罐各倉中。

（3）剪切流程。在混合平臺上安裝有剪切泵和剪切漏斗，通過剪切漏斗剪切后的藥液進入頂部方管中可以將藥液送到各罐各倉中。

（4）鉆井泵吸入工藝流程。鉆井泵通過吸入管線可各罐的泥漿，在泥漿泵的吸入口安裝有泥漿過濾器。

（5）沖洗管路工藝流程。循環系統的外側方鋼管設置一路清水管線，用以向罐內輸水和清洗罐面設備。各個循環罐均設有清水接口，用于向不同循環罐內輸入清水；在各個循環罐罐面方鋼管的適當位置均裝有出水接口，可以用于清洗循環罐罐面及其設備。

（6）計量工藝流程。計量泵安裝于安裝在沉砂倉下部，在起鉆過程中可以用計量泵向井口灌泥漿。

（7）清砂流程。各罐配備清砂門，清砂時，打開閥門，連接水龍帶后通過人孔清理罐內沉砂。各罐排出沉砂統一流入罐外排砂槽，為加快排砂槽內沉砂排出速度和沖洗排砂槽，可以在排砂槽端部自行連接排污泵。

3 快速自清潔固控系統特點

3.1 高效配漿系統

快速自清潔固控系統的配漿系統具有幾點特點：

（1）配漿工藝合理。通過輸出泵驅動鉆井液循環，加入處理劑混合進行配漿作業，通過傳動機構帶動攪拌軸旋轉，便于罐內混合的更加均勻，裝載機轉運噸包處理劑放置于四棱割刀之上，緩慢下放實現無人切割作業，同時通過傳動機構與動力攪拌機構相互配合，便于更好的混合，從而增加了鉆井液加料的施工效率。

（2）效率得到提高。高效配漿撬將高效配漿裝置與傳統水力噴射漏斗進行融合，形成了具有混拌、噴射、剪切的三合一配漿平臺，可以滿足不同工藝需求。在需要加重、堵漏時采用混拌裝置進行高效配漿，采用剪切泵配置聚合物提高剪切稀釋效果，同時可以采用電動水力噴射漏斗配置常規處理劑。

3.2 固控設備一體化

去除罐內沉淀，將循環系統與不落地系統融合為一體化，依托固控設備分離控制鉆井中的劣質固相，必須結合固控設備的分離點進行優配。優選雙層振動篩、離心式一體機、高速離心機組合成固控一體化設備。

雙層雙聯振動篩是鉆井液固相控制中關鍵的初級凈化設備，其處理效率及結果直接影響著后續固控設備泥漿處理性能。鉆井振動篩發展先后經過普通橢圓振動篩、圓振動篩，直線振動篩和平動橢圓振動篩4 個階段，由于普通橢圓振動篩、圓振動篩屬于早期產品，現已基本淘汰；直線振動篩屬于現階段主流鉆井用振動篩。具有泥漿處理量大、結構簡單、易維護、使用成本較低等特點，但同時存在篩布易堵塞、泥漿顆粒易破碎、不適應粘土地層等缺點。該系統配置的雙層雙聯振動篩屬于平動橢圓振動篩，兼顧圓振動篩和直線振動篩的優點，而且具有較強的泥漿輸送能力，其篩分效果和泥漿處理量均比圓振動篩和直線振動篩更加符合鉆井要求。

GZ 型鉆井液振動篩采用多層過濾結構，利用串聯和并聯的模式，雙層篩過濾面積6.4m2，三層篩高達9.6m，而普通篩只有2.7m，多層篩的過濾面積是普通篩子的2.5～3.5 倍，多層篩在鉆井生產中最高目數可以裝至280目，一定程度上可以緩解后續固控設備工作壓力。鉆井液最后處理階段是離心分離，離心機利用離心力對液—固、液—液—固、液—液等非均相混合物進行分離。該系統基于固控設備一體化，突出固液提前分離，參照3 種離心機參數，優選大排量+ 高速離心機組合。大排量一體式除砂除泥器固相清除范圍擴大為15～105μm，鉆井液處理速度由原40m3/ h 提高到80m3/ h，與常規離心機相比，鉆井液的固相清除效率提高一倍；超高速離心機固液分離處理量從常規離心機的5m3/ h 提高到12m3/ h。

3.3 循環罐高效防腐

隨著油氣需求的不斷增加，井況嚴酷的油氣田相繼投入開發，加之強化采油措施的不斷應用，以及油氣井開采年限的延長，鉆井液循環罐工況越來越苛刻，腐蝕日趨嚴重，甚至引起安全和環保風險。腐蝕，尤其是點蝕，是造成鉆井液循環罐問題的主要因素。近年來主要使用堿金屬低碳有機酸鹽、銨鹽、季銨鹽及其復合物配制的有機鹽鉆井完井液，具備配伍性好、密度調節范圍廣、流變性優秀、固相含量較低、頁巖抑制性強及對地質環境污染小等優點，在易水化膨脹、易坍塌、鹽巖、鹽膏等復雜地層的鉆井、完井、試油作業中得到了廣泛應用。在完井作業中，隨著井口深度增加、鉆遇含CO2酸性儲層幾率不斷提高、鉆井完井液pH 值逐漸降低，這些因素使鉆井液循環罐腐蝕加劇，影響油田勘探開發效益，特別在高溫（120℃）或低密度（1.05g/ cm3）下，鉆井液循環罐存在較為嚴重的局部腐蝕。

研究人員采用動態滾輪試驗、靜態失重法、電化學方法及掃描電鏡研究了碳鋼在飽和鹽水鉆井液中的腐蝕行為。試驗結果表明,氧是引起腐蝕的主要因素，添加除氧劑和吸附型緩蝕劑可以減緩鉆井液的腐蝕，且吸附型緩蝕劑對鋼材在存放過程中的腐蝕起到較好的抑制作用。研究人員對鉆井液添加劑、鉆井液pH 值及大氣相對濕度對腐蝕的影響也進行了研究。

研究人員通過試驗手段模擬油氣田開發中CO2/ H2S高溫高壓共存環境，運用失重法、SEM 和EDS 不同方法綜合研究了油管、套管L80 鋼材的腐蝕規律及腐蝕產物膜。結果表明，在試驗條件下，隨著溫度的升高，腐蝕速率呈先增加后下降的趨勢，而且溫度越高，壓力對腐蝕速率的影響越大；在腐蝕反應初期，腐蝕速率很高，但隨著腐蝕時間的延長，腐蝕速率呈現明顯下降；腐蝕初期腐蝕產物膜以FeS 成分為主，隨時間延長，產物膜轉為穩定的FeCO3。試驗同時還發現，顯微組織、硬度及組成成分對腐蝕產物的形成和抗腐蝕性能均有較大的影響。

研究人員研究了一種復合鹽溶液，觀察密度達1.78g/ cm3的飽和鹽水對鉆井管材的腐蝕。采用掛片試驗法，通過室內動態模擬試驗發現，溫度升高，鋼在鹽水鉆井液中的腐蝕速率會增加；隨著鹽濃度的增加，鋼的腐蝕速率先增大后減小。在溶液pH 值較小時，腐蝕速率將增大。根據現用泥漿的工作溫度，設置試驗溫度為（60±0.5）℃，對泥漿儲罐用鋼Q235、涂層、半涂層在泥漿介質氣相與液相環境中的腐蝕進行了模擬評價。試驗表明，無論是Q235還是犧牲陽極材料，在液相中的腐蝕要比在氣相中的腐蝕嚴重。經過多種防腐技術對比，發現采用防腐蝕涂層體系與鋁合金陽極陽極保護法可以大幅提升固控系統中循環罐耐蝕性。

4 結語

全新設計的快速高效循環系統在長慶區域24 只鉆井隊現場使用2 年后，表明其完全能夠滿足鉆井需要。相比以往鉆井液循環系統，不僅工藝流程設計合理，而且工作效率得到顯著提升，罐體抗腐蝕性強，整體表現達到設計要求，完全可以全面推廣使用。