負壓振動篩原理及在油基鉆井液鉆屑減量中的應用
2024-02-24 13:31:59侯勇俊沈爍譚勁任萬年
石油礦場機械 2024年1期
侯勇俊 沈爍 譚勁 任萬年
摘要：經過幾十年的發展，振動篩性能有很大提高，但其對鉆屑的脫液能力已達極限。40年來，應用于鉆井固控，效果不明顯。十多年前，經過嘗試與高頻低幅振動相結合的真空過濾技術應用于鉆井固控時，鉆屑的脫液能力顯著提高，排放鉆屑體積大幅減小。近年來，多種負壓振動篩在國內鉆井中開展了應用試驗。經過對常規振動篩復合負壓過濾的負壓振動篩的原理、主要技術參數、現場應用與國內外類似技術的對比分析及現場應用表明，所使用的負壓振動篩的處理量、鉆屑含液率、鉆屑排放減少量、篩網壽命、能效、設備成本、使用經濟效益等都均有明顯優勢。負壓振動篩的應用對節能減排和實現“碳中和”具有重要作用，其逐漸替代常規振動篩，將是鉆井固控技術發展的必然趨勢。
關鍵詞：油基泥漿；負壓振動篩；泥漿回收；鉆屑減量
中圖分類號：TE926
文獻標識碼：B
doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.01.010
Principle and Application of Negative Pressure Shale Shaker in Recovery of Oil-Based Drilling Fluid
HOU Yongjun1， SHEN Yue2， TAN Jin3， REN Wannian3
（1. School of Mechanical Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China;? 2. Sinopec Jianghan Oilfield Service Corporation， Qianjiang 433124， China;? 3. Guanghan Ali Shengmu Petroleum Equipment Co.， Ltd.，Guanghan 618304， China）
Abstract：Since the vibrating screen was introduced into oil drilling from mines， its performance has been greatly improved after decades of development， but its ability to remove drilling cuttings has reached the limit. In the last 40 years， vacuum filtration technology has been applied to drilling cementing， with insignificant effects. More than ten years ago， when the vacuum filtration technology combined with high-frequency and low amplitude vibration was applied to drilling solid control， the ability to remove drilling fluid from cuttings was significantly improved， and the volume of drilling cuttings discharged was greatly reduced. In recent years， many negative-pressure shale shakers have been applied in domestic drilling. The principle， main technical parameters， field application and comparative analysis with similar technologies at home and abroad of a negative pressure vibrating screen based on conventional vibrating screen compound negative pressure filtration were introduced. Field application shows that the negative pressure shale shaker has obvious advantages in handling capacity， liquid content of drilling cuttings， reduction of drilling cuttings discharge， service life of screen， energy efficiency， equipment costs， economic benefits， etc. The application of the negative pressure shale shaker will play an important role in energy saving and emission reduction and realizing “carbon neutralization”. It will gradually replace the conventional shale shaker， which will be an inevitable trend in the development of drilling solid control technology.
Key words：oil-based drilling fluid; negative pressure shale shaker; mud recovery; cuttings reduction
自從振動篩從礦山引入石油鉆井中來，經歷了90余年的發展，一直都是在常壓工作。對于提高振動篩的性能的研究，多年來都是從振動篩的工作參數著手，如提高振動強度、增大篩分面積、改變振動篩振動軌跡等。受篩網與鉆屑沖擊碰撞作用和1號泥漿罐面大小的限制，振動篩的性能已經被發揮到了極致，但其對鉆屑的脫液能力仍不理想，使用水基鉆井液時，振動篩排出鉆屑的體積含液量可高達65%［1］，使用油基鉆井液時，振動篩排出鉆屑的液、固體積比可達37.8%［2-3］，特別是高成本的油基鉆井液鉆屑，為后續環保處理帶來了極大壓力。
上個世紀八十年代，美國的MAX固相控制系統［4］把帶式真空過濾機應用到鉆井液固相控制。九十年代，英國Lindsay Process Plant Inc.的Pansep固相控制系統［5］把帶式真空過濾機的驅動裝置換成了鏈傳動，濾網采用編制的柔性鋼絲網。這兩種固控系統都是單純的真空過濾原理，由于鉆井液分離時液相多、固相少，真空不穩定，濾布易出現“糊篩”、壽命低，氣液分離罐液面控制較為復雜，其未能得到推廣。2004年，挪威Cubility公司提出了帶式真空過濾與微幅高頻振動復合作用的MudCube固相控制系統，2009年，第一套產品進行了鉆井測試，2010年，正式對外發布，2012年正式商業運行［6-7］，2014年中石油進口了國內第一臺MudCube固相控制系統，其后中海油、中石化及部分民營石油工程服務商引進了多臺該產品，其排出的鉆屑的含液量（體積含量）可以達到40%以下，可以滿足井場鉆屑初步處理的需求，但功耗大，是現有鉆井振動篩的10多倍；壓縮空氣消耗量大，對現有鉆機的安全控制有較大影響；篩網成本高，是現有鉆井振動篩的5倍以上；篩網壽命短，僅有幾十小時；價格高，單臺在￥200萬元以上。
2003年，美國德里克公司（Derrick）基于抽風機帶抽吸和壓力的振動篩選機［8-9］，提出了在傳統的鉆井振動篩的基礎上，在篩網下交替正、負壓力變化，以實現篩網解堵和增大振動篩處理能力，但篩網面積大，在篩網下實現正壓的結構太復雜，目前還未見該系統相關研究試驗和現場應用試驗報道。2010年加拿大FP 馬拉諾尼公司也提出了一種負壓振動篩［2-3］，僅在振動篩出口的部分篩網下形成真空以干燥鉆屑，并用獨立真空罐進行氣液分離。2014年，美國Mi-swaco公司基于馬拉諾尼公司技術的試驗，開發了脈沖真空鉆屑干燥裝置［10］，其采用壓縮空氣脈沖噴射形成出口第一張篩網下的負壓以干燥鉆屑，無需氣液分離真空罐，在油基泥漿的現場試驗中，及時回收油基鉆井液并進入循環，取得很好的效果。
2014年后，隨著引進MudCube固相控制系統產生的影響，國內多家單位開展了負壓鉆井振動篩的研究。西南石油大學侯勇俊等率先開展了負壓鉆井振動篩的研究［11-14］；此外，長江大學周思柱［15］、馬衛國［16］、中海油? 張羽臣［17］等基于Cubility的工作原理，通過對振動激勵方式和循環篩網的驅動方式等的改進，開展了鉆井液帶式真空振動過濾裝置的研究；寶石機械成都分公司［18］基于Cubility的工作原理開展了相關研究；河北冠能［19］和河北北鉆［20］兩公司基于Mi-swaco公司的脈沖負壓振動篩原理開發了負壓鉆井振動篩。侯勇俊等提出了完全不同于德里克、FP 馬拉諾尼、Mi-swaco以及Cubility 技術的負壓振動篩工作原理，實現了具有完全自主知識產權的中國設計和制造的負壓振動篩［21-25］。
2021年，由西南石油大學研發、廣漢市阿里圣姆石油設備有限公司制造的集負壓形成和氣液分離一體化的負壓振動篩［23］在中石化的江漢石油工程公司、西南石油工程公司、中原石油工程公司和中石油川慶鉆探公司、渤海鉆探公司等單位的頁巖氣鉆井中開展了應用，在油基泥漿的處理中取得了很好的效果。同年，西南石油大學和四川寶石機械專用車有限公司聯合研發的負壓形成和氣液分離一體化的脈沖負壓振動篩［25］也在中石化西南石油工程公司、中石油的西部鉆探公司、川慶鉆探公司等單位開展了應用。本文重點介紹廣漢市阿里圣姆石油設備有限公司制造的集負壓形成和氣液分離一體化的負壓振動篩（ALSM）的工作原理以及應用效果。
1 負壓振動篩工作原理及主要參數
1.1 工作原理［23］
負壓鉆井振動篩的基本工作原理（如圖1）為：大振幅的振動篩分和真空過濾復合作用實現鉆井液固液分離。負壓風機抽吸在篩網下真空盤中形成一定的負壓；進入真空盤中的鉆井液和空氣在真空盤中自動進行氣液分離，空氣從篩箱側板上的通道通過柔性軟管，進入液霧分離器后，被負壓風機抽出排入大氣（空氣的流動路徑如圖1中實心的箭頭），鉆井液在真空盤中由于重力作用，沉降到下部，通過排液軟管進入底座上的自動排液裝置，然后流入錐形罐（鉆井液的流動路徑如圖1中的空心箭頭）。振動篩的激振工
作原理與普通振動篩相同，依靠兩個或三個激振電機產生的慣性激振力實現篩箱直線或橢圓振動，振動的作用一方面使鉆井液透過篩網，另一方面使鉆屑在篩面上向出口輸送。從工作原理來看，其主要優點為：氣液分離與真空負壓腔集成于一體，結構緊湊；氣液分離后的鉆井液自動排放，無需任何控制裝置，自適應性和氣密效果好；無需使用壓縮空氣，油霧自動回收，安全性好。
1.2 主要技術參數
該負壓鉆井振動篩的發明專利已經轉讓［23］給廣漢市阿里圣姆石油設備有限公司，其主要技術參數如表1。
1.3 設備組成及現場安裝
ALSM負壓鉆井振動篩的構成［23］可分為常規鉆井振動篩和負壓系統兩大部分。負壓系統支架、真空軟管、排液軟管、負壓自動排液裝置、真空盤、三通管、油霧分離器、真空限壓閥、消音器、負壓風機和真空調節閥等。負壓系統采用模塊化設計，油霧分離器、真空限壓閥、消音器、負壓風機等部分集成安裝在篩箱中上部的固定支架上形成負壓系統的抽吸模塊；負壓自動排液裝置作為一個獨立模塊集成于振動篩的底座上；真空盤焊接在篩箱下部，與篩網、篩箱下部側板共同形成負壓腔，出口端兩張篩網下各自獨立采用一個負壓腔；從負壓腔兩側的篩箱側板上開設孔口，通過真空軟管與集成于支架負壓抽吸系統相連。真空盤下部設置排液口，通過排液軟管與集成于底座上的負壓自動排液裝置相連。
ALSM負壓鉆井振動篩的模塊化和集成設計，使其占地面積和普通振動篩相同，同時自帶低功率負壓系統，無需外接壓縮空氣等，現場安裝和管線布置與現有的常規振動篩完全相同，不需要對現有固控系統的罐面進行改造，負壓振動篩安裝后的情況如圖2所示。
2 應用情況
2021年以來，ALSM負壓鉆井振動篩在國內中石化、中石油等單位，以及國外的阿聯酋、埃及等國家應用了120余臺。圖3～4分別是負壓篩和常規篩出口在處理油基鉆井液時篩面排出鉆屑情況和取樣的鉆屑的表觀情況對比，可以看出，負壓振動篩排出的鉆屑明顯干燥得多，油基鉆屑可以直接用噸包袋收集（如圖5）后運輸。
2.1 鉆屑含液量測試
測試負壓振動篩篩網目數為240目，泥漿密度1.5～1.52 g/cm3，塑性粘度29 mPa·s，漏斗粘度58 s/L，油水體積比81/19，固相體積含量21%。鉆屑含液量的測試采用干餾法，測試主要設備為ZNG-2型油水（固相）分離裝置。主要測試流程為：稱取60 g左右的鉆屑放入油水（固相）分離裝置的盛液杯中，放入加熱套，組裝冷凝器，設置工作溫度600 ℃，用量筒收集冷凝器滴出的液體，一直加熱至冷凝器中無液相滴出為止，稱量量筒中液體質量，即為鉆屑樣品總含液質量，靜置量筒待其中的水沉降穩定后，讀取水相體積獲得水相質量。
表2為在155-5HF頁巖氣井4 602～5 289 m井段（地層為龍馬溪組③層）使用油基泥漿時負壓篩和常規振動篩排出鉆屑含液量對比的部分檢測情況，可以看出，負壓振動篩在四個檢測井段位置的排出鉆屑的含液（質量）率最高為15.53%（處理量基本達到振動篩的最大處理能力），最低為9.48%，而常規振動篩的排出鉆屑的含液率最高為27.73%，最低24.46%，負壓振動篩排出鉆屑的含液率可比常規振動篩降低36.51%～65.32%。
2.2 應用效益
70636JH鉆井隊在焦頁165-1HF井使用負壓振動篩時，油基泥漿井段2 687 m，每鉆深100 m的油基泥漿消耗量平均減少1.6 m3，整個油基泥漿井段共減少泥漿消耗量約43 m3，按油基泥漿成本0.55萬元/m3計算，該井僅在油基泥漿井段就節約鉆井液費用￥23.65萬元。排放鉆屑減少的液相部分的密度（1.5 g/cm3）按篩下泥漿密度計算，減少了油基鉆屑65.5 t，按0.2萬元/t的油基鉆屑環保處理費用計算，可節約鉆屑處理費￥13.1萬元。
70221JH鉆井隊在陽101H37-6井使用負壓振動篩時，油基泥漿井段2 516 m，每鉆深100 m的油基泥漿消耗量平均減少2.97 m3，整個油基泥漿井段共減少泥漿消耗量約74.7 m3，該井僅在油基泥漿井段就節約鉆井液費用約41萬元，減少了油基鉆屑112 t，可節約鉆屑處理費￥22.4萬元。
3 與國內外類似技術對比
與國內外技術對比如表3所示，表3中Cubility的數據早期試驗數據，其鉆屑排放減少量數據來源于Cubility的工業試驗。按巖石密度2.5 g/cm3，基油密度0.85 g/cm3，水密度1.0 g/cm3將鉆屑的質量含液率換算體積含液率，在4 840 m井深時ALSM負壓振動篩的鉆屑體積含液率為22.3%，對比常規篩的鉆屑體積含液率為52.1%，相同井眼ALSM負壓篩鉆屑排放體積減少37.8%。可以看出，ALSM負壓振動篩在使用篩網目數更高，處理泥漿的粘度、固相含量更大的情況下，排出鉆屑含液率達到Mi-swaco的水平，鉆屑排放量比Mi-swaco少，這表明在相同有條件下，ALSM負壓振動篩的鉆屑干燥效果比Mi-swaco更好。與Cubility相比，泥漿性能參數接近，ALSM負壓振動篩使用240目，Cubility使用API200目篩網，ALSM負壓篩對鉆井液的最大處理量遠大于Cubility，同時鉆屑含液率、鉆屑排放體積減少量略優于Cubility均達到國外類似技術指標，但系統配置功率、篩網使用壽命遠優于Cubility。ALSM負壓振動篩的一次性的設備投入約為Mi-swaco的3/4，約為Cubility的22.5%。國內兩個公司［19-20］的脈沖負壓振動篩與MI-SWACO具有相似的工作原理，篩網規格和數量、負壓過濾面積與Mi-swaco一致，因此其主要技術性能與Mi-swaco一致。因此，ALSM負壓振動篩的技術指標是優于國內的類似產品。
4 結論
通過負壓振動篩的現場應用試驗以及與國內外類似技術相比，可以得到如下結論：
1） 在相同處理量的情況下，排出的鉆屑含液率顯著下降，鉆屑排放量顯著減少。負壓振動篩排出鉆屑的含液率比常規振動篩下降約36.51%～65.32%，鉆屑排放體積減少量可達37.8%。
2） 應用負壓振動篩后，油基泥漿的回收率顯著提高，經濟效益明顯。單井減少油基泥漿消耗量可達43.0～74.7 m3，單井增效可達￥36萬元以上。
3） 應用的負壓振動篩采用了獨特的氣液分離與負壓形成一體化的技術，與國內外類似產品明顯不同，結構緊湊，無需壓縮空氣，能耗低、易損件壽命長，設備一次性投入成本遠低于國外類似產品，完鉆3～4口油基泥漿井可收回設備的一次性投入。
4） 負壓振動篩對于水基泥漿也有較好的脫液能力，也能較明顯地減少鉆屑的排放量。負壓振動篩替代常規振動篩將是未來鉆井固控的發展趨勢。
參考文獻：
［1］岳明，劉陽，李治衡，等．水基鉆井液鉆屑減量處理技術探討［J］．非常規油氣，2021，8（6）：1-6.
［2］Daniel Guy Pomerleau. Systems and Methods for Drying Drill Cuttings：US9359840B2［P］. 2016-06-07.
［3］丹尼爾.蓋.波默洛.用于干燥鉆探切削物的真空系統和方法的優化：CN103080461B［P］.2016-03-16.
［4］張本權.MAX系統-鉆井液處理技術的重大革新［J］.石油機械，1986，14（12）：36-37.
［5］Dehn Courtney.Novel screening unit provides alternative to conventional shale shaker［J］.Oil and Gas Journal.1999，97（15）： 40-48.
［6］C. Panisset， B. Lomba， E. Souza， et al. Evaluating an alternate cutting separation technology： Is the Mud Cube a Fit for Brazilian Offshore Drilling［C］//Proceedings of Offshore Technology Conference， Riode Janeiro，Brazil，October 29-31，2013.
［7］Jan Kristian Vasshus，Trond Melhus.Apparatus for Sieving and Fluid Separation and a Method of Using Same：US 2008/0223777Al［P］.2008-09-18.
［8］Mitchell J. Derrick， Robert G. Derrick， James A. Mooney. Vibratory Screening Machine With Suction and Pressure and Method for Screening a Slurry：US2003/0230541 Al［P］. 2003-12-18.
［9］米切爾·詹姆斯·德里克，羅伯特·戈登·德里克，詹姆斯·亞瑟·莫尼.帶抽吸和壓力的振動篩選機及篩分淤漿的方法：CN 1658943A［P］. 2005-08-24.
［10］Schlumberger. Screen Pulse Fluid and cutings separator［EB/OL］. （2015-05-01） ［2023-07-01］. https：//www.slb.com/drilling/ drilling-fluids-and- well-cementing/solids-control/shale-shakers/screen-pulse-cuttings-separator.html.
［11］侯勇俊，方潘，張麗萍，等，一種負壓鉆井液振動篩，CN105127093A［P］.2015-12-09.
［12］李文霞. 負壓振動篩篩分機理研究［D］.成都：西南石油大學，2018.
［13］雷廳. 循環篩網負壓振動篩鉆井液流動規律研究［D］.成都：西南石油大學，2018.
［14］謝江浩，馬蒸釗，張羽臣，等.旋帶式負壓振動篩上固相顆粒運移規律研究［J］.石油礦場機械，2020，49（2）：15-21.
［15］周思柱，李旭東，呂志鵬，等.負壓鉆井振動篩的動力特性分析［J］.機械設計與制造，2018（10）： 43-46.
［16］馬衛國，吳霽薇，徐遵宏，等.一種鉆井液泥漿篩分干化處理方法及鉆井液泥漿篩分裝置：ZL2017103180067［P］.2019-03-15.
［17］張羽臣，林家昱，謝濤，等.履帶式負壓振動篩在海洋平臺鉆井廢棄物處置中的應用［J］.能源化工，2021，42（1）：61-65.
［18］廖春林，文永川，王霞，等.一種鉆井泥漿負壓篩：CN112791495A［P］.2021-05-14.
［19］河北冠能石油機械制造有限公司.負壓真空振動篩［EB/OL］.（2018-9-26）［2023-07-01］.http：// www.gngukong.com/vist-vacuum-screen.html.
［20］河北北鉆石油鉆采設備有限公司.真空負壓振動篩［EB/OL］.（2020-06-28）［2023-07-01］.http：// www.bzgukong.com/show-11- 10-1.html.
［21］侯勇俊，李文霞，吳先進，等. 負壓振動篩上固相顆粒運移規律［J］.工程設計學報，2018，25（4）：455-471.
［22］Yongjun Hou，Peng Yin， Simulation of particles screening in pulsating negative pressure shale shaker by coupling CFD and DEM［J］.Engineering Computations， 2022， 39（5）： 1701- 1722.
［23］侯勇俊，王鈺文，方潘，等.負壓發生和氣液分離一體化的負壓鉆井振動篩：ZL202110311176.9［P］.2021-06-29.
［24］侯勇俊，侯度宇，杜明俊，等. 一種獨立雙負壓鉆井振動篩：ZL202111229994.0［P］.2022-01-04.
［25］侯勇俊，吳先進，方潘 ，等.一種脈沖負壓鉆井振動篩：ZL202111109944.9［P］.2021-12-28.
［26］Trond Melhus， Charles Mowrey， Jan Kristian Vasshus，Intelligent.Automated Shale Conveyance： Rotary Screen Vacuum Assisted Gas and Solids Separation System for Drilling Fluids［C］//2010 AADE Fluids Conference and Exhibition，Hilton Houston North， Houston， Texas， April 6-7， 2010.
