钻井液循环系统课件

7.3钻井液净化设备7.3.1概述1。钻井液循环液的固相控制：液体(大多数)、气体和泡沫用于现代钻机。因此，钻井循环液称为钻井液(通常称为泥浆)。钻井液的作用是1)冲洗井底，冲刷地层，方便钻井。2)进行钻屑和悬浮钻屑。3)冷却和润滑钻头和钻具。4)平衡地层压力，防止井漏和井喷。5)形成泥饼保护井壁，防止井壁坍塌。6)向井下动力钻具输送动力。7)地质测井。清水的缺点：粘度低，悬浮岩屑能力低，容易沉积和粘附，不形成泥饼，容易井壁坍塌，不能平衡地层压力。钻井液的主要成分有：(1)水(淡水、盐水、饱和盐水等)。)；(2)膨润土(钠基膨润土、钙基膨润土、有机土或耐盐土等。)；(3)化学处理剂(有机、无机、表面活性剂或生物聚合物等)；(4)石油(轻油或原油等)；(5)气体(氮气或天然气)。不同的钻井液形成不同的分散体系，发挥不同的作用。从物理化学的角度来看，钻井液是一个多相不稳定系统。为了满足钻井工艺的要求，提高钻井液的性能，钻井液中经常加入各种添加剂。钻井液在循环过程中不能始终保持良好的性能，但受到钻屑、油、气、水、盐和矿物的污染，其中钻屑是最严重的污染。钻屑污染是指在循环过程中，钻屑在机械和化学作用下分散成不同大小的颗粒，混入钻井液中，使钻井液性能变差，给钻井工程和油气层带来危害。分散在钻井液中的固体颗粒称为钻井液中的固相。钻井液中的固相：一是来自破碎岩石产生的钻屑；第二，是为了钻井技术的需要而人工添加的。根据固相在钻井液中的作用，可分为有用固相和有害固相。钻屑是有害固相的主要来源，存在于整个钻井过程中，带来许多危害。因此，必须消除有害的固相。泥浆中有害固相的危害(1)堵塞油气通道，损害油气层：当钻井液压力大于地层压力时，钻井液渗透到地层中，小于地层油气通道的固相加深，形成堵塞。也就是被污染的油层。(2)降低机械钻速(单位时间内钻头钻孔的进尺)。在固体含量小于8%的范围内，固体含量每增加1%，机械钻速下降约10%。(3)诱发井下事故：固相原因：a .密度地层泄漏；(b)粘度钻头容易被打成团，起钻并拔出活塞，引起井喷，起钻并引起压力激发，造成井漏；c泥饼疏松变稠失水大，造成井壁坍塌；钻孔变得更小，更容易钻孔。导致压差卡钻。d泥饼摩擦系数扭矩增大，功耗高，钻具事故多，钻具寿命短；(4)缩短机械设备的使用寿命：增加磨损，增加钻头消耗，增加泥浆泵易损件消耗。(5)增加钻井成本：与相邻两口井相比，所谓钻井液固相控制是指去除有害固相，保留有用固相，或将钻井液中的总固相和粒度分布控制在要求的范围内，以满足钻井技术对钻井液性能的要求。钻井液的固相控制通常简称为固相控制，通常也称为泥浆净化。2.钻井液中固相的分类和粒度分布钻井液中固相根据不同的特性有不同的分类方法。根据固相的密度，可分为高密度固相和低密度固相。前者是一种特别重的材料总固相中各种颗粒的百分比称为级配。在钻井过程中，钻井液中的固体含量和粒度分布随地层岩性、钻头类型和钻井参数而变化。7.3.2固相控制方法近20年来，随着喷射钻井、优化钻井、优质钻井液和储层保护技术的全面实施，固相控制技术得到了快速发展、推广和普及。固相控制的任务是：(1)从钻井液中去除有害固相，使固相含量不超过要求。(2)降低钻井液中细颗粒的比例，保持合理的固相颗粒尺寸和级配。常用的固相控制方法有：稀释法、置换法、自然沉降法、化学沉降法和机械去除法。稀释方法：为保持固含量基本不变，在高固含量钻井液中加入清水或其他稀释剂，稀释低固含量钻井液(同时还应加入适量化学处理剂)。更换方法：为保持钻井液总体积不变，排出部分高固含量的钻井液，然后更换等量的处理剂溶液和低固相钻井液，混合后再使用。自然沉降法：在从井内返回的钻井液的地面循环过程中，由于地面钻井液池体积大、流速低，钻井液中的岩屑颗粒在重力作用下沉到底并被分离，上部的钻井液重新进入井内循环。化学沉降法：向钻井液中加入少量化学沉淀剂，使分散的微小岩屑在与这些化学药剂接触时絮凝并形成较大的颗粒，从而快速沉降。机械去除法：用机械设备强制去除有害固相，改变固相级配。20世纪50年代以前，振动筛主要用于去除钻井液中的固相。机械清洗的特点：1)设备配套，分步清洗。2)固相控制容易，泥浆性能稳定，泥浆流失少，污染少。3)固体控制成本低。由于振动筛去除固相的能力有限，20世纪50年代中期，旋风分离器被用于钻井液固相控制。20世纪60年代，随着钻井技术的发展，对固相控制的要求越来越高，因此开发并使用了机械设备，如泥浆去除旋流器和离心机。ZQJ10012除泥器、ZQJ3002除砂器，由于不同的固控设备只能在一定的粒径范围内充分发挥固相作用，因此各种固控设备应合理组合成一个系统进行应用。到20世纪70年代，这种机械固体控制系统已经成为现代钻井设备的重要组成部分。中国的固体控制技术是在二十世纪八十年代发展起来的。当气体侵入到钻井液中时，钻井液的性能会发生相应的变化，这也会影响砂泵和钻井泵的正常吸入和运行。因此，钻井液中的气体也包括在清除清单中，用于清除钻井液中气体的除气器也属于固控设备。YQ1000型液气分离器，ZCQ/4型真空脱气器，需要指出的是，固控系统通常不仅指上述各种固控设备，还包括从泥浆返回井口到进入钻井泵吸入口的整个地面流。该工艺包括上述机械固体控制设备、除气器、泥浆混合器、泥浆池、泥浆分配设备等。然而，整个系统中的关键设备是各种固体控制设备，即振动筛、除砂机、除砂机、泥浆清洁器、离心机和除气器。其余的属于辅助设备。表7-3列出了一些固体控制设备的处理能力和粒度范围。钻井液固控系统：主要由泥浆罐、振动筛、脱气器、除砂器、除砂器、搅拌器、离心机、泥浆枪、混合加重漏斗、砂泵、灌注泵、加重泵、剪切泵等各级固控设备组成。7.3.3振动筛是一种典型的机械固相控制系统，用于在振动钻井作业过程中回收钻井液中的液相目前，油田使用的单轴惯性振动筛几乎都是由筛箱、筛网、隔振弹簧和激振器组成。激振器由主轴、轴承和偏心块等组成。旋转时产生周期性惯性力，推动筛箱、筛和弹簧等。在底座上进行简单共振或准简单共振，以促进泥浆中的液固相分离，使泥浆从泥浆箱均匀地流向筛面，即液体和较小的颗粒通过筛孔流向除砂器，而较大的颗粒沿筛面流向砂箱。筛网的振动方式决定了筛网上钻屑的分离粒度、输送速度、排屑量和液体处理量。激振器和筛框的相对位置以及激振器的旋转方向决定了振动轨迹的形状。振动筛一般根据筛框的运动轨迹分为四类：圆形筛、普通椭圆筛、直线筛和平衡椭圆筛。如果激振器安装在筛框的重心，振动轨迹呈圆形，如图7-18a所示。此时，钻屑在筛架上移动的方向和速度取决于激振器的旋转方向、振动频率和振幅。如果激振器安装在筛框重心上方，筛框两端将椭圆振动，而激振器将在正下方圆周振动，如图7-18b所示。固体颗粒的运动速度由椭圆轴、筛框的倾角和激振器的旋转方向控制。带偏心块的两个主轴同步反向转动，产生直线振动，直线振动的加速度平衡作用在筛箱上，筛受力均匀，振动筛直线运动，如图7-18c所示。振动筛最容易损坏的部分是筛网。一般来说，有钢丝网筛、塑料筛、多孔筛等。和不锈钢丝编织筛网是常用的。筛网通常以“网”来表示其规格，网是指从任何钢丝的中心开始沿直线方向25.4毫米(1英寸)长的筛网数量。例如，每英寸有12个孔的方孔筛被称为12目筛，根据美国石油学会标准或1524，51.8表示为1212。括号中的1524表示孔径(微米)，51.8表示孔面积的百分比。对于矩形孔筛，单位长度(英寸)的孔数也是通用的。例如，8040和7030表示1英寸屏幕的一侧有80和70个孔，另一侧有40和30个孔。目前，大多数常用的泥浆筛都是小于30目的粗筛，只能去除大的固体颗粒。现在越来越多的60-200目细筛被使用。粗网钢丝较粗(大于0.39毫米)，网面积约占50%，使用寿命较长。细网(例如80目)的线薄得多(例如0.14毫米)，并且网面积仅为31.4%。因此，在同一区域处理泥浆的能力很小，钢丝容易损坏。7.3.4水力旋流器根据相关资料，泥浆筛只能去除约25%的总固相，74m以下的细颗粒仍留在泥浆中，这对钻井速度仍有很大影响。为了进一步提高泥浆性能，通常在泥浆振动筛后面安装水力旋流器，以去除较小颗粒的固相。水力旋流器分为除砂器和除泥器两种，但结构和工作原理完全相同。内径为6-12英寸的锥体称为除砂器，可去除70m以上约50%大于40 m的细砂颗粒，直径为2-5英寸的锥体称为除泥器，可去除40m以上约50%大于15m的泥质颗粒。所谓的圆锥内径是指圆锥的圆柱部分的内径，也称为工作内径。水力旋流器的上部为圆柱形，侧面有切向入口管。砂泵输送的泥浆沿切线方向进入空腔。顶部中心有一个溢流管，处理过的泥浆从溢流管中溢出。壳体下部为圆锥形，锥角一般为15 20，底部为因此，质量较大的固体颗粒受到的离心力较大，足以克服泥浆的摩擦阻力，被抛到旋流器的内壁上，在重力作用下向下旋转，从出砂口排出，而质量较小的固体颗粒和轻质泥浆螺旋上升，通过溢流管排出。被水力旋流器分离的固相颗粒尺寸越小，分离能力越大，这与水力旋流器的尺寸、浆液入口压力、浆液粘度和固相颗粒的分布有关。由于泥浆中的固体颗粒高速撞击旋风分离器的内壁，并沿内壁快速旋转和下落，旋风分离器的内壁经常很快磨损和损坏。水力旋流器结构简单，广泛应用于液固分离、液液分离和液气分离。7.3.5泥浆清洁器对不同钻井深度的泥浆性能有不同的要求。对于一般深度的井，主要使用非加重水基泥浆。处理此类泥浆的固控设备为：振动筛除砂机除砂机离心机。目的是尽可能多地清除泥浆中的固体颗粒。但是，对于深井和超深井，由于井内油气压力高，地层条件复杂，经常使用重泥浆，即在泥浆中加入重晶石粉和化学药剂。此时，如果上述设备仍用于形成净化系统，大量重晶石粉或贵重液体将白白流失。因此，对于水基或油基加重泥浆，净化系统应由振动筛、泥浆清洗器和离心机组成，即泥浆清洗器是钻井深井或超深井时净化系统中必不可少的装置。泥浆清洁器由水力旋流器和振动筛组成。上部是4-5英寸水力旋流器，下部是150-200目振动筛。泥浆从井口返回，经双层振动筛(上40目，下60目)处理后流入泥浆罐，由砂泵从罐中泵入清洗器。清洁剂从泥浆中去除74-105微米固体颗粒，而小于74m的液相和固相(包括2-60微米重晶石粉)返回到泥浆中。因此，清洁剂通常只用于加重泥浆系统。目的是去除大于晶石颗粒的固体颗粒，并回收重晶石和液相。7.3.6离心分离器的离心沉降分离用于分离固体含量小的悬浮液和细颗粒。钻井液经振动筛、除砂器和除泥器处理后，大部分较大的固体颗粒被去除。对于进一步处理，沉降离心机是更合适的设备。离心沉降是基于固体和液体(或液体-液体、气体-液体、气体-固体)之间的密度差。离心分离机的主要工作部件见图7-22，包括离心机转鼓和安装在转鼓内的螺旋输送机。螺旋输送机上的刮板(刀片)与滚筒内壁之间有一定的间隙，可以相对于滚筒旋转。在运行过程中，转鼓和螺旋输送机以相同的方向高速旋转，但存在(0.6 3)%的滑移率(即两者与转鼓之间的速度差之比)。也就是说，螺旋输送器比转鼓慢(0.6 3)%，这意味着螺旋输送器每转100转就推动沉积物(0.6 3)转。离心机工作时，钻井液从高速旋转螺旋输送机的空心轴进入滚筒。在转鼓和输送机的高速旋转驱动下，固体颗粒在离心力的作用下径向向转鼓壁移动，并沉积在离心机转鼓壁上，而小颗粒和液相则在内层。液环的范围(有些也称为池)称为沉淀区。分离出的钻井液从转鼓大端侧壁上的溢流口流出。螺旋输送机的叶片将沉降的颗粒推到脱水区，并最终将其从转鼓小端的排渣口排出。在脱水区，颗粒经过离心挤压和离心过滤，挤出所有的自由水，排出的颗粒只携带吸附水，因此排出的沉淀物相对干燥。7.3.7干燥过程中的除气器现场使用的除气器有多种类型。现简要介绍几种典型除气器的工作原理和结构。(1)常压简易脱气器的基本结构是底部开口的立式钢瓶(或直径较大的出口)。桶的一侧有一个钻井液入口，顶部有一个气体出口。另外，气缸内有许多不同排列形状的挡板。其作用是承受钻井液的冲击，有助于形成湍流，使钻井液层变薄，从而促进气泡和液体的分离、破裂和逸出。工作原理；从井口返回的气体侵入钻井液通过节流管汇后高速进入脱气器，并