4.3 钻井液循环系统[优教课堂]

1、4.34.3钻井液净化设备钻井液净化设备 4.3.1 4.3.1 概述概述： 1.1.钻井液的固相控制钻井液的固相控制 现代钻机中都要用循环流体： 液体（多数） ；气体；泡沫剂 。 故称钻井循环流体为钻井液(习惯上称为泥浆) 1课堂教育 钻井液的功能：钻井液的功能： 1）、冲洗井底，冲刷地层，利于钻进。 2）、带出岩屑，悬浮岩屑。 3）、冷却和润滑钻头、钻具。 4）、平衡地层压力，防止井漏、井喷。 5）、形成泥饼，保护井壁，防止井壁坍塌。 6）、向井下动力钻具传递动力。 7）、地质录井。 2课堂教育 清水的缺点： 黏度低，悬浮岩屑能力低，易沉沙卡钻，形不 成泥饼，井壁易塌，不能平衡地层压力。

2、3课堂教育 钻井液的主要成分有： (1)水(淡水，盐水，饱和盐水等)； (2)膨润土(钠膨润土，钙膨润土，有机土或抗 盐土等）； (3)化学处理剂(有机类，无机类，表面活性剂 类或生物聚合物类等)； (4)油(轻质油或原油等)； (5)气体(氮气或天然气)。 4课堂教育 不同的钻井流体形成的分散体系不同，所 起的作用不同。从物理化学观点看，钻井液是一 种多相不稳定体系。为满足钻井工艺要求，改善 钻井液性能，常在钻井液中加入各种不同的添加 剂。钻井液在循环过程中，不能始终保持其优良 性能，而要被钻屑、油、气、水、盐及矿物污染， 其中钻屑是最严重的污染。 5课堂教育 钻屑污染是指在循环过程中，钻屑

3、在机械及化 学作用下，分散成大小不等的颗粒而混入钻井液 中，使钻井液性能变坏，给钻井工程及油、气层 带来危害。 6课堂教育 分散于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： 一是来源于被破碎岩石产生的钻屑；一是来源于被破碎岩石产生的钻屑； 二是为钻井工艺要求而人为加入的。二是为钻井工艺要求而人为加入的。 按固相在钻井液中所起的作用可分为有用固相和有用固相和 有害固相两类。有害固相两类。 钻屑是有害固相的主要来源，而且存在于钻井过 程的始终，带来很多危害。因此必须消除有害固相。 7课堂教育 泥浆中有害固相的危害 1、堵塞油气通道，损害油气层： 1）、钻井液压力大于地层压力时，钻井液

4、向地 层渗透，小于地层油气通道的的固相随之深入，形 成堵塞。即污染油层。 2）、降低机械钻速（单位时间内钻头所钻井眼 的进尺）。 固相含量小于8范围内：固相含量每增加1， 机械钻速下降约10。 8课堂教育 3）、诱发井下事故： 固相导致： A.密度压漏地层； B.黏度钻头易泥包，起钻拔活塞，诱发井喷、 下钻引起压力激动，引起井漏； C.泥饼变松、变厚失水大，导致井壁塌；井眼变 小，易卡钻；引发压差卡钻。 D.泥饼摩擦系数扭矩增加，动力消耗大，钻具事 故多，钻具寿命短； 9课堂教育 4、缩短机械设备寿命：增大磨损，钻头消耗增 加，泥浆泵易损件消耗增加。 井号2号井6号井 固控方式土池固控系统 材

5、 料 消 耗 钻头（只）96 拉杆（根）207 缸套（只）74 活塞（只）6025 凡尔（套）4020 10课堂教育 5、增加钻井成本：相邻两井比较 井号89号94号 井深（米）39023836 固控状况很差良好 钻速（米/小时）1.04 1.91 泥浆成本（元/米）86663.9 全井累计（万元）33.824.5 11课堂教育 所谓钻井液的固相控制，就是清除有害固相，保 存有用固相，或者将钻井液中的固相总量及粒度级配 控制在要求的范围内，以满足钻井工艺对钻井液性能 的要求。通常将钻井液的固相控制简称为固控，习惯 上也称为泥浆的净化。 12课堂教育 2.钻井液中固相的分类及粒度分布 根据不同的

6、特点，钻井液中的固相有不同的 分类方法。 按固相的密度可分为：高密度固相和低密度 固相。前者是根据钻井要求特意加入的重质材 料，以提高钻井液的密度。 加有重质材料的钻井液称为加重钻井液或加 重泥浆。 13课堂教育 低密度固相包括普通钻屑；配置钻井液所需 的膨润土和处理剂。 不含重质材料的钻井液，称为非加重钻井液 或非加重泥浆。 根据美国石油学会(API)的规定，按固相颗 粒的大小可将钻井液中的固相分为三大类： 粘土(或胶质) 粒度小于2m 泥 粒度为274m 砂(或API砂) 粒度74m 14课堂教育 粒度级别直径（m） 一、粗粒20000 二、中粗粒2502000 三、中粗74250 四、细

7、粒4474 五、超细粒244 六、胶体250 二除砂器3280 三除泥器1052 四清洁器1060 五离心机27 20课堂教育 机械清除的特点： 1）设备配套，逐级清除。 2）固相控制容易，泥浆性能稳定，泥浆损失少，污 染小。 3）固控成本较低。 21课堂教育 五十年代以前，主要是用振动筛来清除钻井液中 的固相。 22课堂教育 由于振动筛清除固相的能力有限，到五十年代中 期，旋流分离器开始用于钻井液中的固相控制。 23课堂教育 到六十年代随着钻井工艺的发展，对固控的要求 越来越高，因而又发展使用了除泥旋流器，离心机 等机械设备。 24课堂教育 由于不同固控设备仅对一定颗粒尺寸范围内的 固相才能

8、发挥最大效能，因此各种固控设备应合理 组合成为一个系统进行应用。到七十年代，这种机 械固控系统已是现代钻井装备的重要组成部分。我 国的固控技术是八十年代发展起来的。 25课堂教育 当钻井液中侵入气体后，钻井液的性能随之改 变，也影响砂泵，钻井泵的正常吸入和工作。因此 钻井液中的气体也被列入清除之列，清除钻井液中 气体的除气器也属于固控设备。 26课堂教育 应该指出，固控系统通常不仅仅指上述的各 种固控设备，而是包括从泥浆返出井口开始到进 入钻井泵吸入口的整个地面流程。这段流程中包 括了前述的机械固控设备、除气器、泥浆搅拌器、 泥浆池、泥浆配置设备等。但整个系统中的关键 设备是各种固控设备，即振

9、动筛、除砂器、除泥 器、泥浆清洁器、离心机及除气器。其它的则属 于辅助设备。 27课堂教育 表7-3列出了部分固控设备的处理能力和处理的 粒度范围。 28课堂教育 典型的机械固相控制系统。 29课堂教育 30课堂教育 31课堂教育 32课堂教育 4.3.3 4.3.3 振动筛振动筛 钻井作业中利 用振动的筛网回 收钻井液中的液 相，并且以是否 能通过筛网为标 准，将大小不等 的固相颗粒分成 两组或两组以上 的机械设备，称 为钻井振动筛， 简称振动筛。 33课堂教育 从井底返出的钻井液首先经过振动筛清除较大 的固相颗粒，故称振动筛为第一级固控设备，它 适合于各种钻井液的筛分。 34课堂教育 35

10、课堂教育 目前石油矿场使用的几乎都是单轴惯性振动筛， 它由筛箱、筛网、隔振弹簧及激振器等组成，。 36课堂教育 37课堂教育 38课堂教育 由主轴、轴承和偏心块等构成的激振器，旋转 时产生周期性的惯性力，迫使筛箱、筛网和弹簧等 部件在底座上作简谐振动或准简谐振动，促使由泥 浆盒均匀流至筛网表面的泥浆中的液固相分离，即 液体和较小颗粒通过筛网孔流向除砂器，而较大颗 粒顺筛网表面移向砂槽。 筛网的振动方式决定着钻屑在筛网上的分离粒 度、运移速度、排屑量和液体处理量等。 39课堂教育 激振器与筛架的相对位置以及激振器转动的方 向决定着振动的轨迹形状。 40课堂教育 如果把激振器安装在筛架的重心位置，

11、则振动 轨迹呈圆周形状，如图7-18a所示。此刻，钻屑在 筛架上运动的方向和速度取决于激振器的转动方向、 振动频率和振幅。 41课堂教育 如果把激振器安装在筛架重心的上方位置，筛架 两端呈椭圆振动，而激振器的正下方呈圆周振动，如 图7-18b所示。固相颗粒运移速度受椭圆轴、筛架的 倾角和激振器转动的方向所控制。 42课堂教育 呈直线运动的振动筛，如图7-18c所示。 43课堂教育 泥浆振动筛中最易损坏的零件是筛网。一般有 钢丝筛网、塑料筛网、带孔筛板等，常用的是不锈钢 丝编织的筛网。筛网通常以“目”表示其规格，它表 示以任何一根钢丝的中心为起点，沿直线方向25.4毫 米(1英寸)长上的筛网数目

12、。 44课堂教育 例如某方形孔筛网每英寸有12孔，则称做12目筛 网，用API标准表示为1212，或写为APIl2(1524， 51.8)。括号内的1524表示筛孔开孔尺寸(m)， 51.8表示筛孔面积所占的百分比。 对于矩形孔筛网，一般也以单位长度(英寸)上 的孔数表示，如8040、7030表示1英寸长度的筛 网上，一边有80、70孔，另一边为40、30孔。 45课堂教育 目前使用的普通泥浆筛，大多为小于30目的粗 筛网，只能清除固相大颗粒。现在越来越多地采用 60200目的细筛网。 粗网的金属丝较粗(0.39mm以上)，筛孔面积占50左 右，且寿命较长，细筛网(如80目)金属丝细得多(如

13、0.14mm)，筛孔面积仅为31.4，故相同面积下处理 泥浆的能力小，钢丝也易破损。 46课堂教育 4.3.44.3.4水力旋流器水力旋流器 据有关资料介绍，泥浆筛一般只能清除全部固相 量的25左右，74m以下的细颗粒仍留在泥浆中， 对钻进速度仍然影响较大。为了进一步改善泥浆性 能，般在泥浆振动筛之后装有水力旋流器，用以清 除较小颗粒的固相。 47课堂教育 水力旋流器分 为除砂器和除泥器 种，但结构和工作 原理完全相同。锥 筒内径为612英寸 者，称作除砂器， 能清除大于70m和 约50大于40m的 细砂颗粒。 48课堂教育 锥筒内径为25英寸者，称为除泥器，能清除 40m和约50大于15m的

14、泥质颗粒。 所谓锥筒内径是指锥筒圆柱体部分的内径，亦 称工作内径。 49课堂教育 水力旋流器的上部呈圆 筒形，侧面有切向进口管， 由砂泵输送来的泥浆沿切 线方向进入腔体内。顶部 中心有溢流管，处理后的 泥浆由此溢出。 壳体下部呈圆锥形，锥角 一般为1520，底部 为排砂口，固相从中排出。 50课堂教育 水力旋流器的结构图7-20所示。 51课堂教育 水力旋流器与一般分离机械不同，它没有运动 件，利用泥浆中固、液相各颗粒所受的离心力大小 进行分离。 52课堂教育 根据动力学，切向进入并有一定压力的泥浆， 在旋流器内腔旋转时所产生的离心力为： C Cmvmvt t2 2r r 式中M为固、液相颗粒

15、的质量，vt为切向速度，r为旋 转半径。 53课堂教育 因此，质量较大的 固相颗粒受到较大的离 心力，足以克服泥浆的 摩擦阻力，被抛到旋流 器的内壁上，并靠重力 作用向下旋流，由排砂 口排出，而质量小的固 相颗粒及轻质泥浆则螺 旋上升，经溢流管输出。 54课堂教育 55课堂教育 水力旋流器分离出固相的粒径愈小，则分离 能力愈大，它与旋流器的尺寸、进浆压力、泥浆粘 度及固相颗粒的分布有关。 由于泥浆中固相颗粒以高速撞击旋流器内壁， 并沿内壁快速旋转下落，往往导致旋流器内壁很快 磨损、破坏。 水力旋流器由于结构简单，广泛用于液固、液 液及液气分离之中。 56课堂教育 4.3.54.3.5泥浆清洁器

16、泥浆清洁器 随着钻井深度的不同，对泥浆性能的要求也不 同。对于一般深度的井，多使用非加重水基泥浆。 处理这类泥浆的固控设备是：振动筛除砂器 除泥器离心机。目的是尽可能除去泥浆中的固 相颗粒。 57课堂教育 但是对深井和超深井，由于井下油气压力高，地 层情况复杂，常使用加重泥浆，即在泥浆中添加重晶 石粉和化学药剂等。此时，若仍用上述设备组成净化 系统，就会使大量重晶石粉或贵重液相白白地流失。 因此，对于水基或油基加重泥浆，应采用振动筛泥浆 清洁器离心机组成净化系统，即钻深井或超深井时， 泥浆清洁器是净化系统中的必备装置。 58课堂教育 59课堂教育 泥浆清洁器由旋流器和振动 筛组合而成，上部是4

17、5英寸 的水力旋流器，下部是150 200目的振动筛。 60课堂教育 泥浆自井口中返出，经双层振动筛(上层40目， 下层60目)处理后流入泥浆罐，再由砂泵从罐中泵 入清洁器。 清洁器将泥浆中74105m的固相颗粒清除掉， 而液相及小于74m的固相(包括260m的重晶 石粉) 则返回到泥浆中。 因此，清洁器一般只用在加重泥浆系统中。用 途是清除比重晶石颗粒大的固相颗粒，回收重晶 石及液相。 61课堂教育 4 4.3.6.3.6离心分离机离心分离机 离心沉降分离是用于固相含量较少，颗粒较细 的悬浮液的分离。钻井液经过振动筛、除砂器、除 泥器的处理后，已除去大部分较大固相颗粒，若要 作进一步处理，沉

18、降式离心机是比较合适的设备。 离心沉降是以固液(或液液、气液、气固)的密度差 作为分离的基础。 62课堂教育 63课堂教育 64课堂教育 65课堂教育 离心分离机主要工作部件见图722，其由离 心机转鼓及安装于转鼓内的螺旋式输送器组成。螺 旋输送器上的刮板(叶片)与转鼓内壁之间有一定间 隙，它可相对转鼓旋转。 66课堂教育 工作时，转鼓与螺旋输送器同向高速旋转， 但二者存在(0.63)的转差率(即二者转速差与 转鼓的转速比)。也即螺旋输送器比转鼓慢(0.6 3)，它表示转鼓每转100转，螺旋输送器将沉渣 推送了(0.63)转。 67课堂教育 离心机工作时，钻井液从高速旋转的螺旋输 送器的空心轴

19、进入转鼓内。在转鼓及输送器的高速 旋转带动下，固相颗粒受到离心力作用沿径向向转 鼓壁运动，并沉淀于离心机的转鼓壁上，小颗粒及 液相则在里层。液圈范围(有的又叫水池)称为沉降 区。 68课堂教育 分离后的钻井液从转鼓大端侧壁上的溢流口流 出。螺旋输送器的叶片将沉降的颗粒推向脱水区， 最后从转鼓小端上的排渣口排出。 69课堂教育 在脱水区内，颗粒受离心挤压和离心过滤作用， 挤出所有的自由水，排除的颗粒仅带吸附水，因而 排出的沉渣是比较干的。 70课堂教育 71课堂教育 4.3.7 4.3.7 除气器除气器 在钻井过程中，钻井液常受井内的天然气或空气 污染。由于井底层压力较高，气体被溶解于钻井液中。 当钻井液返回地面时，压力减小，被溶解的气体膨胀 为大小不等的气泡而存在于钻井液中。这种含有气体 的钻井液称为气侵钻井液。 除气过程就是使侵入钻井液中的气泡快速到达液 体表面并破裂逸出的过程。 72课堂教育 73课堂教育 现场使用的除气器 种类很多，现对几种典 型的除气器工作原理及 结构作简单介绍。 1.常压式简易除气器 基本结构是一个底部敞 开(或有一个直径较大的 排出口)的立式钢质圆筒。 筒的一侧有一个钻井液 入口，顶端是气体排出 口。 74课堂教育 除气筒内有许多 挡板，排列形状各不 相同。其作用