钻井液固控系统

1、 1.1 1.1 钻井液固相控制循环系统钻井液固相控制循环系统 钻井液，是钻井过程中使用的循环的流体，是液体、固体和化学处理剂的钻井液，是钻井过程中使用的循环的流体，是液体、固体和化学处理剂的 混合物。钻井液的循环，是钻井液经钻井泵加压获得水压头后，通过高压管汇、混合物。钻井液的循环，是钻井液经钻井泵加压获得水压头后，通过高压管汇、 水龙头输送到钻杆内腔，沿钻杆内腔流到地下，从钻头喷嘴喷射出来，将钻头在水龙头输送到钻杆内腔，沿钻杆内腔流到地下，从钻头喷嘴喷射出来，将钻头在 地层下破碎的岩屑沿钻杆外的环形空间带回地面，经过振动筛、除砂器、除泥器地层下破碎的岩屑沿钻杆外的环形空间带回地面，经过振动

2、筛、除砂器、除泥器 和离心机等净化设备将钻井液中的岩屑按从大到小的顺序逐级分离得以净化，净和离心机等净化设备将钻井液中的岩屑按从大到小的顺序逐级分离得以净化，净 化后的钻井液流入钻井液罐待钻井泵吸取再循环。在此过程中随钻头打钻深度增化后的钻井液流入钻井液罐待钻井泵吸取再循环。在此过程中随钻头打钻深度增 加，地层疏松程度、气体分布、岩石坚硬状况、等复杂的地层情况随时发生变化加，地层疏松程度、气体分布、岩石坚硬状况、等复杂的地层情况随时发生变化 ，需要及时，需要及时向钻井液增加一些改变性能的材料（如堵漏剂、重晶石粉等），向钻井液增加一些改变性能的材料（如堵漏剂、重晶石粉等），改变改变 钻井液的性能

3、参数，积极应对地层变化，保证钻进的安全顺利的进行。所以，需钻井液的性能参数，积极应对地层变化，保证钻进的安全顺利的进行。所以，需 要一套完整的设备和检测仪器：如钻井液罐、振动筛、除砂器、除泥器、除气器要一套完整的设备和检测仪器：如钻井液罐、振动筛、除砂器、除泥器、除气器 、离心机、混合漏斗、离心泵、搅拌器、液位检测仪、密度计、粘度计等，这些、离心机、混合漏斗、离心泵、搅拌器、液位检测仪、密度计、粘度计等，这些 设备和仪器以一定的方式联合使用，对循环中的钻井液在地面的钻井液罐上进行设备和仪器以一定的方式联合使用，对循环中的钻井液在地面的钻井液罐上进行 净化、化学药剂材料的添加和检测，形成钻井液固

4、相控制和循环系统。净化、化学药剂材料的添加和检测，形成钻井液固相控制和循环系统。 1.2 钻井液功能及作用钻井液功能及作用 1 冷却和润滑钻具。冷却和润滑钻具。 2 清洗井底，携带岩屑，并能在地面沉除岩屑和砂子。清洗井底，携带岩屑，并能在地面沉除岩屑和砂子。 3 在井壁形成坚固的非渗透性的泥饼，保护井壁。在井壁形成坚固的非渗透性的泥饼，保护井壁。 4 停止循环时悬浮岩屑和加重剂。停止循环时悬浮岩屑和加重剂。 5 帮助录井提取所钻地层的资料。帮助录井提取所钻地层的资料。 6 抑制地层压力，在钻井过程中防止井喷、井漏抑制地层压力，在钻井过程中防止井喷、井漏 井塌和卡钻等事故。井塌和卡钻等事故。 7

5、将水马力传送到钻头。将水马力传送到钻头。 8 承受钻杆和套管的重量。承受钻杆和套管的重量。 9 发现和保护油层。发现和保护油层。 10 保护和防止钻杆受腐蚀。保护和防止钻杆受腐蚀。 钻井液固相控制的方法通常有四种：即稀释、替换、机械清除和沉淀。大多 数以机械清除最有效、最经济的固相控制方法。 国内外统称钻井液未“泥浆”。钻井过程中，从井底返回地面的泥浆中含有 大量的岩屑和砂粒，经过泥浆池的自然沉降，因泥浆的粘度和比重较大，其中的 固相颗粒只能稍稍的减少，继续使用这种泥浆，必然会有一些岩屑和砂粒随泥浆 进入泥浆泵，被再次送入井底，造成泥浆泵易损件和钻头寿命的大大缩短，钻头 进尺减少，钻速降低，大

6、量的岩屑和砂粒破坏了泥浆的造壁性能，甚至造成井塌 、卡钻等事故。因此，采用振动筛、除砂器、除泥器等泥浆净化设备进行机械分 离，尽可能降低泥浆中的固相含量，清除掉岩屑颗粒等有害成份，最大程度回收 重晶石、粘土、胶体等有用成份。使泥浆净化，对于改善泥浆泵、钻头、钻具工 作条件具有十分重要的意义。 钻井实践表明，当泥浆中固相颗粒减少1%时，钻头的寿命延长710%，钻速 提高29%。 井口 泥浆泵 振动筛 除砂器 除泥器 离心机 混浆系统 从井筒中返回的钻井液经溢流管进入振动筛，筛除较大的固相颗粒。筛 分后的钻井液汇集于振动筛罐的锥形沉砂仓，依次流入除气仓、除砂仓、除 泥仓和离心机仓。 在除气仓，当钻

7、井液遭气侵性能改变时，需启动除气器将除气仓内的含 气钻井液进行脱气处理，处理后再排入除砂仓。若钻井液性能良好，没有气 侵，不必进行除气处理，锥形仓的钻井液直接流入除砂仓。 在除砂仓，除砂器供液泵吸取钻井液供给除砂器，经过除砂器将钻井液 中大于44 74m的固相颗粒清除，除砂后的钻井液排入除泥仓。 在除泥仓，除泥器供液泵吸取钻井液供给除泥器，经过除泥器将钻井液 中大于1544m的固相颗粒清除，除泥后的钻井液排入离心机仓。 在离心机仓，离心机供液泵吸取钻井液供给离心机，经过离心机将钻井 液中大于215m的固相颗粒清除后排入吸入罐或储备罐，这样就完成了钻 井液四级净化工艺。 完成净化的钻井液流入吸入

8、罐、中间罐、混浆罐和储备罐。两台钻井泵通 过钻井液吸入管汇可分别从吸入罐、中间罐、混浆罐和储备罐中吸取钻井液 打入井筒。 功能与作用： 配置泥 浆、循环泥浆、储备 泥浆、沉淀岩屑 主要参数：容积、各 管线的通径及压力等 振动筛使用效果 振动筛是一种过滤性机械分离设备，它通过机械振动和颗粒间振动筛是一种过滤性机械分离设备，它通过机械振动和颗粒间 的粘附作用，将大于网孔的固体和部分小于网孔的固体颗粒筛离出的粘附作用，将大于网孔的固体和部分小于网孔的固体颗粒筛离出 来。从井口返出来的钻井液经过振动着的振动筛筛网表面，固相从来。从井口返出来的钻井液经过振动着的振动筛筛网表面，固相从 筛网尾部排出，含有

9、小于网孔的固相颗粒的钻井液透过筛网流入循筛网尾部排出，含有小于网孔的固相颗粒的钻井液透过筛网流入循 环系统，从而完成较粗固相颗粒的分离作用。环系统，从而完成较粗固相颗粒的分离作用。 筛分机理，筛箱按照一定的频率、一定的倾角发生振动，固相筛分机理，筛箱按照一定的频率、一定的倾角发生振动，固相 颗粒沿筛面向前做滑移或投掷运动，完成给料、输送、筛分和冷却颗粒沿筛面向前做滑移或投掷运动，完成给料、输送、筛分和冷却 等多种作用和功能等多种作用和功能 振动筛具有最先、最快分离钻井液中固相的特点，担负着清除振动筛具有最先、最快分离钻井液中固相的特点，担负着清除 大量钻屑的任务，如果振动筛发生故障，其它固控设

10、备（除砂器、大量钻屑的任务，如果振动筛发生故障，其它固控设备（除砂器、 除泥器和离心机等）会因为超载而不能正常连续工作。因此，它是除泥器和离心机等）会因为超载而不能正常连续工作。因此，它是 钻井液固控的关键设备。钻井液固控的关键设备。 振动筛的组成：底座、筛箱、筛网、激振器和减振器、升降架振动筛的组成：底座、筛箱、筛网、激振器和减振器、升降架 和控制系统等。和控制系统等。 类型： 按筛箱的振动轨迹分为圆形轨迹圆振筛、直线 形轨迹直线筛、椭圆形轨迹椭圆筛。 性能参数： 1 投掷指数d 岩屑加速度垂直于筛面分量与重力加 速度垂直于筛面分量之比。投掷d指数综合了颗粒跳离筛 面的投掷角、振幅、频率和筛

11、面倾角的关系。（一 般在4至6之间） 2 处理量（l/s） 单位时间透过筛面的钻井 液体积。 在钻井过程中，由于地层压力较高，气体被溶解在钻井液中，当钻井液返回在钻井过程中，由于地层压力较高，气体被溶解在钻井液中，当钻井液返回 地面，压力减小，被溶解的气体膨胀为大小不等的气泡存在于钻井液中这种含有地面，压力减小，被溶解的气体膨胀为大小不等的气泡存在于钻井液中这种含有 气体的钻井液称为气侵钻井液。气体的钻井液称为气侵钻井液。 2.3.1 气侵钻井液的危害：气侵钻井液的危害： 1 钻井液被天然气或空气侵入后，密度降低，粘度升高。井筒环空钻井液密度钻井液被天然气或空气侵入后，密度降低，粘度升高。井筒

12、环空钻井液密度 降低，导致静液柱压力减小（低于地层压力），有可能引起井喷、井塌等恶性事降低，导致静液柱压力减小（低于地层压力），有可能引起井喷、井塌等恶性事 故。故。 2 使砂泵、泥浆泵吸入不良，戎机效率降低，不能正常工作，引起设备振动。使砂泵、泥浆泵吸入不良，戎机效率降低，不能正常工作，引起设备振动。 3 部分有害气体（如部分有害气体（如h2s）溢出钻井液，引起操作工人中毒，也可能引起火灾。）溢出钻井液，引起操作工人中毒，也可能引起火灾。 4 钻井液气侵后，粘度变大，使机械钻速降低。钻井液气侵后，粘度变大，使机械钻速降低。 因此，使用除气器对气侵钻井液进行除气，恢复钻井液密度和粘度。因此，使

13、用除气器对气侵钻井液进行除气，恢复钻井液密度和粘度。 2.3.1 组成结构组成结构 derrick flo1200真空除气 器由罐体、真空泵、电 控箱、喷管和砂泵等组 成。 一般情况下，当钻井液中的气泡直径大于4mm时，能在浮力作 用下很快溢出表面而破裂，直径小于1mm的气泡被包在钻井液中， 出现钻井液密度下降、粘度升高的气侵现象。利用真空泵使除气罐 形成一定真空度，循环罐中气侵的钻井液，在真空所造成的压差作 用下被吸入除气罐内。在真空环境下，使钻井液表面的压力低于大 气压，从而降低了小气泡升至表面所受的压力，较迅速升至液面破 裂而被排出。 2.3.2 除气器工作原理除气器工作原理 1 ) 钻

14、井液以较大的速度撞击叶片和罐壁，使钻井液中的气体 破碎释放； 2 ) 降低内压，是钻井液迅速流入气罐薄片；降低内压使（真 空）使钻井液气泡变大，因此气泡更容易从泥浆中分离出来。 3 ) 钻井液薄层流过表面，流动阻力可能产生紊流，将这些气 泡带到表面从而分离。 除砂清洁器和除泥清洁器是水力旋流器与振动筛的组合，除砂清洁器和除泥清洁器是水力旋流器与振动筛的组合， 因为除砂器底留物中含有较多的水分和比重较大（如重晶因为除砂器底留物中含有较多的水分和比重较大（如重晶 石等）有益的固相颗粒，通过其细目振动筛加以回收。石等）有益的固相颗粒，通过其细目振动筛加以回收。 除砂器、除泥器和微型旋流器统称水力旋流

15、器。除砂器、除泥器和微型旋流器统称水力旋流器。 进口管 溢流口 排砂口 水力旋流器规格水力旋流器规格300250250150125100 50 定定 名名 除砂器除砂器 除泥器除泥器微型旋流器微型旋流器 锥体角度锥体角度（度）（度） 2035 20 10 处理量处理量m3/h12010030201510 5 分离粒度分离粒度m 44 74 15 44 5 10 离心沉淀原理是水力旋流器的基本工作原理。悬浮在钻井液中 的固相颗粒随钻井液在压力作用下，从旋流器蜗壳进液口（切向） 高速流入圆柱蜗壳内壁，高速旋转的钻井液绕锥筒中心旋转产生极 大的离心力。由于钻井液的液体和固相颗粒存在着密度差，使固相

16、颗粒分离出来而靠近锥壁，并在重力作用下向锥筒底部旋流，从底 流口排出，密度较小的钻井液在旋流器中心高速旋转，同时随着固 相颗粒沿锥筒壁下移至底部，锥筒底部压力越大，旋流器中心的钻 井液不能从底部流出，在底部压力作用下从顶部的溢流口流出。 进液口 底流口 溢流口 离心机实现固液分离主要由旋转分离机构完成。 从图可知，本机有两个旋转总成：转鼓7和螺旋推料器4。 主电机经三角胶带和主带轮2拖动转鼓高速旋转；与其 相联的差速器壳体和差速器输入轴的旋转运动（由辅电 机拖动）经过行星齿轮传动的差速器合成一个新的转速 传给螺旋推料器，使推料器获得一个滞后转鼓的差转速， 于是转鼓与螺旋推料器构成了一副具有微小

17、差转速、同 向高速旋转的分离输送机构。 当钻井液从进料管1被连续送入机内时，经加速从 进料孔进入转鼓内，在比重力大几百甚至上千倍的离心 力作用下，转鼓内形成一环形液池，固相颗粒沉降到转 鼓内壁形成沉渣，由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉 渣被推动到转鼓的小端从排渣孔12排出。内环被澄清的 液相则通过螺旋形通道经溢流管11排出，从而实现固 液相连续分离的生产过程。 注：被分离的物料在离心场中所受的离心力与它在重力场中所受到的重力的比值，称为注：被分离的物料在离心场中所受的离心力与它在重力场中所受到的重力的比值，称为 分离因素分离因素fr。 此式表明分离因素实际上是离心加速度与重力加速度此式表明分离

18、因素实际上是离心加速度与重力加速度 之比值。之比值。 使钻井液中的固相颗粒悬浮，是钻井液搅拌器的主要 功能。搅拌器在加速钻井液材料（如膨润土、重晶石）、 化学添加剂的反应、溶解和润湿方面起着非常重要作用。 岩屑是有害固相，必须将它们悬浮起来，才能被砂泵吸入， 注入除砂器、除泥器和离心机进行净化。所以需要搅拌器 连续进行搅拌工作。 2.7.2.1 离心泵的功能离心泵的功能 输送液体。泵是将原动机的机械能或其它能源的能量传递给输送液体。泵是将原动机的机械能或其它能源的能量传递给 所输送的液体，使液体的能量所输送的液体，使液体的能量(压能、位能和动能压能、位能和动能)增加的机械。增加的机械。 泵可以分成动力式和容积式两大类。泵可以分成动力式和容积式两大类。 叶轮泵是通过转动的带有叶