钻井固控设备及其发展石油大学

1、1钻井固控设备及其发展中国石油大学（华东）机电工程学院齐明侠0546-2提 纲一、固控设备的作用二、固控设备的组成 三、振动筛 四、除气器 五、除砂器与除泥器 六、离心机 七、其他固控设备八、固控设备的发展3一、固控设备的作用 固控设备：控制钻井液（泥浆）固相成份的设备，是泥浆处理设备的重要组成部分。 1旋转钻井的钻进过程 破岩：转盘方钻杆钻杆钻铤钻头 排屑：泥浆：泥浆泵水龙头钻杆 钻头环空地面42钻机的三大 工作系统起升系统旋转系统循环系统循环系统最为复杂53循环系统泥浆流程：泥浆罐泥浆泵管汇水龙头钻具钻头环空井口泥浆处理系统泥浆罐64泥浆的作用（1）冲洗井底（2）携带岩屑（3）平衡地层压力

2、（4）冷却与润滑钻头（5）保护井壁（6）提供井下动力 75对泥浆的要求满足钻井循环的要求 钻井循环对钻井液的要求是泵压低（粘度低），携砂能力强（动切力高），启动泵压低（静切力低），润滑性能好，摩擦力低，磨损小（固体颗粒少）。8保持井眼的稳定 钻穿的地层要用钻井液的压力柱与地层压力取得平衡，钻井液密度稳定；钻井油气层时要靠钻井液的压力柱来平衡油气的压力要求钻井液密度适当。要求钻井液有克服不稳定地层的性能，例如泥岩吸水膨胀造成井眼收缩；砾岩、火山岩遇水造成跨塌，盐岩遇水而形成溶洞等，即要求有不同性质的钻井液。9保护油气层 钻开油气层后，钻井液与油气层接触，为防止钻井液损害油气层，要求钻井液的失水小

3、、泥饼薄（钻井液失水后，固压差固体颗粒在井壁上形成泥饼环）、固相含量低、滤液的水化作用低（滤液进入地层后与地层中的液体发生的化学作用）等。保护环境和生态 钻井液中常含有原油、柴油和各种油类以及含有大量的化学处理剂，为防止钻井液对环境和生态可能造成的影响，要求使用无害、无毒的钻井液。105固控设备的功能 功能控制钻井液中的固相含量 钻井液中的固相含量增加会明显降低机械钻速， 甚至会导致钻井事故， 使钻井总成本大幅度上升。试验证明固相含量每降低 1%， 钻进速度至少可提高 10%， 而且颗粒越小对机械钻速的影响越大。 钻井液循环系统必须配备钻井液净化装置。11固控设备的作用：（1）清除有害固相，保

4、证钻井连续进行；（2）保证钻井安全，防止事故发生；（3）节能降耗；（4）降污环保。12二、固控设备的组成 1固控设备的组成 （1）三除一筛 振动筛、除气器、除砂器、除泥器 （2）离心机 （3）其他 砂泵、剪切泵、搅拌器、喷枪、 循环罐，配料装置132固控流程14固控流程15固控流程16固控流程17固控系统18三、振动筛1要求振动筛的筛箱应具有合理的运动轨迹，即普通椭圆、圆、直线、平动椭圆。配备的振动筛能够处理从井眼返出的全部钻井液。振动筛具有运转平稳、工作可靠，启动和停止过渡时间应小于60s。振动筛整机平均无故障运转时间不少于3000h。为保证振动筛的性能要求，振动筛整机动态特性检测应符合下表

5、的要求。19振动筛整机动态特性 202类型与基本原理分类：（1）按运动轨迹分为：普通椭圆振动筛：工作时筛箱做椭圆运动，并绕质心做俯仰运动。圆振动筛：工作时筛箱做圆轨迹运动。直线振动筛：工作时筛箱做直线轨迹运动。平动椭圆振动筛：工作时筛箱做平动椭圆轨迹运动。21（2）按筛网绷紧方式分为纵向绷紧和横向绷紧筛（3）按筛分层数分为单层筛和双层筛（4）按筛面倾角分为水平筛和倾斜筛（5）按振动方式分为惯性振动筛、惯性共振筛、弹性连杆式共振筛、电磁振动筛等22振动筛组成： 振动筛是钻井液固相控制系统的第一级处理设备，它工作的好坏直接影响整个固控系统的控制效果。 振动筛由底座、激振器、筛箱、筛网、隔振弹簧等构

6、成。23 振动筛的技术水平主要反映在处理能力（处理量和分离粒度）、工作的稳定性、寿命的长短和操作的灵活性几个方面。振动筛的处理能力与振动筛的结构、运动轨迹、振动频率、振动强度、筛网面积和筛网的粗细有关。 现代振动筛一般是高速、线性、细目、多层振动筛，它在固相控制系统中起着至关重要的作用。243圆型振动筛 单轴惯性振动筛是一种采用偏心轴或偏心块作为激振器，使筛箱完成振动的振动筛。其运动轨迹一般为圆形或准圆形。与双轴惯性筛相比，它具有结构简单，成本低，运移方便，维修保养工作量少等优点。25 简单惯性筛：工作原理如图所示。筛箱5通过弹簧4支承在底座1上，偏心轴或偏心块6通过轴承2安装于筛箱两侧，皮带

7、轮3安装在偏心轴端，与筛箱一起振动。26 偏心自定心式振动筛使皮带松紧一致274直线振动筛 工作原理：质量相等的两偏心块进行同步反向旋转，工作时所产生的离心力F相等。在各瞬间位置上，离心力F沿振动方向的分力相加，而与振动垂直方向的分力相互抵消。因此激振器只在振动方向形成激振力，使筛箱作直线振动。一般钻井液直线筛的掷抛角为4560。28 2ZZS-D箱式激振器钻井液直线振动筛 1筛箱；2箱式激振器；3渡槽；4支承弹簧；5筛网；6横梁 292ZZS-G筒式激振器钻井液直线振动筛 1筛箱；2筒式激振器；3筛面；4渡槽；5支承弹簧 305椭圆型振动动筛 钻井液均衡椭圆振型振动筛(以下简称椭圆振动筛)

8、圆振型振动筛上有一个旋转着的加速度矢量，筛面上物料极易分散，堵塞筛孔的可能性小，但圆运动物料输送速度较低，因而在相同条件下处理量不如直线筛。直线筛筛面水平布置，物料输送速度高，然而加速度只有一个方向，所以堵孔的可能性较大。 均衡运动椭圆筛综合了直线筛和圆筛的优点，即椭圆“长轴”是强化物料输送的分量，而短轴则可减少部分物料堵孔的可能性。一般情况下，椭圆振动筛的总处理量较直线振动筛和圆振动筛大26%左右。31 椭圆筛激振器的工作原理：激振器两轴的偏心质量矩不相等，所以离心力也不相等，在1、3位置，离心力抵消一部分，作用在筛箱上的力为F1F2，因此在椭圆运动上形成短轴b；在2、4位置上，离心力叠加，

9、作用于筛箱上的力为F1+F2，因此在椭圆运动上形成长轴a，相当于双振幅。椭圆筛的长短轴之比与物料分离的难易程度有关，难分离的物料一般宜采用2：1，2.5：1，其他情况下采用4：1及6：1等。 32133四、除气器 除气器用来清除气侵钻井液中的气体，其处理能力应达到全流量处理。除气器必须置于振动筛之后砂泵之前来处理钻井液。因为钻井液中含有气体时，离心砂泵将发生气蚀，气蚀不但使砂泵性能下降，产生噪音和振动，寿命缩短，严重时会使砂泵无法工作或损坏。34 除气器的功能有两点：一是保证钻井液性能相对稳定，防止井喷、井涌事故，确保钻井安全；二是保证旋流器能正常工作。在钻中深探井、气井和含气油井时，必须配备

10、除气器。 除气器有大气式和真空式两种类型，从除气机理看，当钻井液被机械搅拌、真空抽吸和形成薄层紊流时，气体即可逸出。真空式除气器具备真空抽吸和形成薄层紊流两种功能，而大气式除气器只具备机械搅拌功能。从除气效果看，真空式除气器优于大气式除气器。35除气器36真空除气器37五、除砂器与除泥器 除砂器、除泥器在固控工艺流程中处于振动筛之后 ,它们的主要用途是将通过振动筛后还混在钻井液体系中的更微小的固相颗粒清除出来。 38 除砂器、除泥器的核心部件是水力旋流器。水力旋流器是根据离心沉降分离原理设计的固液分离设备，它分离固相的能力与本身的结构参数、进浆压力和钻井液特性有关。旋流体内径越小，能分离出的固

11、相颗粒越细。 391原理 离心沉淀原理是水力旋流器的基本工作原理，即悬浮的颗粒受到离心加速度的作用而从液体中分离出来。描述固相在液体中的沉降速度的斯托克思定律仍将有效。40 含有悬浮固相颗粒的钻井液，在压力作用下以很高的速度由进液口进入圆柱蜗壳。绕锥筒中心高速旋转的钻井液产生极大的离心力，并向圆锥筒底部移动。由于钻井液中的液体与固体存在着密度差，使固相分离出来而靠近锥壁。旋流器的锥筒越向底部半径越小，钻井液获得的角速度越大，从而产生更大的离心力。对于一个设计较好并进行适当调节之后的旋流器，钻井液在锥体顶部不但绕中心高速旋转，而且产生一个反向旋涡，经垂直导流管而离开锥筒。钻井液和钻井液中的固相颗

12、粒的运移速度几乎相同，这些固相颗粒在小半径处受到极大的径向加速度。41 在径向加速度（离心力）的作用下，迫使固相颗粒向锥筒壁运移。同时，由于旋转下行的固相颗粒惯性力很大，将推着它向底部快速运动，因此当液体反向旋转，向上由溢流口排出时，这些已分离出来的固相颗粒不可能随溢流返回，而是由底流口（排砂口）排出。由此可见，这些固相颗粒实际上是由于惯性除掉的，而不是靠沉降作用。由于细小的颗粒受到的离心力较小，在到达锥底之前未能到达锥壁，因而被反向运动的钻井液带至锥筒中心经溢流口返回。422结构 普通水力旋流器的结构如图。上部是一个圆柱蜗壳，下部是一个锥形壳，圆柱壳的侧面，有一切向钻井液入口管，顶部装有出口

13、溢流管。圆锥壳底部是排砂孔，分离出来的砂、泥以及少量的液体由此排除。433参数 水力旋流器的公称尺寸系指上部圆柱蜗壳的内径D。根据内径不同，将钻井液固控系统中的水力旋流器分为除砂器、除泥器和微型旋流器三大类。到目前为止，尚没有一个严格的分类标准。一般而言主要用来降低API定义的“砂”粒（颗粒粒度大于74）含量的旋流器，或圆柱蜗壳直径大于、等于150mm的旋流器都定名为“除砂器”。根据国标GB/T11647-89推荐，钻井液固控系统中三类旋流器的分类标准及相应的分离粒度如表所示。 44水力旋流器的分类标准及分离粒度 45分离点D50 46 4. 泥浆清洁器旋流器+振动筛泥浆清洁器工作流程示意图

14、1振动筛处理过的泥浆；2清洁泥浆；3水力旋流器；4细目振动筛；5排出的固体颗粒；6筛网底流；7泥浆返回循环系统 47 六、离心机 钻井液离心机是固控设备中固液分离的重要装置之一，一般情况下安装在系统的最后一级。用于处理非加重钻井液，可以除去2种以上的有害固相；处理加重液可除去钻井液中多余的胶体，控制钻井液粘度，回收重晶石；处理旋流器底流，可回收液相，减少淡水和油的浪费。此外，离心机也是处理废弃钻井防止污染环境的一种理想设备。48 离心机的应用非常广泛，矿业、钢铁、农业、轻工等。 我国从七十年代末开始引进螺旋离心机，对国外著名公司生产的多种规格的卧螺离心机进行了仿制。卧螺离心机是原化工部“七五”

15、科技攻关项目，1989年南京绿洲机器厂仿制了ALFANx42o型大锥角(20)离心机(即L201)，用于玉米蛋白的分离，并于1992年制成样机；此后，重庆江北仉械厂、解放军第4819厂和金华铁路机械厂等研制开发了一系列的螺旋卸料沉降离心机，并成功地应用于生产实践。但是就整体水平而言，我国还是远远落后于工业发达国家的。49 泥浆处理用离心机可分为低速和高速两类 目前现场应用中没有对高、低速离心机提出统一的分类 ,但根据其在固控系统中作用的不同，可以简单地将划分为：低速离心机分离固相颗粒的范围是约20m 的固相颗粒；高速离心机分离固相颗粒的范围是约 5m的固相颗粒。 低速离心机在固控系统中的主要用

16、途是将钻井液体系中的重晶石等加重固相颗粒甩出钻井液并加以回收利用，以便控制钻井液密度，其经济效益对于稀释钻井液来控制钻井液密度的方法是非常明显的。 50 高速离心机的处理量较中低速离心机而言，处理量小了5倍左右(约1.56m3/h)，而且能处理的固相颗粒相对较细，分离含较高固相浓度的钻井液就成问题，所以必须和低速离心机搭配使用。但是高速离心机的固相处理范围正好是影响钻井液粘度的固相范围(110m左右)，所以对于深井降低钻井液的切力，提高井身质量，防止井下事故，高速离心机的效果很好。 51 1 结构 钻井液沉降式离心机的结构示意如图所示。离心机的转鼓5两端支承在滚动轴承上，输送固相的螺旋输送器6

17、与转鼓之间留有微量间隙，并用行星差速器7使二者维持一定的转差。电动机通过V形胶带3带动转鼓和螺旋输送器。电机与转鼓之间装有液力联轴器2，加料管4装在转鼓的大端，行星差速器一端装有过载保护装置。52钻井液离心机示意图1电动机；2液力联轴器；3V形胶带；4加料管；5转鼓；6螺旋输送器；7行星差速器 532基本原理 离心机分为转筒式和沉淀式等几种。 转筒式离心机工作原理是：带许多筛孔的内筒体在固定的圆筒形外壳内转动，外壳两端装有液力密封，内筒体轴通过密封向外伸出。待处理泥浆和稀释水（泥浆：水1：0.7）从外壳左上方由计量泵输入后，由于内筒旋转的作用，泥浆在内、外筒之间的环形空间转动，在离心力的作用下

18、，重晶石和其它大颗粒的固相物质飞向外筒的内壁，通过一种可调节的阻流嘴排出，或由以一定速度运转的底流泵将飞向外筒内壁的重泥浆从底流管中抽吸出来，予以回收。调节阻流嘴开度或泵速可以调节底流的流量。而轻质泥浆则慢速下沉，经过内筒的筛孔进入内筒体，由空心轴排出。这种离心机处理泥浆量大，可回收重晶石8296。54转筒式离心机工作示意图1泥浆；2稀释水；3固定外壳；4筛筒转子；5润滑器；6轻泥浆；7重晶石回收；8驱动轴 55 沉淀式离心机 主要由锥形滚筒、输送器和变速器组成。输送器通过变速器与锥形滚筒相连，二者转速不同。多数变速器的变速比为80：1，即滚筒转80圈，输送器转1圈。分离原理是：待处理的加重泥

19、浆用水稀释后，通过空心轴中间的一根固定输入管、输送器上的进浆孔，进入由锥形滚筒和输送器蜗形叶片所形成的分离室，并被加速到与输送器或滚筒大致相同的转速，在滚筒内形成一个液层。调节溢流口的开度，可以改变液层厚度。由于离心力的作用，重晶石和大颗粒的固相被甩向滚筒内壁，形成固相层，由螺旋输送器输送到锥形滚筒处的干湿区过渡带，通过滚筒小头的底流口排出，而自由液体和悬浮的固相颗粒则流向滚筒的大头，通过溢流孔排出。56沉降式离心机的旋转总成 1泥浆进口；2溢流孔；3锥形滚筒；4叶片；5螺旋输送器；6干湿区过渡带；7变速器；8固相排出口；9泥饼；10调节溢流孔可控制的液面；11胶体和液体排出；12进浆孔；13

20、进浆室；2-1浅液层孔；2-2中等液层孔；2-3深层液孔 573使用要求（1）离心机的分离粒度和处理量应达到设计要求，转鼓转速不应低于设计转速的97%（2）离心机振动烈度：空运转时不大于G7.1级，负载运转时不大于G 11.2级。（3）离心机空运转和负载运转时，噪声不应大于90dB (A) （4）离心机主轴承温升：空运转时不应高于30，负载运转时不.应高于40。（5）离心机差速器温升：空运转时不应高于30，负载运转时不应高于40（6）电动机及控制箱为隔爆型，防爆等级为d BT4，运转电流及温升不应超过其额定值。（7）离心机在正常工作情况下，平均无故障工作时间应大于3000h。584离心机参数L

21、W4001200型变频控制高速离心机主要技术参数 转鼓内径 400 mm转鼓长度 1200 mm最大处理量 50 m3/h转鼓最高转速 3000 r/min分离中点 3m (转鼓最高转速3000/min、 钻井液密度1.2103kg/m3时)功率 37 kW供液泵功率 7.5 kW5960（七、其他固控设备 砂泵、剪切泵、搅拌器、喷枪、循环罐，配料装置等。（1）砂泵： 输送钻井液的一种专用离心泵。 钻井液中含有磨砺性物质，要求砂泵耐磨。61（2）剪切泵：利用流体剪切原理，使高分子增粘剂快速溶于钻井液的一种复合叶轮泵。 其主要用途是在配制钻井液时，用于剪切聚合物粘土(钻井液药品)。剪切泵输送的是

22、含有磨砺性细小颗粒的钻井 液，工况十分恶劣。当剪切泵的轴封泄漏时，不仅 会导致泵效降低和钻井液浪费，还会造成严重的环 境污染。因此，高效、可靠的密封质量是保证剪切泵正常、连续及安全运行的关键。62剪切泵结构 泵的剪切作用主要靠组台叶轮和剪切盘提供。叶轮为半开式，进口处设有导叶，导叶与工作叶片相连，叶轮前盖板处设有4个弧形锥管，每个锥管内有11个喷嘴。叶轮与剪切盘同装于泵轴上。 63剪切泵原理 流体从导叶V处进入，分两路流到剪切盘的P处。其中吸入流体的50进入4个圆弧排列的锥管形导流管，并从其内的44个喷嘴N处喷出，高速冲击剪切盘，被初步剪切。这部分流体与从导叶V处直接流到剪切盘处的流体在M处产

23、生9O碰撞剪切，混合后沿剪切盘端面流到剪切盘外缘端部T处。由于剪切盘外缘端部被切分成叉齿状井具有非常高的圆周速度，其尖端速度可达25m/s，使混合液体受到更太强力剪切，达到快速强力混拌之目的。 64（3）搅拌器：通过叶轮的搅拌，使钻井液中的固相颗粒悬浮，避免沉降的一种搅拌装置。 搅拌器的功能是保持钻井液性能稳定，因此搅拌器叶轮排出的钻井液必须在罐内使悬浮固相向上的速度大于沉降速度，因而叶轮直径和转速给定的搅拌器的工作体积是一定的。搅拌器使其工作体积内的钻井液循环搅动一次的时间叫做循环时间，据国外有关资料介绍，循环时间一般为3090s。在固控系统中，放置振动筛等固控单机的钻井液贮罐需要沉砂，故循

24、环时间取大值，而其它钻井液贮罐和钻井泵上水罐应取小值，以保证钻井液性能稳定。通常取循环时间为60s作为设置搅拌器数量的依据。搅拌器规格见表4。65搅拌器参数66（4）泥浆枪：利用高速射流搅拌泥浆的液力搅拌器。 钻井液枪钻井液枪的作用是依靠枪体喷嘴产生的高速液流，冲击钻井液贮罐底沉积的固相使其悬浮。同时，当搅拌器停机一段时间后，沉积的固相埋没叶轮而需要重新启用时，钻井液枪工作可消除搅拌器启动时的部分阻力矩，这就为搅拌器正常工作提供了可靠保证。 钻井液枪有高、低压之分，高压枪由钻井泵排出支流供液，压力等级为16MPa；低压枪由离心砂泵供液，压力等级为0.20.3MPa。配置多少应根据搅拌器数量来决

25、定。67（5）循环罐： 为了保证井口返出的钻井液通畅地注入振动筛，必须根据振动筛进液口高度和钻机底座高度来确定钻井液贮罐的高度尺寸，同时还必须以钻机级别确定系统的钻井液总量。 罐外形尺寸的确定从运输条件考虑，罐长12m，宽2.6m.高H2.4m。按钻机底座和振动筛确定钻井液贮罐高度。 68 八、固控设备的发展 目前，固控设备着重发展国外固相控制设备性能良好、工作稳定、寿命长，已实现设备类型的标准化、系列化和专用化。国外的固控设备水平以美国的BRANDT、SWACO、DERRICK等公司为代表，质量和性能处于世界首位。国外特别重视固控系统设备的优化配置和整个固控系统的效率评价，并为此开发了钻井液

26、固相控制专家系统。69 泥浆干燥器的使用 美国石油工具有限公司固相控制系统由4台振动筛和两台干燥器(即干燥型振动筛)组成。4台振动筛和一台干燥器并联在一起，井内返出的钻井液由钻井液分配器分流到4台振动筛和一台干燥器进行处理，它们分离出的固相颗粒再由另一台干燥器进行处理，使颗粒进一步脱水。脱出的液体回收，干燥的颗粒被排掉。70 干燥器实际上是强力细目振动筛，筛架上倾10，以减少液体的损失。4台振动筛用的筛网是三维细目波形筛网，而不是传统的平板式线状筛网，三维结构允许重力迫使迎面而来的固体向下进入褶皱槽，从凸起区域离开，从每个褶皱的上部把固体分离。因此增加了通过流体的数量，不会淹没凸起部分，而凸起

27、部分能增加流体流动能力。两层细筛布附在一层粗筛布的上面，三层筛布粘合在一起，做成波纹状，然后再粘合在开孔的板上。波形叠加筛网面积比普通平板筛网的面积大约增加了40，比平板筛网细大约23个筛孔尺寸。处理流体的能力增加70，且不容易堵塞，处理效果很好。71 近年来，国内钻井液固相控制设备的理论研究和制造工艺水平都有较大的发展，特别是在理论研究方面，例如振动筛的工作原理、旋流器的工作原理等，已达到或接近世界先进水平，但国产的固控设备在性能，寿命方面与国外固控设备有一定差距，主要是材料、加工工艺、加工精度和配套使用的通用设备(例如电动机)的质量。高压(承压80MPa)、大排量(30Ls)固控设备还没有

28、。国内振动筛类型少，今后需加快研制开发干燥型细目振动筛、履带式非振动筛析设备、海洋钻井用环保型专用固控设备及适合多种工况的多功能固控配套系统等，丰富我国固控设备的类型。72 一种钻井液固控设备的配置方法是采用配置不同目数筛网的高频钻井液振动筛 + 除砂器+ 除泥清洁器+中低速离心机+高速离心机的五级固控方式，能有效地清除钻井液中大于3的固相物质，钻井液系统中的固相含量将能够保持在 0.3%以下，还可以有效地控制钻井液的黏度、相对密度。73发展方向：（1）固控系统的简化和优化 现场试验表明，采用由高效振动筛+变频离心机组成的新型两级固控系统，可省掉除砂器和除泥器，节能效果明显。也可采用分级过滤技术，彻底改变现有的固控系统，亦可省去除砂器和除泥器等设备。采用真空过滤方式，甚至可以省去振动筛，大大简化固控系统，减轻井队发电机负荷，优化泥浆罐配置，减少过渡泥浆罐数量，增加储备罐数量，从而明显提高固控效率，缩短处理时间，增加钻井的安全性。74（2）先除气、 再筛分 目前，井口返回的钻井液往往是先经过振动筛，然后再进行除气处理。在进行筛分处理时，大量的气体溢出，不仅增加了振动筛分的危险性，也严重损害了操作人员的身体健康。将专门设计的除气器设置在首位，首先对井