合理配套使用泥浆固相控制设备

合理配套使用泥浆固相

控制设备2017年11月16日1概述钻井固相是泥浆中所含固体成分，其体积或质量百分比即为我们通常所说的泥浆固相含量。钻井固相按其作用可分为两类：有用固相和有害固相。正因为泥浆固相含量及颗粒大小与钻井综合成本有着如此重要的关系，泥浆固相控制才在钻井工程中显得至关重要。泥浆固相控制就是要清除泥浆中的有害固相，保存有用固相。以满足钻井工艺对泥浆性能的要求。固相控制的方法很多常用的有大池子沉淀、稀释法、替代法、机械法、化学絮凝法五种。稀释法是用清水或其他较稀的液体来稀释泥浆；替代法是利用清水或性能符合要求的泥浆来替代出一部分固相较高的泥浆，从而减轻总的固相含量；机械法是通过振动筛、除砂器、除泥器、离心机等机械设备，利用筛分、离心分离等原理，将泥浆中的固相成分按颗粒、密度大小不同而分离开，根据需要进行取舍，以达到控制固相的目的；化学方法是利用不分散体系泥浆来控制钻屑，使之不分散或絮凝，他常常是机械或其他方法的补充。其中由于机械法固控效果好，成本低，且尚无新的固控方法可以替代，故在钻井施工中被普遍采用。对泥浆循环固控系统研究探索主要针对流程的科学设计，同时以流程为主线来合理配置固控设备，其最终目的是为了更好地满足钻井作业的需要，因此，首先要从钻井工艺要求的角度考虑，其次要符合高效、节能、环保的要求，另外，要安装方便、操作简单、降低劳动强度。2泥浆的分类和作用2.1泥浆的分类泥浆是粘土颗粒分散在介质中而构成的。构成泥浆的分散体不止是粘土颗粒，而分散介质也不止是水。以分散和分散介质不同来划分泥浆的分类和组成（见表2.1）。表2.1泥浆的分类类型组成分散体分散介质水淡水泥浆粘土淡水基钙处理泥浆粘土水中钙离子浓度大于80毫克/每升泥盐水泥浆粘土水中含盐量大于1%饱和盐水泥浆粘土饱和盐水浆低固相泥浆粘土含量少于7%淡水或矿化水油基泥浆沥青、烟黑、亲油粘土柴油或原油乳水包油型粘土、油滴淡水或矿化水化（混油泥浆）泥油包水型水、粘土柴油或原油注：上表均系指一般比重的泥浆。若重泥浆，则分散体里还有加重剂颗粒。目前普遍使用水基泥浆和油基泥浆。2.2泥浆的作用泥浆是关系钻井成败的主要因素之一。泥浆的主要作用如下：携带和悬浮钻屑。泥浆的一个基本作用，就是要把钻头破碎的岩屑从井底带出井眼，保持井眼净化。稳定井壁：泥浆的组成必须对钻遇的泥页岩的水化膨胀和分散具有较强的抑制作用，同时，泥浆的滤失性能应有利于在井壁上形成薄而韧、摩擦系数小的泥饼。冷却和冲洗钻头，清扫井底岩屑。平衡井底压力：泥浆密度能在较大范围内调节，以建立与地层压力相平衡的液柱压力，防止喷、漏、塌、卡等井下复杂情况发生。2.3泥浆中固相分类根据泥浆中固体的性质可将其区分为两大类：活性固体：这些固体在水中水化分散，它们的物理化学性质受水中的离子和泥浆处理剂的影响，这些固体如粘土和以粘土为主要成分的岩屑。惰性固体：这些固体不溶于水，在水中也不水化分散，如重晶石、石灰石、砂等。根据固体对泥浆性能的影响，泥浆中的固体又可分为：有用固体：包括膨润土(颗粒一般小于2m)、重晶石等加重料和一些泥浆处理剂。⑵有害固体：(或称无用团体)是指岩屑、劣质粘土和砂粒，它们的颗粒直径皆大于10^m。各种不同的固体其颗粒直径范围如下：胶体颗粒0〜2pm泥质2〜74pm砂粒>74pm常用的重晶石大部分颗粒处于2〜74pm范围内(95%通过200目筛)，在钻进过程中地层岩石不断地被钻头破碎，钻屑进入泥浆，而它们大部分是有害固体，因此要保持泥浆固相含量低和胶体含量低必须解决以下问题：让钻碎的岩屑和粘土，由井底带至地面整个过程不水化、不分散。让钻屑尽快地由井底返至地面，迅速地从泥浆中清除出去。让泥浆中维持适当数量的小于2pm的胶体颗粒。总之，为了提高钻井速度、保证井下安全和维持泥浆良好性能，不仅要保持泥浆低固相含量，而且要尽可能降低泥浆中小于2pm的胶体颗粒的数量。3泥浆固相控制系统3.1泥浆循环系统流程根据钻井作业的要求，可以将泥浆循环系统的各个流程按其功能划分如下几个基本流程:(1)泥浆罐容积流程(泥浆贮存单元)；⑵出浆分配罐流程(分配泥浆到不同处理单元；⑶泥浆固控设备流程(固相控制单元)；泥浆加重(混浆)流程；泥浆泵吸入流程；泥浆的常规除气流程；钻井起下钻计量罐及灌浆流程；泥浆储备灌及储备流程；气侵放喷液气分离器系统；泥浆罐电路系统。各个流程在整个泥浆循环系统中有着相对的独立性，其作用是由钻井工艺来决定的，反过来为钻井服务。3.2泥浆罐的容积流程泥浆循环系统根据其作用分别由六种罐组成：第一种是固控设备罐(安装振动筛、一体机的罐，第二种是中间罐也叫过渡罐(离心机安装在此罐上)，第三种是加重(混浆)罐，第四种是泥浆泵吸入罐，第五种是计量罐(容积为10m3)，第六种是存贮泥浆罐海个罐(含隔仓)都安装有15KW泥浆搅拌器，每个罐(含隔仓)都设定有固定标尺，能及时观察罐内泥浆体积。整个罐通过走道网板联接，罐边设置有可收放的栏杆，栏杆之间有联接，在振动筛、泵房和加重罐处设置有三套或三套以上的梯子。3.2.1出浆分配罐流程泥浆从井口返出后经回溢管连接到泥浆分配罐流程，分配罐接口及作用如下：流入泥浆振动筛接口，有几台泥浆振动筛就有几个接口；回溢管接入口；分离器泥浆脱气后流出接口；计量罐返浆接口；泥浆直排入罐接口；泥浆直排入外池接口。3.2.2泥浆固控设备流程泥浆固控是泥浆循环系统的核心部分，根据固控分级原理划分，固控

设备的处理及摆放程序是振动筛T除砂器T除泥器T中速离心机―高速离心机。图3.1泥浆固控设备流程0QI回井蠢处3.2.2.1振动筛是第一级固控设备，而且只有它是全过流处理，并直接影响后几级固控设备的工作效果和泥浆体系的好坏。振动筛处理量大，排浆流畅，适应200目以上高目数筛网是当前振动筛的基本要求。公司目前使用的GXS-II振动筛处理量为60L/S，最大激振G力（g）达8.2，经过现场使用，反映效果很好。表3.1GX/S型直线/平动椭圆双轨迹振动筛主要参数型号GX/S型直线/平动椭圆双轨迹振动筛振型直线/平动椭圆振动轨迹振幅A(mm)A<6.8筛箱倾角（°）-3〜+5

激振电机型号CDX15/3810-G/D、MVE1700/15D振动电机功率（kw）2X1.72+1X1激振转速（r/min）1450筛网规格（mm3）1165X585X40筛网面积（m2）2.73最高适用筛网目数（目）310G力（g）W8.2最大处理量（L/s）60长X宽X高（mm3）2976X1680X1233重量（kg）20383.2.2.2除砂器是第二级固控设备。它的工作原理是旋流器的离心分离与重力排砂相复合的工作原理，其处理过程不是全过流，工作动力是由55KW砂泵提供，它的分离点为74Rm左右（分离点是通过分离设备的工作，有一种颗粒在底流和溢流中各占50%,该粒度点叫该设备的分离点）除砂器的底流还可以经过清洁器进行泥浆回收。表3.2旋流器直径与分离点参数旋流器直径/mm30015010075分离点/pm65〜7030〜3416〜1811〜13注：1）直径为150〜300mm的旋流器称为除砂器。在输入压力为0.2MPa时，除砂器处理泥浆的能力为20〜120m3/h。正常工作状态下能够清除大约95%大于74叩的钻屑和大约50%大于30叩的钻屑。2）直径为100〜150mm的旋流器称为除泥器。在输入压力为0.2MPa时其处理能力为10〜I5m3/h。正常工作状态下可清除约95%大于40^m的钻屑和约50%大于15pm的钻屑。3.2.2.3除泥器是第三级固控设备。除泥器的进浆是除砂器的溢流。除泥器的工作原理和除砂器一样，只是工作范围不同，其分离点为43pm左右。为了满足钻井工艺对泥浆的要求，目前循环系统的固控系统都采用除砂除泥一体机，都能保证固相的控制及泥浆性能的稳定。表3.3除砂除泥一体机主要参数除砂旋流器直径250mm除砂旋流器数量2除泥旋流器直径100mm除泥旋流器数量16泥浆处理能力>200m3/h筛网规格波浪形钩边筛网振动强度7.1〜7.2G振动幅度：>5.5mm筛箱倾角-1°〜+5°外形尺寸（长X宽X高）2950x2100x2610mm重量3050Kg3.2.2.4中速离心机是第四级固控设备。中速离心机以除砂器和除泥器的溢流浆可作为进浆。中速离心机的工作效率高，能降低泥浆密度的同时可以降低粘度，还可以节约大量的泥浆助剂。表3.4中速离心机主要参数最大处理量40m3/h最小分离点5~7m转鼓形状柱锥结构18°转速范围主机1650r/min，辅机1572r/min主机功率22kw辅机功率5.5kw供液泵功率5.5kw3.2.2.5高速离心机是第五级固控设备。高速离心机工作后可将其胶体固相和超细微固相的溢流排出到罐外，而将含有相对较大颗粒的固相或含重晶石的底流回收到特定罐中并加入一定的水和药品合成优质的泥浆。表3.5高速离心机主要参数技术参数单位工频三变频双变频柱St有期rh佞转鼓直段内径mm355转鼓工作长度转鼓最高转速mmr/min12574000（清水）

转鼓工作转速r/min2800、3000（更换皮带轮）最高3400可调（推荐1600~3200）T作住准公室田斗（°\d~7CCdUUC-<oonp工作转速分离因数（G）堆蛆望¥性准1780，■1550arx冬2296推种器差转速最大处理量r/minm3/h4030S60可调0~36（清水48）4固相控制设备选用4.1振动筛振动筛是固控系统中最重要的净化设备，作为泥浆的第一级净化，其作用是将从井口返出的泥浆中大于70m的较大颗粒除去，并且不产生破碎，以便下一级净化设备对泥浆进一步净化。振动筛性能的优劣除直接影响第一级处理的质量外，对下级净化处理设备性能的发挥也有很大的影响。4.1.1振动筛的选用振动筛的使用性能主要反映在处理能力、工作的稳定性、寿命的长短和操作的灵活性等几方面，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、筛网面积和筛网的目数有关系。目前较为先进的振动筛一般多是高速、线性、细目、多层的振动筛，能够较好地满足钻井工程的要求。振动筛分离钻屑的能力由筛网决定，所以某种振动筛的性能好坏，从现场使用者的角度来看，很大程度上是由该筛实用筛网目数、筛网的面积决定的。5(02025珀S4&15(02025珀S4&17$】加■tfc径/Km从上图可以看出，振动筛筛网的目数不同，筛分的固相颗粒的粒径也是不同的。30目筛网的筛分颗粒的最小粒径为540^m,50目筛网的筛分颗粒的最小粒径为280刊,60目筛网的筛分颗粒的最小粒径为230刊,200目筛网的筛分颗粒的最小粒径为170灿,120目筛网的筛分颗粒的最小粒径为110灿,200目筛网的筛分颗粒的最小粒径为74刊,325目筛网的筛分颗粒的最小粒径可达到44pm。根据钻井作业要求，配备的泥浆振动筛的固相分离粒径最小为74pm，振动筛应安装200目的筛网。在选用振动筛时，泥浆的许可处理量是一项重要的参数。为了使振动筛与钻机匹配，就必须考虑泥浆泵的最大排量及钻进中产生的钻屑量。表4.1钻井泵的排量表钻井泵型号单泵排量Q泵(L/s)双泵排量(L/s)所需振动筛处理量Q筛(L/s)F-1300(3NB-1300)46.6(0180钢套)93.2139.8F-1600(3NB-1600)51.9(0190钢套)103.8155.7公司钻机配备的钻井泵主要为1600型钻井泵2台，见表4.1可知，泥浆固控系统需要配备3台振动筛，所需振动筛的处理量约为180l/s，单个振动筛的处理量为60l/s。4.2除砂器、除泥器（一体机）的选用4.2.1除砂器是用于清除泥浆中砂子颗粒的一种分离设备，除泥器是用于清除泥浆中粘泥颗粒的一种分离设备。除砂器与除泥器的工作原理是一样的，都是由一组水力旋流器和一个处理旋流器底流并回收泥浆的小型超细网目振动筛组成。除砂器主要适用于加重的水基泥浆，其有效分离粒径为44〜74Km，若用于处理油基泥浆时，有效分离粒径会减小到70pm。除泥器主要适用于固体含量较低的非加重水基泥浆，有效分离粒径为8〜40pm，若用于处理油基泥浆时，有效分离粒径则增大为40〜50pm。水力旋流器的直径、进料口尺寸及进料管形状、流通形式、溢流口尺寸及溢流管插入深度、底流口尺寸等都是影响旋流器工作特性的重要因素。旋流器的处理量与自身直径的平方成正比，溢流中的固相粒也随直径的增大而增大。溢流管插入过深或过浅都会使溢流中固相粒径增大。底流口尺寸过大或过小对底流的排出均不利。公司使用的旋流器主要有100和250mm两种规格，处理量大致相同，都在150-200m3/h左右，而其固相分离能力主要由旋流器的直彳圣决定。图4.2旋流器固相分离曲线图从图4.2中可以看出，旋流器处理固相颗粒的曲线比较平缓，即使使用很小口径的旋流器也很难将很大直径的固相颗粒100%的清除干净，这就是旋流器无法代替振动筛和离心机的原因。从现场使用反映来看，除砂器、除泥器是固控工艺中使用效率最低的固控设备。主要原因是除砂器、除泥器分离固相的范围不稳定，分离效果不如振动筛和离心机明显，在某些情况下其处理范围可以被振动筛和离心机替代。但它们有一个不可替代的功用就是，在振动筛无法使用的时候(比如振动筛网糊筛或振动筛损坏)，可以用它们来清除泥浆中本该由振动筛清除的较大泥浆固相颗粒。4.2.2除砂器、除泥器的选用选择除砂器、除泥器时，首先要考虑下列因素：a)分离粒径。从理论上说，当旋流器的进浆压头相同时，直径越小的旋流器分离粒径越小。但实际上，由于泥浆的性能和操作方法的不同，分离粒径往往会大于或小于旋流器的设计规定。除砂器用来清除30〜74pm的结构尺寸有关，而且也与泥浆浓度、密度和进液压力有关。表4.2旋流器工作范围表旋流器规格(mm)50100125200250300处理(m3/h)2.8-3.78.4-10.718-2031-4080-100100-114分离粒径(pm)71020303650从表4.2可知，不同直径的旋流器的分离固相颗粒的粒径是不同时。除砂器的固相颗粒分离粒径为44〜74刊，因此250mm的旋流器可以满足要求。除泥器的固相颗粒分离粒径为8〜44pm，因此100mm的旋流器可以满足要求。为了满足处理全部泥浆的要求，除砂器和除泥器必须由若干个旋流锥筒组成以满足处理量的要求。同时，保证旋流器正常工作，进液压力必须达到工作要求。根据设备制造生产厂家资料及现场使用情况，进液压力应保持在0.25〜0.35MPa这个范围内工作效果最好。除泥器因旋流锥筒多、管线长，进液压力应取较大值；除砂器因旋流锥筒少，管线短，进液压力应取较小值；匹配砂泵扬程为40m左右，进液压力能够达到要求，排量能与除砂器和除泥器所标定的处理量相等。b）泥浆许可处理量。选用除砂器和除泥器时必须参考钻井泵的最大排量，以期达到匹配合理。无论是除砂器还是除泥器都能够全部处理钻井过程中的最大泥浆排量。4.3离心机的选用离心机是泥浆固控设备中的重要装置之一，一般安装在固控流程中的最后一级，包括中速离心机和高速离心机两类。用来处理非加重泥浆时，可以除去2pm以上的有害固相；处理加重泥浆时，可以除去泥浆中的多余胶体，控制泥浆的粘度，回收重晶石，对保护油气层、实现快速钻井具有重要的作用。除砂器、除泥器底流含有较多的液体，将其送入离心机，离心机分离出的固体被排入废浆池，分离出的液体返回循环使用。石油钻井中使用的离心机主要为螺旋式沉降离心机，由电动机、转鼓和螺旋输送器等几部分组成。螺旋输送器在锥形筒转鼓内转动，锥形转鼓同时同向旋转，其转速略高于螺旋输送器。泥浆由加料管进入螺旋输送器内的空心轴，再流入转鼓内。由于转鼓在高速旋转，带动进入的泥浆一起旋转，泥浆中的固相被甩到转鼓壁上，由螺旋输送器推向小端的卸料孔排出，清洁泥浆作为溢流从转鼓大端的溢流口排出。离心机是利用离心沉降原理分离固体和液体的专用设备。它安装在除砂除泥器之后，分离除砂除泥器不能分离的细小颗粒。公司现使用的离心机，一是转速范围为1900〜2200r/min的中速离心机，离心力为重力的800倍，对泥浆分离点为5〜71pm，进浆速度为23〜45m3/h，主要用来清除泥浆中的5〜7pm的固相有害颗粒。二是转速范围为2500〜3000r/min的高速离心机，离心力为重力的1200〜2100倍，对泥浆分离点为2〜5pm,主要用来清除泥浆中2〜5pm的固相有害颗粒。中速离心机处理能力能达到每小时23〜45m3的液体处理3〜4,固相。高速离心机处理能力能达到每小时30w3的液体，使用是为了清除>2^m的固相颗粒。离心机将泥浆分离为溢液和底流两部分。底流中含有大量无用固相排到废浆池中，而贵重的液相再返回到循环罐中去。对于非加重泥浆，主要目的是回收液相，对于加重泥浆，主要目的是回收加重材料，排出超细岩屑的颗粒，减小粘度。离心机是最后一级泥浆固控设备主要用于清除钻井液中2~10顷的固相颗粒。离心机处理泥浆主要有两种类型：一种是离心机只进行部分流量处理，用于回收加重泥浆中的重晶石，其进液为除泥旋流器的底流；另一种是离心机全流量处理，用于清除非加重泥浆中的固相，其进液为除泥旋流器的溢流。离心机目前广泛用于在石油钻井作业时使用，对确保泥浆性能有重要意义。5结论基于上述分析，可以提出以下结论及认识：根据介质的不同泥浆分为水基泥浆、油基泥浆等。泥浆中固相分为活性和惰性（或有用和无用），合理的控制泥浆固相在泥浆中的百分含量可以使钻速达到最好效果；合理控制泥浆固相类型可使泥浆性能达到最好效果。5.1泥浆固控设备配套根据《SY/T6223-2005钻井液净化设备配套、安装、使用和维护》中：3.2.5条“5000m钻机净化设备配套表”和3.2.6条“7000m钻机净化设备配套表”要求，除砂器和除泥器都是“必须”配套净化设备。5.2泥浆固控基本流程固控设备主要包括：泥浆循环罐、钻井液振动筛、泥浆清洁器（除砂除泥器）、真空除气器、低速离心机、高速离心机等。5.2.1一级固控设备一一去除大颗拉。经井底循环返回含有较多钻屑的泥浆，进入泥浆振动筛，通过泥浆振动筛将其中粒度大于74pm的钻屑颗粒筛分出来，完成一级固相控制。5.2.2二级固控设备——清除气体。真空除气器是用于去除在钻井过程中侵入泥浆的气体的专用泥浆处理设备，它能够迅速、有效地清除泥浆中所含的气体（包括空气），除气器对于恢复泥浆密度，防止潜在井喷、井塌危险的发生其有重要作用。5.2.3三级固控设备一一去除较大颗粒。经过泥浆振动筛处理后的泥浆进入到除砂器中.除砂器将泥浆较大的砂粒（粒度44Mm-74pm）分离出来，完成除砂过程，即为二级固控。5.2.4四级固控设备一一去除小颗粒。经过除砂器处理后的泥浆进入到除泥器中，除泥器将泥浆小的砂拉（较度8pm—44pm）分离出来.完成除泥过程.即为四级泥浆固控。5.2.5五级固控设备——去除较小颗拉。经过除泥器处理后的泥浆进入到卧式螺旋离心机中，卧式螺旋离心机将泥浆较小的砂拉（粒度2pm—8pm）分离出来，完成离心过程，即为五级固相控制。以上五级固控设备的提法是目前最全面的也得到石油行业公认，也有部分资料将除气器不列入固控设备，将除砂除泥器合并为一级，称为三级固控。无论是三级固控还是五级固控，固控设备都必须配套完善，配套固控设备都是为了满足复杂井况和要求较高的井况对泥浆固相控制的需要，在实际应用过程中，可以跟据钻井作业的需要，采用其中的一级成几级泥浆固控流程。5.3泥浆净化中除砂器、除泥器的作用泥浆除砂、除泥器这种固控设备从20世纪80年代末开始在国内石油行业使用，运用的是离心分离装置，利用不互溶介质间的密度差而进行离心分离的。主要用于钻井作业过程中从地层返出的泥浆携带的岩屑砂粒的清除，属于石油钻井的辅助工具。着除砂、除泥、降低钻井液中固相含量的任务。5.4固控设备与其他固控方法相结合振动筛、除砂除泥器（一体机）、离心机是钻井过程中必不可少的三大固控设备，在泥浆固相控制中起到了非常重要的作用，再合理的结合使用化学絮凝等其他固相控制方式就能更有效的控制泥浆中固相，保证泥浆的性能，使钻井安全、优质、快速的进行下去。5.5泥浆固控设备的正确使用5.5.1振动筛的正确使用a）根据地层的岩性、钻速、井深和泥浆类型的变化，及时调整振动筛筛网的规格，并尽可能选用较细目数的筛网（如使用200目及以上筛网）。（从生产角度上讲，希望能用细目数筛网，而从经济角度上讲，细网目筛网寿命低，因此在应用筛网上要综合考虑。）b）正常钻进排量下，振动筛筛面过流面积宜保持在75〜80%。c）从井筒内返出的泥浆必须先经过振动筛净化。从井筒内返出的泥浆通过振动筛率应达到100%，经过振动筛处理后的泥浆在尖底罐内进行沉淀后再进入下一级处理。d）及时清淘尖底罐，防止沉淀后的固相物重新进入泥浆体系中。5.5.2除砂除泥器（一体机）的正确使用a）泥浆粘度过高时，应调整泥浆粘度和切力，确保除砂器、除泥器水力旋流器）能运转正常运转。除砂器、除泥器（或一体机）正常工作压力一般为0.2~0.35MPa，底流为伞状。b）根据地层的岩性、钻速、井深和泥浆类型选择和调整除砂器、除泥器（或一体机）底流振动筛的筛网规格，并尽可能选用较细目数的筛网（如使用280目或300目以上筛网），确保底流固相物排除循环泥浆以外。（从生产角度上讲，希望能用细目数筛网，而从经济角度上讲，细网目筛网寿命低，因此在应用筛网上要综合考虑。）c）采用除砂器、除泥器（或一体机）处理的泥浆量应占参与循环泥浆总量的80%以上。泥浆密度高于1.30g/cm3以上时，可使用中速