华扬油气——新(xīn)型钻井液振动筛和变频钻井液离心机的研制
随着石油勘探开发工作的发展，钻井深度不断增加，钻遇地层日益复杂，特别是近几年國(guó)内外新(xīn)型钻井技术的发展（如深井、超深井、水平井、欠平衡钻井技术等），对钻井液净化与固控提出了更严格的要求。目前，我國(guó)现有(yǒu)的钻井液固控系统主要由钻井液振动筛、除砂器、除泥器、钻井液离心机等组成的三级或四级净化系统，其总重量达50t，总電(diàn)力消耗接近300kW。随着钻井工艺技术的不断进步，现有(yǒu)钻井液固控系统已经不能(néng)很(hěn)好地满足现代钻井技术发展的需要，也无法满足竞争日益激烈的國(guó)际钻井市场的需求，研制新(xīn)的固控设备、组建新(xīn)的固控系统十分(fēn)必要。筆(bǐ)者探讨固控设备技术现状及新(xīn)型固控系统研发，希望对國(guó)内相关设备的研发和创新(xīn)具有(yǒu)借鉴作用(yòng)[1]。
1系统技术现状
1.1國(guó)外
目前，國(guó)外固控系统的理(lǐ)论和设备研究水平较高，有(yǒu)的厂家可(kě)以根据室内分(fēn)析数据与计算机计算结果，改变固控流程，指导钻井液处理(lǐ)，并可(kě)以通过计算机自动定量控制各种固控设备。
在固控设备技术领域，英國(guó)ThomasBroadbent&Son’sLtd.公司及美國(guó)Derrick公司、Brandt公司和SWACO公司是比较有(yǒu)代表性的司。英國(guó)Broadbent公司的钻井液固控系统是5台双层双联直線(xiàn)钻井液振动筛（上层為(wèi)8~80目筛网，下层150目以上筛网目）与1台变频调速大处理(lǐ)量钻井液离心机（滚筒直径508mm）组合而成。美國(guó)SWACO公司新(xīn)型钻井液固控系统包括4台钻井液振动筛、1台真空除气器、1台钻井液清洁器、2台钻井液离心机（1台中速钻井液离心机、1台高速钻井液离心机等。美國(guó)Brandt公司的成套固控系统包括2台ATL-CS细目直線(xiàn)钻井液振动筛、1台ATL-DRYER-16/2干燥机、1DG10除气器、2台HS-3400型钻井液离心机，可(kě)处理(lǐ)加重或非加重钻井液。Derrick公司推出的固控系统包括钻井液分(fēn)配器、4~5台超细目直線(xiàn)钻井液振动筛、1台除气器、2台钻井液离心机。
可(kě)以看出，國(guó)外固控系统已经发展為(wèi)以钻井液振动筛為(wèi)核心的两级系统，即多(duō)台细目或超细目直線(xiàn)钻井液振动筛与中高速大排量钻井液离心机组合而成，且已非常成熟，取代了传统的耗能(néng)高、系统可(kě)靠性低、维护保养工作量大的多(duō)级固控系统。
1.2國(guó)内
國(guó)内固控系统大多(duō)是在引进國(guó)外技术的基础上进行國(guó)产化，使之适合我國(guó)钻井工艺的需要。各油田又(yòu)根据地區(qū)性特点推出各具特色的固控系统，我國(guó)当前主要以NG4型固控系统為(wèi)主，该系统主要由钻井液振动筛、除砂器、除泥器和钻井液离心机等组成，可(kě)以将钻井液中的固相含量控制5%~8%。目前，这种三级或四级固控系统普遍存在以下问题。
（1）公称直径200~300mm旋流除砂器只能(néng)达到80~120目筛网的筛分(fēn)效果，公称直径120~125mm旋流除泥器也只能(néng)达到100~200目筛网的筛分(fēn)效果。同时，由于细目筛网易破损，大多(duō)数采用(yòng)低目数筛网，钻井液中占固相颗粒80%的细颗粒不能(néng)被高效清除，钻井液净化效果大大降低，固相含量高，影响后续设备或高端仪器的使用(yòng)。
（2）砂泵给钻井液施加的压力以及旋流器内部的摩擦导致岩屑更加细化，将其清除更加困难。
（3）砂泵能(néng)耗高，排量200m3/h的砂泵電(diàn)机功率在55~75kW，如果同时使用(yòng)除砂器和除泥器，耗能(néng)大于100kW。此外，砂泵轴的密封件易损坏，导致漏失钻井液，且设备管理(lǐ)维修不便。
（4）随着钻井工艺技术的发展，现有(yǒu)多(duō)级固控系统不能(néng)很(hěn)好地满足诸如水平井、欠平衡井、大位移井、深井和超深井等复杂结构井、特殊工艺井等新(xīn)型钻井工艺的需要。
（5）固控系统中的易损件寿命较短，频繁更换，不仅使得钻井成本增加，而且大大影响钻井施工的连续顺利进行，特别是钻井液振动筛筛网、旋流器筛网、砂泵轴封等易损件，与國(guó)外相比仍有(yǒu)较大差距。
（6）固控设备加工质量差，可(kě)靠性不高，固控系统产品没有(yǒu)形成系列化、标准化，科(kē)研设计能(néng)力尤其是理(lǐ)论研究仍落后于國(guó)外。
2新(xīn)型固控设备
2.1 新(xīn)型直線(xiàn)钻井液振动筛
钻井液振动筛是由井口返出钻井液的第一级常规固控设备，也是目前唯一能(néng)全流量处理(lǐ)、耗能(néng)最低的固液分(fēn)离设备。目前，大多(duō)数國(guó)产钻井液振动筛的缺点是：振型不合理(lǐ)，影响钻井液振动筛整机性能(néng)，特别是处理(lǐ)量、筛网寿命和过滤精度，不能(néng)满足新(xīn)型钻井工艺技术的发展要求；筛网寿命较短，更换不方便，不能(néng)满足连续钻进的工艺要求；透筛能(néng)力不强，易发生“糊筛”和“跑钻井液”的现象，且筛网目数不高，导致许多(duō)细小(xiǎo)固相颗粒仍然存在于钻井液循环系统中；钻井液振动筛隔振装置采用(yòng)金属螺旋弹簧隔振，隔振效果不好，整机噪音大，工作不平稳；调节和适应性能(néng)差，钻井液振动筛筛箱坡角和激振力不能(néng)根据钻井工艺的实际要求进行调节；开机、停机共振时间较長(cháng)，对整机损害较大，尤其是对隔振系统易损件的影响较大；在我國(guó)出國(guó)施工的钻机招投标时，國(guó)产钻井液振动筛性能(néng)无法得到國(guó)外承包商(shāng)的认可(kě)，不得已采用(yòng)进口钻井液振动筛，但其价格高，配件供应不及时，服務(wù)不到位，甚至影响到國(guó)外市场的进一步发展。据此，利用(yòng)我國(guó)钻井液钻井液振动筛理(lǐ)论研究优势，研制开发先进的國(guó)产钻井液钻井液振动筛，特别是研制符合现代钻井工艺、有(yǒu)着较高可(kě)靠性和较强处理(lǐ)能(néng)力的線(xiàn)性钻井液振动筛就显得尤為(wèi)迫切和重要[2-3]。
钻井液振动筛筛
目前，某单位研发的新(xīn)型钻井液直線(xiàn)钻井液振动筛采用(yòng)双筛分(fēn)仓式结构，可(kě)以对钻井液进行两次净化与固液分(fēn)离，上层筛网目数一般為(wèi)20~60目，下层筛网根据井段和固控要求使用(yòng)60~325目的细目、超细目带框架板式叠层粘接筛网。该钻井液振动筛的特点是：筛网更换方便，使用(yòng)寿命较長(cháng)，筛分(fēn)效果好，处理(lǐ)量大，可(kě)以替代进口产品，满足连续钻进的工艺要求；筛面角度可(kě)调，调整范围5°；带有(yǒu)钻井液进液缓冲槽和地质仪器安装槽；通过由壬与井口出水管可(kě)快速连接；结构简单，安装方便，噪音低，整机振动平稳；可(kě)靠性高，比较适合國(guó)内石油矿场实际情况[4-5]，这种新(xīn)型双联双层直線(xiàn)钻井液振动筛的主要技术性能(néng)如下：
（1）振型：直線(xiàn)；
（2）额定功率：1.5×4kW；
（3）供電(diàn)频率、電(diàn)压：50Hz、380V；
（4）激振频率：24.16Hz(1450r/min)；
（5）振动强度：5.5g；
（6）处理(lǐ)量：50~80L/s；
（7）激振力：63×2kN；
（8）振幅：5mm；
（9）上层筛网：目数：20~60目，面积：1.1m×2m；
（10）下层筛网（板式叠层复合筛网）：目数：60~325目，面积：2.4m×2m；
（11）外型尺寸(長(cháng)×宽×高)：4500mm×2600mm×1550mm；
（12）质量：5082kg。
2.2闭环控制全变频钻井液钻井液离心机
钻井液离心机也是固控系统中的关键设备之一，其性能(néng)直接影响二级固控系统能(néng)否实现。虽然钻井液振动筛能(néng)够全流量处理(lǐ)钻井液中的有(yǒu)害固相，但不能(néng)全部清除，一些极小(xiǎo)的固相颗粒胶體(tǐ)仍然需要钻井液离心机分(fēn)离。此外，钻井液离心机可(kě)以回收重晶石。钻井液离心机是固控系统中结构最复杂、掌握最难的设备，一般根据处理(lǐ)量、离心力、分(fēn)离点和转速等分(fēn)成3种类型：
①重晶石回收钻井液离心机，主要将重晶石粉回收至钻井液體(tǐ)系中，将一些低固相颗粒排除，处理(lǐ)量一般38~151L/min，转1800r/min，离心力700g，低密度固相分(fēn)离点6~10μm，高密度固相分(fēn)离点4~10μm；
②大容量钻井液离心机，主要清除低密度固相，处理(lǐ)量非常大，转速1900~2200r/min，离心力800g，分(fēn)离点约5~7μm（在未加重钻井液中）；
③高速钻井液离心机，双钻井液离心机组合时的第2台钻井液离心机，主要清除未加重钻井液中的低密度固相，处理(lǐ)量151~453L/min，转速2500~3300r/min，离心力1200~2100g，分(fēn)离点2~5μm。双钻井液离心机组合时第1台回收重晶石。
GLW系列闭环控制全变频钻井液钻井液离心机，与國(guó)内外现有(yǒu)其它钻井液离心机相比，由于采用(yòng)了特殊的差速器，转鼓与螺旋推进器全部由1台主電(diàn)机驱动，使得控制简单、可(kě)靠，操作方便。而國(guó)内现有(yǒu)钻井液离心机均采用(yòng)了主、辅2台電(diàn)机分(fēn)别驱动转鼓与螺旋推进器。整机采用(yòng)了1套全变频、全自动闭环控制，包括了主机和供浆泵均是交流变频控制[6]。
该钻井液离心机具有(yǒu)处理(lǐ)量大、结构紧凑、使用(yòng)寿命長(cháng)、性能(néng)可(kě)靠等特点，是钻井液固相控制、进行液相/固相分(fēn)离的理(lǐ)想设备。采用(yòng)了变频调速智能(néng)控制和实时数据采集技术，能(néng)够根据钻井液性能(néng)参数的变化，自动调节钻井液离心机滚筒的转速、差转速以及供浆泵的排量，以获得最大的排渣量，并能(néng)实现故障停車(chē)报警、实时遠(yuǎn)距离显示和控制等功能(néng)。并具有(yǒu)長(cháng)径比大、分(fēn)离因数高、差速器结构合理(lǐ)寿命長(cháng)等特点。分(fēn)离中点可(kě)以达到3μm以下，处理(lǐ)能(néng)力Q=50m3/h，输渣能(néng)力G3=7200kg/h。
另外，底流和溢流调节方便。钻井液离心机排出底流的干湿，通过转鼓大端的溢流调节板调节。也可(kě)以通过进液管深度实现。
（1）具有(yǒu)适应不同钻井液性能(néng)参数的能(néng)力，实现了智能(néng)变频调速反馈控制系统，实现了闭环控制，整體(tǐ)控制系统具有(yǒu)防爆和自动保护功能(néng)。能(néng)够根据钻井工艺的实际情况，对于在不同地层、不同钻进过程中采用(yòng)不同钻井液性能(néng)（包括粘度、密度、含固相含量）和排渣量的变化，实时数据采集钻井液离心机负载扭矩、处理(lǐ)量等实际参数，通过变频器和自动控制系统实现闭环控制，能(néng)够自动改变钻井液离心机运行参数，自动调节供浆泵的排量，使得在钻井液性能(néng)参数发生变化时，确保排渣量和钻井液离心机的处理(lǐ)能(néng)力始终处于最大状态，钻井液离心机处于最佳工作状态。
（2）具有(yǒu)很(hěn)好的自控能(néng)力，在设备发生故障时，能(néng)自动停机并报警，具有(yǒu)遠(yuǎn)距离监视能(néng)力，从而大大提高了钻井液离心机的使用(yòng)效率并降低了风险，从而得到最佳的处理(lǐ)效果。
（3）能(néng)够与我所研制成功的新(xīn)型直線(xiàn)钻井液振动筛、中速钻井液离心机等固控设备配套，形成新(xīn)型固控系统，从而大幅度提高钻井液固相控制水平，促进钻井技术的发展，提高钻井速度，降低钻井成本。采用(yòng)新(xīn)型直線(xiàn)钻井液振动筛和高、低速钻井液离心机组合的固控系统时，可(kě)以使钻井液的含砂量一直控制在0.3%以下。
（4）速度调节范围大，既可(kě)以作為(wèi)中速钻井液离心机用(yòng)，也可(kě)以作為(wèi)高速钻井液离心机用(yòng)。
（5）控制系统中具有(yǒu)温度实时监测性能(néng)。在控制系统中设有(yǒu)温度传感器，实时监测控制系统温度，以便手动控制风机的启动与停机，使得控制系统处于良好最优工作状态。
（6）長(cháng)径比大（k=3），分(fēn)离固相更為(wèi)干燥，减少钻井液的漏失，有(yǒu)利于保护环境和钻井液的消耗量。
（7）从设计、制造等方面考虑，全面提高了钻井液离心机的分(fēn)离性能(néng)，使之更加适应油田钻井工艺的发展要求，从而提高钻井液固相控制的水平。
3钻井液固控系统发展趋势
综观國(guó)内外钻井液固控设备及系统的技术现状，其研发方向应以改进提高钻井液振动筛性能(néng)為(wèi)核心，提高钻井液离心机处理(lǐ)量和工作转速，简化现有(yǒu)固控系统，力争使用(yòng)多(duō)台钻井液振动筛与钻井液离心机组成的两级固控系统。简化固控系统可(kě)以分(fēn)两步走：从長(cháng)遠(yuǎn)考虑，研究采用(yòng)一种真空过滤抽吸原理(lǐ)直接进行一级过滤即可(kě)实现高效固液分(fēn)离，一步到位，固控效率更高、费用(yòng)更低，是今后固控设备研发的主攻方向；近期目标是研究处理(lǐ)量大、可(kě)靠性高、分(fēn)离效果好的多(duō)筛固控系统，去掉除砂器、除泥器以及為(wèi)除砂器和除泥器供液的耗能(néng)大效率低的砂泵，这种新(xīn)型固控系统由3~4台细目筛网直線(xiàn)钻井液振动筛、1台全变频全自动智能(néng)控制中速大排量钻井液离心机（转速1200~2000r/min）、1台全变频全自动智能(néng)控制高速钻井液离心机（转速1800~3400r/min）组成两级固控系统。其优点主要體(tǐ)现在：结构简单，系统可(kě)靠性高，钻井液振动筛和钻井液离心机分(fēn)离性能(néng)好，易损件寿命長(cháng)，能(néng)耗降低，钻井液净化精度高；设备安装简单，维护保养方便，运输和搬迁快捷；能(néng)够适应國(guó)外钻井市场的需求[7]。
4认识与建议
（1）研究新(xīn)型固液分(fēn)离机理(lǐ)、研制新(xīn)型固控设备是从根本上改进和发展固控系统、提高钻井液固液分(fēn)离效果的重要途径。
（2）简化现有(yǒu)固控系统结构，减少固控系统级数，减少耗能(néng)，提高固控系统的整體(tǐ)可(kě)靠性，减少钻井液的漏失，减轻环境污染。建议当前固控系统配套方案是4~5台超细目钻井液振动筛与1台中速钻井液离心机、1台高速钻井液离心机组合而成。钻井液振动筛以处理(lǐ)量大的直線(xiàn)筛為(wèi)主，筛网目数在200目以上，同时提高钻井液离心机的处理(lǐ)量和分(fēn)离粒度，力争2台钻井液离心机即可(kě)满足处理(lǐ)量和筛分(fēn)效果。
（3）钻井液振动筛是首级全流量处理(lǐ)钻井液的关键设备，因此深化钻井液振动筛理(lǐ)论研究，研制新(xīn)型大排量超细目钻井液振动筛非常必要。钻井液振动筛研究主要包括深化钻井液振动筛工作理(lǐ)论、合理(lǐ)振型、筛面固相颗粒运移规律、透筛效果、净化精度等，不断改进钻井液振动筛的控制、调节、隔振等性能(néng)，提高板式粘接叠层复合筛网的寿命，进一步提高整机和零部件的可(kě)靠性。
（4）研制智能(néng)控制中高速大排量钻井液离心机，单台钻井液离心机的处理(lǐ)量要达到100m3/h以上，分(fēn)离中点2~3μm，分(fēn)离出来的固相沉渣达到可(kě)运输条件。研究钻井液离心机固液分(fēn)离的粒度分(fēn)布，开发重晶石可(kě)回收型钻井液离心机。
（5）加强环保意识，减少环境污染，开发适用(yòng)于油田钻井液及钻屑随钻处理(lǐ)的环保设备，有(yǒu)效回收钻井液，降低钻井成本，彻底去掉泥浆池，真正意义上实现钻井液和钻屑现场不落地。
（6）加强钻井液固控过程中的自动计量和自动控制研究，钻井液性能(néng)参数的在線(xiàn)检测与分(fēn)析，开发钻井液固相控制专家系统，实现固控系统的自动化。研发國(guó)产固控设备评价计算模型，对固控系统进行优化配置和效率评价，推动我國(guó)固相控制工艺技术的发展。
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