新型离心机钻井液回收技术在3 300m长江天然气管道穿越工程中的应用

冒乃兵 袁少山 徐良奎 吴益泉 张 坤 戴忠勤

1.中国石油天然气管道局穿越分公司 2.中国石油西气东输管道公司管道建设项目部

3 300m长江天然气管道穿越工程距离长、地质条件复杂，主要穿越地层为粉砂层、细砂层，按照近年来类似工程的施工经验，钻井液处理是一个很大的难点[1－4]。

钻井液中的固相颗粒对钻井液的密度、黏度和切力有着明显的影响，而这些性能和钻井液的水力参数、钻井速度、钻井成本和井下情况有着直接的关系。钻井液的固相控制是钻井液工艺的重要内容之一[5－10]。

3 300m长江天然气管道穿越工程在钻井液回收处理中存在比较大的难点，主要体现为传统钻井液回收处理系统已经无法满足长距离砂层中钻井液处理的需求。

1 传统钻井液回收系统的缺陷分析

传统的钻井液回收系统主要是振动筛及旋流器回收系统，在粉砂、细砂地层中，钻渣主要为砂土、粉土等，其粒径较小，振动筛去除较困难[11－13]。表1为土颗粒分类标准。

表1 土颗粒分类标准表

筛网的孔径大小是由目数决定的，目前在传统钻井液回收系统中应用的筛网目数最多为120目，筛网孔径与目数的关系见表2。

从表1、2中数据可以得知，在粉细砂层中，钻屑颗粒的粒径大部分都小于75μm，而传统钻井液回收系统常用的筛网粒径最小为125μm，虽然除泥旋流器可以去除一部分100μm以下的有害固相，但是去除量很小，无法通过振动筛回收系统有效去除粉细砂层钻井液中的有害固相。而如果采用进一步增大筛网目数的方法去除有害固相，又会导致在实际施工中钻井液回收的功效大大降低，大量的钻井液无法有效得以回收。

表2 筛网孔径与目数关系对照表

2 新型离心机钻井液回收系统去除固相研究

2.1 几种钻井液回收系统的理论分析

钻井液中固相含量高可导致形成厚的滤饼，容易引起压差卡钻；导致滤饼的渗透率高，滤失量大，造成储层损害和井眼不稳定，同时造成钻头及钻柱的严重磨损，尤其会降低机械钻速 。

钻速随钻井液中固相含量升高而下降。钻井液中固相含量每升高7%，钻速降低50%。大量研究结果显示：钻井液中固相含量每降低1%，钻速至少可提高10%。钻速与钻井液中固相含量的关系见图1。

实践证明，钻井液中的固相类型对钻速影响差异较大，当钻井液中固相含量相同时，固相颗粒尺寸不一样对钻速影响不同，高造浆率黏土对钻速的影响最大。每种钻井液处理设备对于钻井液中固相含量的处理效果差异较大，不同钻井液处理设备对钻井液固相的处理效果见图2。

图1 钻速与钻井液中固相含量的关系图

图2 不同钻井液处理设备对钻井液固相的处理效果图

离心机清除钻井液中的固相不增加钻井液体积，不必补加大量处理剂，故有利于降低钻井液成本，同时对钻井液的性能影响小，有利于井下正常钻进[14]。

通过以上分析并经过试钻过程的现场应用，决定在长江3 300m天然气管道穿越工程中应用此新型离心机钻井液回收处理系统，为保证钻井液性能奠定基础。

2.2 现场应用情况分析对比

现场对振动筛回收系统、中速离心机、高速离心机处理后的钻井液进行了大量试验。钻井液泵的维修情况与钻井液含砂量的关系如下：①钻井液含砂量大于8%时，几乎每天要更换密封、柱塞；②钻井液含砂量小于2%时，3～5d更换1次密封；③钻井液含砂量小于0.5%时，很少更换密封、柱塞。

现场不同钻井液回收系统对钻井液的处理效果对比见表3。

现场除渣效果显示离心机相对于其他钻井液回收系统对钻井液中有害固相的处理量大、处理效果好（图3、4）。

对以上试验及统计结果进行分析可知：①振动筛回收系统处理的钻井液含砂量非常大，含砂量难以控制，对现场设备损害大，回收处理后的钻井液静切力较大，说明其有害固相含量较高，对扩孔施工的扭矩和钻速影响大；②中速、高速离心机处理后的钻井液含砂量很低，可以控制为不超过0.5%，钻井液对设备损害非常小。离心机对钻井液中有害小颗粒固相的控制非常好，使得钻井液静切力不至于过大而导致泵启动和钻井液初始流动困难，利于降低扩孔扭矩，加快钻进速度。

表3 现场不同钻井液回收系统对钻井液的处理效果对比表

图3 离心机除去钻井液中固相的效果图

图4 其他钻井液回收系统处理后的效果图

2.3 离心机钻井液回收处理系统应用效果总结

1）离心机钻井液回收处理系统适用的地层。通过前面的分析可以知道，离心机钻井液回收处理系统在定向钻中的应用地层主要有细砂层、粉砂层、粉土、黏质粉土等钻屑小于75μm的地层。如果在中砂以上的地层中使用离心机回收处理钻井液有2个劣势：①钻屑对旋转轴的损害较大，设备维修率过高；②传统的振动筛式钻井液回收系统在中砂以上地层的使用效果较好，而且费用较低，单位时间内的有效处理量大。因此，离心机钻井液回收处理系统不能盲目地使用，在粉细砂层及更细钻屑的地层应用可得到较好效果。

2）离心机钻井液回收处理系统与传统振动筛钻井液回收处理系统的对比。在406mm管道穿越中采用的是传统振动筛钻井液回收处理系统，而711 mm－B管道穿越中采用的是离心机钻井液回收处理系统。在同一种地层中采用此2种钻井液回收处理系统，所以有了可对比性。在粉细砂层中处理效果对比情况如下：①振动筛钻井液回收处理系统处理量较大，可达到200m2／h，离心机钻井液回收处理系统处理量为40m2／h，但是2台离心机可满足施工要求；②离心机钻井液回收处理系统可控制的钻井液含砂量不超过0.5%，而振动筛钻井液回收处理系统处理后的钻井液含砂量基本上超过了5%；③离心机钻井液回收处理系统对于钻井液性能的破坏很小，可以去除其中的有害固相（主要是黏粒），而振动筛钻井液回收处理系统只能通过旋流器去除一部分钻井液中的有害固相，处理量很小，在粉细砂层中的使用效果很不好。

3）中速、高速离心机钻井液回收处理系统在现场的应用情况对比。在使用离心机钻井液回收处理系统的过程中发现，中速、高速离心机在现场的应用存在一定的差异，主要对比情况见表4。

表4 中速及高速离心机钻井液回收处理系统现场使用情况对比统计表

由以上统计结果可以得出：①中速、高速离心机钻井液回收处理系统对于钻井液的处理效果都较好，处理后钻井液的性能都可以满足工程要求；②中速离心机钻井液回收处理系统更适合于粉细砂层钻井液的处理，其维修、维护保养更为简单，施工效果更好；③由使用效果可以推断，高速离心机钻井液回收处理系统更适用于黏土类地层中的管道穿越施工。

3 结论

1）离心机钻井液回收处理系统清除钻井液中的固相不增加钻井液体积，不必补加大量处理剂，有利于降低钻井液成本。

2）离心机钻井液回收处理系统对钻井液的性能影响小，调浆方便，有利于井下正常钻进。

3）离心机钻井液回收处理系统有效除去了钻井液中的有害固相，降低了扩孔扭矩，加快了机械钻速，有利于设备的维护保养。理论及实践皆证明离心机钻井液回收处理系统更适用于粉细砂地层中的穿越钻井液处理。

4）离心机钻井液回收处理系统在中、粗砂以上地层的穿越施工中较传统钻井液回收处理系统存在一定的劣势，此时不应盲目使用离心机钻井液回收处理系统。

5）中速离心机钻井液回收处理系统较高速离心机钻井液回收处理系统在粉细砂地层中的穿越钻井液处理应用功效更高，而高速离心机钻井液回收处理系统更适合于应用在黏土类地层的穿越施工中。

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（修改回稿日期 2013－12－19 编辑 何 明）