钻井液固相控制系统配套技术

肖修均，徐杏娟，张团结

（渤海装备石油机械厂，河北任丘 062550）

0 前言

钻井液固相控制系统（以下简称固控系统）是钻机的重要配套系统，在钻井作业中，起着储存、调配钻井液，控制钻井液中的固相含量，保持、维护钻井液优良性能，提高钻井效率，保证井下安全的作用，是将钻井液净化设备、及与其相配合使用的辅助设备及流程管路等安装在一套罐面上而组成的一套钻井施工装备。随着石油勘探工业的发展，钻井深度不断增加，深井、超深井、水平井和欠平衡井等特殊井日益增多，这些都对固控系统提出了更高要求。

1 固控系统现状及存在问题

近年来，振动筛和旋流器的工作原理等固相控制设备理论研究已达到或接近世界先进水平，但国产固控设备在性能、寿命方面与国外设备尚有一定差距。国外固控设备水平以美国BRANDT、SWACO、DERRICK等公司为代表，质量和性能处于世界领先水平。固控系统历经技术引进、消化吸收和自主生产等过程，目前发展到已基本能够满足钻井生产和钻井工艺的要求，国内外的设计原理和功能基本处于同一水平线。但是国内生产厂家缺少对固控系统系统深入的理论研究，缺少科学的理论依据，只是被动的根据要求进行设计和生产，缺少规范性和科学依据。经过对比国内外同类产品性能和参照相关法律法规要求，分析总结目前国内钻机固控系统存在以下不足。

1.1 缺少相关规范和标准的支持，用户对固控系统的配套存在较大随意性，对容积、配套功率、安装摆放、流程和配套设备等性能参数缺少要求和限制，容易造成各种浪费，增加制造和使用成本。

1.2 固控系统在使用过程中未能充分发挥其功能。操作人员对设备和操作流程还存在一定误区和认识不足，需要生产厂家和用户共同加强相关资料的完善和培训，使其功能最大化。

1.3 罐体尺寸不规范，生产厂家根据用户要求生产，没有统一标准，流程复杂、随意性大，罐体摆放有的不合理，模块化设计程度不够，搬迁运输车次较多，造成现场标准化水平较低，系统及部件互换性较差。

1.4 固控系统配备五级净化设备，除砂泵、搅拌器等设备配套功率大，设备配合使用合理性较差。

1.5 加重泥浆无法使用离心机清除有害固相，重晶石不能进行回收。

1.6 加重泥浆需要人工操作，劳动强度大、工作效率低。

2 固控系统技术研究

2.1 国外研究概况

国外特别重视泥浆固控设备的优化配置和整个泥浆固控系统的效率评价，为此开发了泥浆固相控制专家系统。在这方面我国差距较大，开展的研究工作很少，应尽快开发针对国产泥浆固控设备的评价计算模型，开展泥浆固控系统的效益评价，研制开发适合多种工况的多功能泥浆固控配套系统，进一步推动我国固相控制工艺技术的发展，更好地为钻井工程服务。

2.2 国内研究概况

近10年来，固控系统的设计和生产已经进入模块化、标准化和通用化，另外针对特殊工况还有轮式固控系统、直升机吊装固控系统、快速运移固控系统和低温固控系统等一系列专业化产品。通过不断改进与完善，提高了钻井技术水平，减少了循环系统维修工作量，保证优质钻井液的性能，减小井下事故、提高钻速和降低成本效果显著。目前，固控设备着重发展除砂、除泥、除气器等占用面积小、效能高、寿命长的设备。

按照国内对固控行业发展的要求，降低成本、提高可靠性已成为未来的新趋势。近期目标则是研究处理过大、可靠性高、分离效率高的多筛系统，减少除砂器的开机时间甚至不再使用旋流除砂器。

3 固控系统配套技术研究

3.1 加重吹灰装置设计及研制

目前井队钻井液的加重作业通常采用喷射式加重漏斗，常用方法是人工袋包加重和吨包架加重，均是依靠喷射漏斗射流产生的真空吸力和重晶石的重力将重晶石粉混合到射流里，这些加重方法存在加重效率低，劳动强度高，作业时间长和加重混合不均匀等问题。如何利用井队现有条件，提高加重效率，降低劳动强度是1个重要问题。

YLL90LG型立式加灰储罐主要用于石油矿场现场灰料的储备和装卸重晶石粉，以供油（气）田井场和施工工地使用，也可用于装卸其他散装粉粒物料。该罐具有操作简便、下灰速度快、加重均匀、剩灰率低、存储量大、便于安装等特点，全部加重作业仅需井队提供压缩空气气源，1～2人进行准备和操控工作即可。该罐主要由罐体、底座、进料装置、卸料装置、进气装置、排放装置、气化装置和总气室等组成。罐体为圆柱形，上封头采用椭圆形封头，下封头采用60°锥形封头，下封头均匀分布气化室，采用下进气结构。气化室采用该种结构大大增加了进气量，使灰料气化充分，并且下灰均匀，流动速度快。

YLL90LG型立式加灰储罐为气力输送，即借助流化装置，以压缩空气为动力，使压缩空气透过气化床，将储料罐内的灰料逐渐成流态化，流化态的灰料经进灰管口进入罐内，再经出灰管口通过操做碟阀来控制出灰量（出灰管上装有助风扫气装置，以排除堵塞）。既可利用罐内、外压差将灰料排出储料罐，还可通过该罐自带的称重计控制出灰重量。加重操作方法：①所有的阀门应处在关闭状态。②将立罐出料管与加重漏斗接口用胶管连接。③启动空压机，使其工作在额定转速，当气压达到额定工作压力时，打开空压机出气球阀，气流经进气管阀门进入立罐，把罐内的粉料，利用压缩空气及立罐的气化装置，使粉料成流态。④粉料成流态时打开立罐的出料碟阀，将粉料送入喷射漏斗。⑤扫灰，出料完毕，均应将出灰管中残存的灰料清扫干净；可打开罐体上的扫灰管阀门，用压缩空气将管线内残存的灰料清扫干净，以便下次使用。

在研究YLL90LG型立式加灰储罐的基础上还扩展了加重漏斗装置的应用，申请了新型实用专利。该实用新型专利涉及一种加重漏斗组件，包括吨包架、加重漏斗、气动加重吹灰装置和手动自吸吸灰及吸液装置。吨包架正对加重漏斗处还设置有通孔，通孔的上方固定有插刀。气动加重吹灰装置升高短节上设置有由壬母接头，该装置通过设置在进灰胶管上的由壬公接头与由壬母接头相连接。手动自吸吸灰及吸液装置包括依次连接的吸头、胶管及由壬公接头，该装置的由壬公接头与所述气动加重吹灰装置升高短节相连接。该加重漏斗组件具有结构简单、设计合理、安装及操作方便快捷，用量精准且工作效率高，改善了钻井液质量，降低了添加材料的用量，大大地降低了工人的劳动强度，同时利于现场环保作业。加重漏斗组合示意见图1。

图1 加重漏斗组合示意图

3.2 搅拌器节能控制的研究和利用

固控系统设备配置功率随着钻井深度的增加不断增大，固控系统设备配置功率的增加不仅对钻机动力提出了更高要求，也不断提高了井队的能源成本。结合固控系统处理钻井液的特点，降低能源消耗成为研究对象。

钻井液五级净化设备经过20年的不断改进，配置功率基本稳定，在使用方法上也比较成熟，改进的有效性不大，把研究目标锁定在了配置数量多，占用固控系统功率接近一半的搅拌器上。通常在10～12 m长度罐体上配置3台15 kW搅拌器，也配置过3台11 kW搅拌器和两台15 kW搅拌器。通过信息反馈，配置两台15 kW搅拌器的罐体搅拌效果不够均匀，搅拌器负荷较大且容易损坏，配置3台15 kW搅拌器的搅拌效果很好，配置过3台11 kW搅拌器在ZJ50及以下钻机的使用效果较好。由于ZJ70以上钻机固控系统泥浆的密度及粘度较大，曾出现过11 kW搅拌器过载损坏电机的情况。最后确定ZJ70以上钻机固控系统单个10～12 m长度罐体上配置3台15 kW搅拌器，ZJ50及以下钻机固控系统单个10～12 m长度罐体上配置3台11kW搅拌器。

3台搅拌器的搅拌效果很好，若将3台搅拌器的工作方式改成间歇运转而又不影响搅拌效果，就能起到很好的节能效果。经过查阅国内外相关资料，发现钻井液在固控罐中搅拌良好的情况下，4～6 h发生明显沉淀，0.5～1 h钻井液的性能不发生明显变化。为了保证钻井液保持良好的搅拌效果，将渤钻二ZJ40L固控系统的3#～5#罐，塔钻ZJ80DB固控系统3#～10#罐的搅拌器的间停时间定为30min，单个罐上始终保持两台搅拌器运转。

ZJ40L固控系统的3#～5#罐共9台11 kW搅拌器，无间停装置时，每天消耗功率为9×11×24=2376 kW；有间停装置时，每天消耗功率为6×11×24=1584 kW，每天节约功率为792 kW，按照每年运转260天计算，可节约功率205920 kW，节约效果可观。

同理，塔钻ZJ80DB固控系统的节约效果也较为可观。

3.3 重晶石回收技术

固控循环系统常用的加重材料是重晶石粉，以BaSO4为主要成分，密度达到4.2 g/cm3，粉末细度要求通过200目筛网时的余量小于3%（API对于重晶石的规定：小于74 μm粒度的应占97%，其中小于44 μm粒度的应占94%），重晶石粉一般用于加重密度不超过2.4 g/cm3的水基和油基钻井液。采用机械处理方法，优化设备参数即可方便的处理各种类型的加重材料，并可对加重材料进行回收再利用。

以前的固控系统配备两台中速离心机，虽然处理非加重泥浆时起到重要作用，但对于处理加重泥浆时就会因浪费大量的重晶石不能发挥作用。若不对加重钻井液的有害固相进行处理，钻井液的粘度及切力的变化超出钻井的允许范围，当粘度、切力过大时，会造成钻井液的流动阻力大，能量消耗高，钻速慢，固控设备净化不良，易引起井下复杂事故；当粘度、切力过小时，也会造成洗井不良，井眼净化差，冲刷井壁加剧引起井塌，岩屑过细影响录井等。根据固相颗粒及固相处理设备的处理特点，设计了加重钻井液的处理方法，使用两台变频离心机替代两台中速离心机，并对离心机的工作流程进行了重新设计。

上述优化设计方案应用在ZJ40及ZJ80固控系统后，通过用户现场使用状况反馈，数据采集整理发现两套固控系统均在工作中很好保证了钻井液使用质量，保障了钻井顺利进行。