钻井液高低位密闭循环系统的研制应用

邹庆波，罗晓丽，安青龙

（大庆钻探工程公司钻井二公司，黑龙江 大庆 163413）

1 背景

钻井液通过地面与井下循环，及时地把破碎的钻屑带到地面上来，保证钻井过程的连续进行，并保障井下安全，保护油气层及取全取准各项工程地质资料。

钻井液的循环是通过泥浆泵来维持的，钻井液的循环过程是：从泥浆泵排出的高压钻井液经过地面高压管汇、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤到达钻头，并从钻头喷嘴喷出，然后再沿钻柱与井壁（或套管）形成的环形空间向上流动，返回地面后经排出管线流入泥浆池，再经各种固控设备进行处理后返回上水池，并进入再次循环。

某油田钻探公司现有各型号钻机122部，钻井液循环系统多采用一池（钻井液坑）两罐两级净化处理。钻井液循环设备与罐池采用平位布置，井口排出的钻井液，通过地面循环沟进入到钻井液坑，再通过立式砂泵提升到循环罐上。

该钻井液循环方式存在以下问题：多年来采用钻井液地面循环，造成地表污染，不利于环境保护；通过砂泵从钻井液泥浆坑中提升钻井液，岩屑不易清除，排量忽大忽小，影响到有害固相的清除。为满足环境保护及钻井工艺对钻井液循环控制的要求，开展钻井液循环系统的优化攻关研究，关系到石油钻井行业前景的发展，具有重要意义。

2 钻井液高低位密闭循环系统的实施与改进方案

针对钻井过程中钻井液循环系统结构与工作流程不合理，达不到钻井环保要求的难题，研究钻井工艺及钻井液的循环规律，以及全井钻井液的运行轨迹，合理地设计钻井液具体的走向，提出问题的解决措施，优化钻井液循环工艺流程，优化钻井液循环系统，解决钻井液落地问题，以满足钻井工艺对泥浆循环控制的要求。

2.1 钻井液密闭高低位循环罐主体研究

两个钻井液密闭循环罐与钻井泵呈现一条线摆放，利于井场规格化，钻井液密闭高低位循环罐立面图见图1。

基本结构：按优化的钻井液循环工艺流程进行结构设计，钻机钻井液密闭循环系统由两个钻井液密闭循环罐组成，钻井液密闭循环系统配三级净化装置，配2台振动筛、1台除砂-除泥一体机、5台立式砂泵、两用混合漏斗等。整个系统采用两罐两位，钻井液净化处理与加重罐分为1号罐和2号罐。

1号低位罐上减少了旋臂吊，在井口增加了井口罐，开钻前提前埋放在井口，用导链将立式砂泵与井架平台底座相固定。1号罐改为低位罐，上面布置两台振动筛，通过立式砂泵进行钻井液调度，实现钻井液顺利吸入振动筛，完成1号罐钻井液筛分处理任务，还布置2台立式泵，将筛分后的钻井液提升抽入2号罐；2号罐为高位罐，隔离为4个仓：沉砂仓、储备仓、除砂仓和离心仓。上面布置除砂-除泥一体机，2台立式砂泵，3台搅拌器，主要承担钻井液除砂-除泥处理及存储处理后的钻井液任务，同时实现钻井液加重的功能。也可以根据要求布置离心机（真空除气器），满足对钻井液进行第四级处理等特殊要求，以保证定向井、水平井等特殊井型的施工需要。

本次研究，对钻井液循环流程重新规范，罐体设备布置合理，形成振动筛—立式泵—除砂-除泥一体机—立式泵—搅拌器—半档板池罐沉淀—搅拌器—钻井泵吸入口一条线的工作流程。

图1 钻井液密闭高低位循环罐立面图

2.2 钻井液密闭高低位循环罐改进方案

原来的钻井液循环工艺见图2，改进前钻井液循环示意图。

图2 改进前钻井液循环示意图

井口返出的钻井液经地面循环沟进入露天掘挖的钻井液坑，由液压吊将振动筛立式供液砂泵放入钻井液坑中，提升钻井液到1号罐面的振动筛进行处理，除去颗粒较大的岩屑后，进行后续的净化处理与循环。

现在改进后的钻井液净化循环工艺流程如下，参见图3。

图3 改进后钻井液循环系统示意图

工作原理如下：1号罐比2号罐降低300mm。先设计安装一个井口罐，提前在开钻前埋在井口处。将1号罐上的用于吊运立式砂泵的旋转液压吊取消，将立式砂泵移到钻井井口处，用固定在钻机平台下底座上的导链悬吊，落于井口罐中。增加了上导流管和下导流管，见图4所示。

图4 钻井液高低位密闭循环改进方案原理示意图

钻井一开时，由立式供液砂泵放入井口罐中，通过下导流管，为两台振动筛供液。经过振动筛处理后，经过2台立式泵提升，进入2号罐沉砂仓，除砂-除泥器长轴立式供液砂泵吸入2号罐沉砂仓的钻井液，供给除砂-除泥器，经处理后的钻井液2号罐的钻井泵吸入仓，由钻井泵重入2号罐的钻井泵吸入仓，由钻井泵重复泵入井内循环使用。

钻井进入二开以后，井口返出的钻井液通过封井器的喇叭口，进入上导流管，可分别或同时输送到两台振动筛，经过振动筛处理后进入固控系统净化处理，循环使用。

优化后，钻井液不走地面，减少了立式砂泵从砂泵坑中将钻井液提升到振动筛上的步骤，减少了对钻井液中岩屑的二次切削，减少了钻屑的分散程度，使得岩屑更容易清除。

2.3 钻井液密闭高低位循环罐的制造与应用

1号罐整体高度1700mm。降低高度的目的就是为了井口喇叭口与振动筛之间形成有效落差。1号罐分两个仓，1号仓上部配2台振动筛，保证钻井液的处理量。2号仓安装一台搅拌器，作用是防止沉沙埋住两台立式泵入口。两台立式泵可以交替工作，把钻井液输出到2号罐上的沉沙仓内。罐体设置了两个排污口，方便清除沉沙。振动筛底部设计斜坡，有利于沉沙往排污口流动，便于清理。

2号罐分4个仓，1号仓为沉沙仓，2号仓上部安装了一体机，处理钻井液中的岩屑。处理后的钻井液进入到3号仓，3号仓上部可安装离心机（根据钻井工程要求配置），4号仓与钻井泵相连。

因为现场作业中，较多设计同井场的成组井，为此，设计导流管为10寸钢管，互相之间连接方式是充气式气胎由壬联接，达到井口与振动筛相连接。

钻井队现场应用实物图见图5所示。

图5 高低位循环罐现场应用实物图

3 效益分析

目前已在油田某区块等地共钻井应用347口井，应用后，取消了钻井液地面循环泥浆坑和循环沟，取消了排污坑，做到钻井液密闭循环，减少了对地表的污染，满足了环保要求。降低加重过程中重晶石粉及药品对人员的伤害。清除钻井液中的有害固相的能力大大提升，钻井液性能指标监测及时准确，使钻井液处理满足工艺要求，从而为提高钻井质量垫定基础。

每口井可节省钻井液处理剂、重晶石粉和泥浆排放费用14404．81元；可节省钻井液坑处理费用和中途清砂污水处理费用4800元；取消悬臂吊，每个5．3万元，分摊每口井节约1325元。每口井可节约费用2．053万元。项目研制了钻井液主循环罐及相关辅助设备10套，每口井成本分摊费用0．4169万元。每口井共获得直接经济效益1．6361万元。2016年至2017年应用钻井生产347口井，每口井可节约成本1．6361万元，已获得经济效益 567．7 万元。

如果每个队年钻井40口,共计实施应用10个队计算，年可取得经济效益为654．44万元,可取得良好的应用效果，满足了钻井工程需求。

4 结语

（1）分析钻井工艺及钻井液的循环运行轨迹，优化钻井液循环工艺流程和钻井液循环系统，解决了钻井液循环落地污染问题。

（2）优化了钻井液性能，从而满足了钻井工艺对钻井液循环控制的要求，为钻井生产提供有效的技术保障。

（3）降低了加重及药品加注对人体的伤害，减少重晶石粉及药品流失与环境污染。

随着油田勘探开发的发展，由于地面条件的限制与环境保护越来越严格的要求，钻井液不落地已提到油田钻井的日程上来。此研究成果，可实现钻井液不落地，达到环保要求，进一步提高加重效率，优化钻井液性能，提高处理井下突发工程事故的能力，保障钻井工作的安全稳定性，并可以减少固控设备投入，降低人员劳动强度，提高钻井液的重复利用率，具有较好的发展前景。

[1] 唐丽,毛程,陈红军．钻井液使用与维护[M]．中国石化出版社，2017,8．

[2] 姚春东,董世民．石油矿场机械[M]．石油工业出版社，2012,12．