两级净化固控系统应用分析

张虎山，周天明，惠川川，春 晨，王福贵

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721002）①

石油天然气钻井开采过程中，钻井液的净化流程多年来采用四级净化设备，即振动筛、除砂器、除泥器、离心机。近年来，随着第1级净化性能、钻井液性能的提高，出现了“振动筛+离心机”的两级净化方案［1-3］。为保证钻井泵的使用寿命，钻井泵吸入的钻井液中不能出现大于API砂的固相颗粒。若要全井段实现两级净化，其中第1级净化显得尤为重要。国内外性能优越的第1 级净化设备主要有DERRICK HYPERPOOL 4P 振 动 筛、GX／S 双 轨迹振动筛、S610双层变轨迹振动筛、MUDCUBE 固液分离装置、长框传输型振动筛等，通过优化固控系统流程，两级净化方案在中东地区、国内油田得到推广应用。

1 技术方案

1.1 固控系统布局

中国石油7 000 m 自动化钻机全面配套两级净化固控系统，固控系统成“L 型”布局，如图1所示。钻机配套的钻井液罐进行标准化设计，根据使用地区道路的差异性，有3种不同罐体尺寸的技术方案。虽然罐体尺寸有差异，但是配置的净化设备相同，即“双轨迹振动筛+中高速离心机”。

图1 固控系统布局示意

1） 方案1。采用单罐容积50 m3，罐体尺寸为8.6 m×3 m×2.4 m，钻井液罐数量为8台，系统容积为315 m3。

2） 方案2。川渝地区采用单罐容积50 m3，罐体尺寸为8 m×2.6 m×2.45 m，钻井液罐数量为8台，系统容积为309 m3。

3） 方案3。采用单罐容积70 m3，罐体尺寸为12.6 m×3 m×2.4 m，钻井液罐数量为6台，系统容积为348 m3。

1.2 技术参数（川渝地区）

固控系统容积 309 m3

泥浆枪额定工作压力 6.4 MPa

清水管线额定工作压力 0.6 MPa

钻井液净化处理量 240 m3／h

钻井液混合处理量 240 m3／h

1.3 净化系统流程

钻井液从井筒环空通过回流管返回到分配器，分配器均匀地给4台振动筛供液，避免“跑浆现象”，安装超细筛网后的振动筛可以清除至少74μm 的钻屑，钻屑排出到罐外，钻井液进入到沉砂仓沉淀。经过沉淀后的钻井液高位进入到除气仓，通过除气器处理后，进入到离心机仓。若为非加重钻井液，中速离心机处理完离心机仓的固相直接抛弃；若为加重钻井液，中速离心机处理完的固相还需回收再利用，固相进入重晶石回收系统，经过均匀混合后再次进入钻井液罐。中速离心机处理后的液相进入到过渡罐中，经过高速离心机的再次处理，对固相含量、钻井液的黏度进行控制，最终进入钻井液罐，实现完整的净化流程。

2 关键设备

2.1 DERRICK HYPERPOOL 4P振动筛

2.1.1 技术参数

运动轨迹为直线型，筛网面积为2.81 m3（PMD+筛网），电机功率为2×1.87 k W，筛箱倾角2～8°，适用筛网目数为35～325 目，处理量238 m3／h（密度1.29 g／cm3，筛网API 170目条件下），外形尺寸为3 013 mm×1 829 mm×1 770 mm，质量为1 637 kg。

2.1.2 主要特点

1） 采用棱锥式筛网，钻井液过网面积增大。

2） 采用单边棘轮式压紧结构，更换筛网非常便捷，更换筛网时间≤45 s。

3） 噪声≤82 d B（A）。

2.2 GX／S双轨迹振动筛

2.2.1 技术参数

运动轨迹为直线和平动椭圆，筛网面积为2.73 m3，电机功率为2×2.11 k W+1 k W，筛箱倾角-1～3°，振幅≤6.8 mm，适用筛网目数为80～320 目，处理量216 m3／h（密度1.16 g／cm3，黏度45 Pa·s条件下），外形尺寸为3 144 mm×1 680 mm×1 300 mm，质量为2 130 kg。

2.2.2 主要特点

1） 可以实现直线和椭圆振动轨迹转换。可根据现场生产需要来变换振动筛的运动轨迹，在砂岩地层钻进时，采用直线振动轨迹，使筛面的砂粒运移速度快，处理量大；在泥岩层时，含砂量降低，黏度增高，砂粒细，采用椭圆振动轨迹，延长砂粒分离时间，减少钻井液的损失量，避免了“糊筛”现象，满足复杂钻井作业的要求。

2） 筛箱升降调整装置能快速调整筛箱的角度。

3） 单筛采用3台防爆激振电机，性能优越可靠，结构紧凑、维护简单、使用寿命长。

4） 减振弹簧采用橡胶复合簧，使用寿命长，振动平稳，噪声低。

5） 电气控制系统采用隔爆型短路、断相、过载保护开关。

6） 采用快卸式楔形块压紧结构，可以快速更换筛网。

7） 筛网面积大，净化程度高，最大目数可达320目，能清除47μm 以上的固相颗粒。

2.3 MUDCUBE固液分离装置

2.3.1 技术参数

耗气量4.95 m3／min，功率1 k W+11 k W，处理量180 m3／h，适用筛网目数为50～325目，钻屑含油率≤10%，钻屑含水率≤40%，外形尺寸2 657 mm×2 142 mm×1 788 mm，质量1 670 kg。

2.3.2 主要特点

1） 机械分离技术。采用空气刀技术，机械分离钻井返排钻屑，对水基钻井液和油基钻井液都能很好的处理，彻底解决水基钻井液钻屑固液分离效果差，钻屑后处理环保压力大的问题。

2） 空气激振技术。采用微振动技术，由压缩空气激发振动系统，全密封，降低噪声和蒸汽量，提高环保水平。

3） 真空负压技术。采用负压原理，提高钻井液还原度，在减少钻井液消耗量的同时减少了废液产生量，降低钻井泵和钻头的磨损，从而降低成本。

4） 改善作业环境，噪声约为70 dB（A），而传统振动筛噪声为85 dB（A）［4］；整体密闭式结构，作业环境干净、整洁。

5） 采用负压原理提高钻井液还原度，在减少钻井液消耗量的同时减少了废液产生量，降低钻井泵和钻头的磨损，从而降低成本。

2.4 S610双层变轨迹振动筛

2.4.1 技术参数

运动轨迹为椭圆，振幅≤7 mm，电机功率2×3.65 k W，筛网面积6.1 m3，筛箱倾角-1～3°，处理量360 m3／h（在 筛 网60 目 条 件 下），外 形 尺 寸2 920 mm×1 800 mm×1 925 mm，质量2 800 kg。

2.4.2 主要特点

1） 筛网面积达到6.1 m2，处理量是常规振动筛的2倍。

2） 特殊的变椭圆轨迹运动，可以在进液端提高钻井液透筛率，排砂端使固相平滑滚动更容易被分离。

3） 采用气囊压紧筛网技术，提高筛网更换效率，8张筛网更换时间为5 min。

2.5 长框传输型振动筛

2.5.1 技术参数

最高使用筛网260目，振动长度19.8 m（3台串联），外形尺寸（长×宽）为5.8 m×0.6 m，钻屑含水率≤32%。

2.5.2 主要特点

1） 常规振动筛固液筛分长度为L1=0.7×L（L 为筛网总长度）。长框传输型振动筛改变了传统振动筛并联布置方案，采用长框串联模式，相同筛网面积，处理能力提高5～7倍，钻井液固相清除能力大大提高［5］。长框传输型振动筛的筛分流程如图2所示。

2） 处理后的钻屑含水率大幅降低，减少了固化剂的使用量。长框传输型振动筛在长庆油田应用效果如表1［5-6］。

图2 长框传输型振动筛筛分流程

表1 长框传输型振动筛应用效果

3 性能分析

3.1 有效容积增加

双轨迹振动筛、双层筛网、加长筛网、负压等技术其目的都是提升净化性能。单台处理量达到200 m3／h以上，使用超细筛网后，钻井液中固相颗粒不超过74μm，第1级处理完的钻井液直接进行除气处理，取消了常规沉砂仓。7 000 m 钻机在钻井液罐数量相同的情况下，使用两级净化，可增加固控系统有效容积约30 m3，提高了钻井安全系数。两种净化方案性能对比如表2。

表2 7 000 m 钻机两级净化与四级净化性能对比

3.2 投资、运行成本降低

取消除砂器、除泥器、75 k W 除砂泵、75 k W 除泥泵等设备，减少了设备第1次投入资金约¥30万元；同时减少了设备的维护保养、搬家运输车次。两级净化替代四级净化，钻井液处理流程简单，减少了井场占地面积和操作人员工作量。

3.3 有效回收钻井液

7 000 m 钻机钻1口井产生约2 000 m3的含液钻屑，常规四级净化振动筛处理后的含水为70%，而大容量固液分离设备处理后的含水为为40%，钻井液费用按1 200元／m3计算，可节省钻井液费用¥72万元。钻井液运费按0.32元·t／km、路程按300 km、钻井液密度按1.15 g／cm3计算，1口井钻井液运费节省¥6.62万元。合计减少费用¥78.62万元。

3.4 系统能耗降低

1台清洁器（除砂器、除泥器）的功率为4 k W，2台离心泵的功率为150 k W，电费按照自发电2.2元／k W 计算，1口井按60 d、每天工作12 h计算，累计节约电费¥24.4 万元，与常规四级净化固控系统相比，减少能耗25%。

3.5 有效回收重晶石

重晶石回收装置（如图3）解决了常规固相直接进入钻井液罐结块而无法均匀混合的现象，采用双离心机系统，可以通过变换阀门控制，既可在非加重钻井液条件下清除大于2μm 的固相，又可在加重钻井液条件下回收7～74μm 的有用重晶石。

图3 重晶石回收装置

两台离心机集成在一个橇上，配置离心机供液泵、重晶石回收泵、漏斗、收集罐及配套管路，形成一套独立的重晶石回收装置。重晶石回收装置采用集成设计、升降式结构，运输时上平台整体下降，整个模块满足道路运输高度要求。离心机供液泵与中速离心机仓及高速离心机仓通过胶管连接。重晶石回收装置设置安全栏杆，运输时不拆卸。重晶石回收装置外形尺寸为8 000 mm×2 400 mm×2 400 mm。配套钻井液处理设备有2台SB4×3-7.5k W型砂泵，1台SB6×5-37k W 型砂泵，1台混合漏斗。

4 应用分析

4.1 宝石机械ADNOC DRILLING 项目

ADNOC DRILLING 项目从2010—2015 年已经实施了3个批次，共有39套钻机在阿布扎比成功应用了两级净化方案，其中5 000 m 钻机34 台，7 000 m钻机5台。该项目中仍保留了沉砂仓，不过沉砂仓的容积很小，仅为8 m3。在阿布扎比油区，每口井采用水基钻井液和油基钻井液，正常情况采用水基钻井液钻井，在三开作业时，使用3～5 d的油基钻井液。在水基钻井液作业时，4台HYPERPOOL 4P型振动筛处理后的钻井液进入沉砂仓，沉淀后高位进入除气仓，进行后续处理；在油基钻井液作业时，不使用沉砂仓，振动筛处理完后的钻井液通过钻井液渡槽进入到储备罐，然后用F-1600E 型钻井泵直接吸入，泵入井内，这就要求钻井泵能够吸入4个储备罐中任何隔仓的钻井液。

阿布扎比油区两级净化固控系统主要特点有：①油基钻井液和水基钻井液流程设计合理，在不同工况下切换方便；②双流程设计，即混合泵的吸入和排出管线都有两路管线，钻井泵的吸入也是两路管线，满足不同性能钻井液的配比［7-8］。③零排放设计，使用油基钻井液后清罐方便，钻井液进入零排放管线统一收集；钻屑通过螺旋输送机统一收集，再统一运输到集中处理站处理，不会对钻井现场造成污染。两级净化固控系统在阿布扎比油田的作业现场如图4。

图4 阿布扎比油区两级净化固控系统

4.2 渤海钻探冀中油田项目

2016—2017年，渤海钻探工程有限公司在冀中油田高9-20X、岔30-201X、岔30-202X、高661、高661X、泽43-13X 井完成了6 口井的两级净化固控系统现场试验，最终获得成功。2017-08，在泽冀中油田43-13X 井，采用“S610双层变轨迹振动筛+离心机”的两级固控模式，4台双层振动筛安装180～230目筛网，净化能力达到钻井液清洁器的净化能力［1］；并具有材料添加混合、钻井液存储、钻井泵吸入、钻井液补给等流程。冀中油田两级净化固控系统应用效果如表3。

表3 冀中油田两级净化应用效果

冀中油田两级净化固控系统主要特点有：①固相控制和环保处理融合设计，减少设备投入；②双层变轨迹振动筛的使用，减少了固相中液相的含量，减轻了环保处理的压力。冀中油田两级净化固控系统作业现场如图5所示。

图5 冀中油田两级净化固控系统作业现场

4.3 中国石油7 000 m 自动化钻机项目

中国石油7 000 m 自动化钻机项目固控系统采用两级净化“双轨迹振动筛+中高速离心机”方案。截止2019-08，在新疆吉木萨尔、青海花土沟、新疆克拉玛依、甘肃庆城、陕西靖边、辽宁沈阳、河北沧县、黑龙江大庆等地进行钻井作业，累计进尺约30 000 m。

中国石油两级净化固控系统特点主要有：①采用圆弧形罐底，防止罐内死角沉砂；矩形罐面结构，便于布置罐面设备［9-10］；②灌注泵、混合泵吸入管线布置在外侧，最大程度地减少罐内管线，便于清砂；③采用重晶石回收装置，有效回收重晶石，减少了材料的浪费。图6所示为固控系统在大庆油田的作业现场。

图6 中国石油两级净化固控系统

5 结论

1） 两级净化固控系统中，第1级净化设备的选用最为重要，其性能直接影响系统性能，应至少满足200目筛网的使用要求。

2） 两级净化固控系统可取消沉砂仓或者采用小容积沉砂仓，增加了系统有效容积，7 000 m 钻机可增加有效容积约30 m3。

3） 两级净化固控系统取消了除砂器、除泥器，大幅降低了固控系统整体投入成本、运行成本以及运输成本，简化了钻井液净化流程。

4） MUDCUBE 固液分离装置的性能优于常规振动筛，国产化后有较好的市场前景。

5） 重晶石回收装置可有效增加钻井液中重晶石的混合效率，节省了重晶石的投入成本。