钻井液负压过滤装置筛网运移速度研究

2021-03-24焦金刚杨向前郭华中海油研究总院有限责任公司北京100028

化工管理 2021年6期

焦金刚，杨向前，郭华(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

0 引言

在石油勘探开发中，振动筛作为最重要的固控装置应用广泛，但其缺点非常明显：效率低、噪音大、有害气体弥漫[1-2]。近些年来，带式负压过滤装置的应用，对钻井液的固控处理提供了环保、清洁的新方向[3-4]。带式真空过滤机是将筛网固定在传动轴上转动，通过负压提高筛网的过滤效率，并抽走有害气体，分离出的固相随着筛网转动运移走[5-6]。带有固相的筛网运移出过滤区域后，可通过水刀、气刀等方式进行清洁后，在机器中循环返回到过滤区域。

在负压的影响下，筛网的过滤效率将发生变化，筛网运移速度如何设置才能提高带式真空过滤机整体过滤效率是所关注的焦点。本文通过室内实验研究，对不同目数的筛网过滤效率进行分析，并通过筛网转移速度模型，研究了钻井液在筛网上形成滤饼且影响过滤效率时，有效地将筛网移开需多大的运移速度，对设计负压过滤装置有参考意义。

1 筛网过滤分析

1.1 过滤效率计算模型

钻井液过滤时，在一定的负压下，经筛网后滤液排下至滤瓶，而固相则被截留在筛网上形成滤饼。这个过程可以看作恒定负压下的过滤，其过滤效率公式[7]为：

式中：θ为过滤时间(s)；q为钻井液处理能力(m3/s)；qe为筛网当量的过滤介质阻力(m3/s)；K为过滤常数，无量纲。

根据带式真空过滤机的钻井液处理能力，其过滤量与时间、筛网及过滤效率的关系方程可表示为：

式中：t为单位时间(s)；q为钻井液处理能力(m3/s)；B为筛网有效宽度(m)；h为滤饼的平均厚度(m)；δ为滤饼密度(kg/m3)；V为筛网运移速度(m/s)；W为滤饼的含水率，无量纲。

由公式(1)可以求得过滤量与过滤效率的关系，而公式(2)则可以根据筛网的尺寸、过滤量、滤参数等，求得筛网的运移速度。

1.2 室内实验装置及方案

根据负压过滤装置的基本原理，设计实验方案，通过室内实验，可以测得过滤常数K、筛网当量的过滤介质阻力qe，进而分析过滤效率与过滤量。在泥浆实验室，选用真空负压泵、缓冲杯、量杯、过滤漏斗、筛网等组成负压过滤实验装置，如图1。

图1 筛网过滤效率实验装置

具体负压过滤室内实验步骤设计如下：

(1)配制渤海地区常见的钻井液体系，配制完成后加入不同比例的岩屑，配制不同含屑量的钻井液，搅拌均匀。

(2)利用漏斗控制钻井液的流量，并通过调节真空负压泵，将抽真空的压力传感器的指示值维持在负压0.02 MPa范围，在此条件下进行含岩屑的钻井液过滤作业。

(3)通过秒表在钻井液通过筛网过滤的过程中，在不同的时间，记录不同的滤液量。

(4)当钻井液通过筛网开始过滤时，便开始计时，并记录计量瓶上的数据；当筛网下不再有连续的滤液进入计量瓶，则认为滤饼严重影响了过滤效率，结束一组实验。

2 过滤实验数据分析

在现场作业中，通常钻井液的岩屑含量在5%以下，极端情况下，岩屑含量会在20%以上。为了在筛网过滤实验中，对钻井液中岩屑含量与过滤效率进行分析，将分别以20%、5%、2%的岩屑含量配制钻井液。

筛网的目数直接影响钻井液过滤后的固相含量，目数越大，过滤后的钻井液中固相越少。现场作业通常采用120目以下的筛网，能满足绝大部分情况下的钻井液过滤后的效果。为了更好地研究筛网目数对负压过滤装置过滤效率的影响，选取了40目、80目、120目、170目、200目分别进行过滤实验。目数越大，也意味着筛网易堵塞，若筛网运移不及时，则装置的整体效率将降低。

具体的结果及实验数据如下：

(1)钻井液含有20%的岩屑。本组实验过程中，由于钻井液中含有大量的岩屑，固相沉积非常快，整体的过滤性能较差，即使是40目的筛网，也会很快形成滤饼，筛网下随即不再有连续的滤液，整体的过滤效果不佳，按照实验方案制定标准的实验结束，不能采集有效的数据。实验结果和现场实际情况相符，当钻井液含有大量岩屑时，通常需要非常大地振动，才能提高过滤效率，但过滤效果依然不佳。

(2)钻井液含有5%、2%岩屑。对于含有5%或2%岩屑的钻井液，40目筛网由于网眼大，阻碍小，钻井液通过速度快，部分细小的固相随之通过筛网，滤饼的沉积过程长，筛网可以长时间的使用。也就是说，对于含屑量5%或2%的钻井液，负压过滤装置可以长时间使用40目的筛网，无需过多的注意运移走筛网。

当钻井液通过80目，120目的筛网时，滤饼逐渐形成，滤液由连续大量滤下到断断续续滴下，在30～60 s之间。根据记录到的实验数据，分析筛网的过滤常数关系，如图2和图3所示。

而钻井液通过170目数以上的筛网时，由于网眼过小，细小的固相将很快堵塞网眼，导致钻井液通过筛网困难。