钻井液固相控制系统发展历程及发展趋势展望

王 臣，明向东，代炳晓，彭爱红，周小刚，李乐佳

（1.渤海石油装备制造有限公司石油机械厂，河北沧州 062552；2.渤海钻探工程有限公司第五钻井工程分公司，河北沧州 062552）

0 引言

随着石油钻井工艺技术的不断更新，环保要求的日益严峻，对钻井液固相控制（以下简称“固控”）系统的要求也越来越高。常规的固控系统配有振动筛、除气器、除砂器、除泥器、离心机等五级净化设备，固控系统对钻井液进行循环、处理以及净化，调整钻井液的密度、黏度等参数满足工艺要求。高质量的固控系统在钻井工程中起着重要作用。

在近30年来，固控系统不断改进与完善，对提高钻井液处理效果，减少维护保养工作量，保证钻井液性能，减少井下事故、提高钻速、减少成本效果显著。因此，完善的钻井液固相控制系统是科学钻井的重要标志。在不降低或少降低其固控系统性能的基础上，简化设备、降低能耗、提高可靠性已成为国内外固控专家们关心的问题。

1 发展现状

通过多年的研究和经验累积，固控系统得到了较快的发展，各种配置较为全面、设计越来越人性化、性能稳定。固控系统配套有防爆电路、砂泵、搅拌器、泥浆枪、剪切泵、加重漏斗、安全设施等多种辅助设备和设施，总重量达到45～300 t，总电力消耗己接近300～800 kW。固相含量最高可控制在5%以下，钻井液的低密度性也可以根据需要进行调节。

经过广大技术人员的多年努力，国内各钻井设备生产厂家陆续开发出了多种振动筛、高速离心机、真空除气器等具有较高技术含量的固控设备，缩短了我国在钻井液固控系统设计上与国外发达国家的水平。但由于设计水平、主要材料达不到要求，使得产品性能不稳定；研究处理大、可靠性高、分离效率高的多筛系统，减少清洁器的开机时间甚至不再使用旋流清洁器，减少固控级数已经成为一种趋势。

2 存在的问题

研制方面，根据钻井工艺和环保的要求选配相应的设备进行特殊的、非常规的组合应用，以取得最佳的固控效果。并要求最有效地节约资源，从而使产品具有最好的经济、生态和社会的综合效益。因此，科学分析各种固控设备分离固相的能力，确定合理的钻井液固控工艺流程，对于设计和研制高性能的钻井液固控系统具有重要意义。目前固控系统主要存在以下4个问题。

（1）固控系统通常配备五级净化设备，净化层级多、设备耗能大，给后期的维护、保养、安装等带来诸多不便。

（2）有标准化设计低、互换性差、通用性不高、系统个性化差异大等缺点，也不利于功能扩展和系统的升级改造。

（3）固控系统的操作、钻井液性能参数测量等主要依靠人工操作，劳动强度大、精度较低、智能化程度低，已不能满足当前生产的要求。

（4）作为施工作业过程中的主要污染源，固控系统有废弃物处理工艺难于满足环保要求、系统结构设计未满足后续处理装置的连接与使用等缺陷。

3 发展趋势

固控就是用来实现石油钻井液的固相控制，固控系统的性能和质量是固相控制技术的关键，对提高钻井质量、降低钻井成本、满足环保要求、提高安全人性化操作等都具有重大意义。

3.1 模块化标准化

由于不同的钻井工艺需要有不同的净化参数要求，对系统容积、工艺流程、净化设备进行多种组合能形成不同的产品，产品具有多样性，因此采用标准化模块化设计有助于实现产品的继承、互换和功能拓展。

（1）科学合理布置流程。根据钻井工艺需求优化固控系统流程设计及布局结构，使之满足正常钻探作业时的需求。固控系统流程满足钻井液循环、储备、处理、控制等功能，净化设备振动筛、真空除气器、清洁器必须满足最大排量时的全排量处理，辅助设备的配置满足钻井液输送、搅拌性能等参数。各种管路流程清晰、控制便捷、功能齐备。

（2）罐体结构设备安装模块化。罐体结构和设备安装的模块化可以有效地实现产品通用化、组合化、系列化，用户可根据不同地区、不同工艺要求及时便捷的更换不同的设备配置和调节固控系统的性能参数取得最优的性价比，使得固控系统具有更广泛的使用性和拓展性。

（3）罐体接口标准化。标准化是提高产品互换性、兼容性和扩展性的基础，而固控接口的标准化有助于产品的维护、更换、修理并且可以大大提高系统的适应能力、应变能力和拓展能力。

3.2 节能环保

3.2.1 超细目直线振动筛研究及使用

公称直径200～300 mm旋流器只能达到80～120目（筛孔尺寸0.180～0.125 mm）筛分效果，公称直径100～125 mm旋流器只能达到100～200目（筛孔尺寸0.150～0.075 mm）筛分效果。同时砂泵能耗高，排量200 m3/h的砂泵电机功率在55～75 kW，且设备管理维修不便。

超细目直线振动筛（不低于200目）可以减少固控系统中除砂清洁器、除泥清洁器以及相配套的砂泵的使用，还可以简化系统净化流程，提高钻井液净化效率、效果，有效降低固控系统的能耗。

3.2.2 高速变频离心机

高速变频离心机兼顾了目前大多数离心机的功能，对简化净化设备、扩展固控系统功能、提高设备使用率、降低钻井成本等均具有显著的现实意义。

（1）通过研究和试验总结出离心机工作参数与钻井液参数、固相颗粒的匹配关系，使得设备具有适应不同钻井液性能参数的能力。

（2）更大的处理能力。处理量可以达到60～100 m3/h，具有更宽泛的工作范围，可以适应更多的工艺要求。

（3）能够与超细目振动筛等固控设备配套，形成新型固控系统，提高钻井速度，降低钻井成本。

（4）速度调节范围大（800～2800 r/min），既可以当作中速离心机和高速离心机使用，也可以清除有害固相、回收有用固相。

3.2.3 搅拌器间歇控制

作为固控系统的重要辅助设备，搅拌器在系统中安装数量最多、能耗最大，其耗电占到整套系统的50%左右。在工作过程中，可以根据不同的钻井工艺并在保证钻井液性能前提下，采用多种科学的间歇工作方式，可降低系统耗电10%～15%。

3.2.4 环保处理一体化

油气田钻井过程中，固控系统的污染物处理主要依靠泥浆不落地系统，两个系统的有机结合，可以实现设备资源共享、流程工艺的相互协作，最大限度提高工作效率：①设备共享节约了资金投入、提高了运行效率；②一体化设计为以后的使用、维护、安装等带来更大的便利；③有助于提高处理效果，使其液相在不被破坏的情况下满足二次回注利用的需求。

3.3 智能化

智能化控制固控系统的成功应用，可以尽可能降低人力成本、提高工作能效，是在原来操作控制前基础上的又一全新突破，也是实现泥浆净化处理工作更加全面、高效的途径。

3.3.1 设备远程自动控制

（1）钻井液振动筛、除泥清洁器、搅拌器、砂泵等设备一体化远程自动控制，可实时监控生产操作、设备运转及泥浆处理等全过程远程跟踪（图1）。

（2）加重是固控系统工作过程中劳动强度最大、最繁重的工作。加重系统远程自动化控制具有提高钻井液材料的使用率、实现密闭输送储存和使用以及有效减少污染等作用。

图1 处理系统工作流程

3.3.2 钻井液性能动态监测

动态监测是将被测参数直接测量并显示出来，告知人们或其他系统被测对象的变化情况，同时用作自动控制系统的前端系统，以便根据参数的变化情况做出相应的控制决策，实施自动控制。与传统的手工采样分析相比，动态监测可以及时掌握主要监测位置的性能参数、预警预报重大参数变化，达到多点同步实时监测、提高及时发现隐患的能力等目的。

4 结论

（1）研究提高固控系统的标准化模块化设计，提高固控系统的通用性、互换性和拓展性。

（2）提高环保要求，减小环境污染。振动筛筛网目数在200目以上，力争三级固控设备即可满足处理量和筛分效果。

（3）研制处理量达到60～100 m3/h以上、分离中点2～3 μm的振动筛，分离出来的固相沉渣达到可运输条件。

（4）开发新型环保设备，使其适用于油田钻井液及钻屑随钻处理，提高钻井液回收效率，减少钻井成本，彻底淘汰泥浆池，真正实现泥浆不落地。

（5）研究钻井液性能参数的在线检测与分析，对固控系统进行效率配置和优化评价，推动我国钻井液固相控制系统的发展。