華揚油氣——新型鉆井液振動篩和變頻鉆井液離心機的研制
作者：西安華揚油氣設備有限公司 發布日期：2018-05-21
隨著石油勘探開發工作的發展，鉆井深度不斷增加，鉆遇地層日益復雜，特別是近幾年國內外新型鉆井技術的發展（如深井、超深井、水平井、欠平衡鉆井技術等），對鉆井液凈化與固控提出了更嚴格的要求。目前，我國現有的鉆井液固控系統主要由鉆井液振動篩、除砂器、除泥器、鉆井液離心機等組成的三級或四級凈化系統，其總重量達50t，總電力消耗接近300kW。隨著鉆井工藝技術的不斷進步，現有鉆井液固控系統已經不能很好地滿足現代鉆井技術發展的需要，也無法滿足競爭日益激烈的國際鉆井市場的需求，研制新的固控設備、組建新的固控系統十分必要。筆者探討固控設備技術現狀及新型固控系統研發，希望對國內相關設備的研發和創新具有借鑒作用[1]。
1系統技術現狀
1.1國外
目前，國外固控系統的理論和設備研究水平較高，有的廠家可以根據室內分析數據與計算機計算結果，改變固控流程，指導鉆井液處理，并可以通過計算機自動定量控制各種固控設備。
在固控設備技術領域，英國ThomasBroadbent&Son’sLtd.公司及美國Derrick公司、Brandt公司和SWACO公司是比較有代表性的司。英國Broadbent公司的鉆井液固控系統是5臺雙層雙聯直線鉆井液振動篩（上層為8~80目篩網，下層150目以上篩網目）與1臺變頻調速大處理量鉆井液離心機（滾筒直徑508mm）組合而成。美國SWACO公司新型鉆井液固控系統包括4臺鉆井液振動篩、1臺真空除氣器、1臺鉆井液清潔器、2臺鉆井液離心機（1臺中速鉆井液離心機、1臺高速鉆井液離心機等。美國Brandt公司的成套固控系統包括2臺ATL-CS細目直線鉆井液振動篩、1臺ATL-DRYER-16/2干燥機、1DG10除氣器、2臺HS-3400型鉆井液離心機，可處理加重或非加重鉆井液。Derrick公司推出的固控系統包括鉆井液分配器、4~5臺超細目直線鉆井液振動篩、1臺除氣器、2臺鉆井液離心機。
可以看出，國外固控系統已經發展為以鉆井液振動篩為核心的兩級系統，即多臺細目或超細目直線鉆井液振動篩與中高速大排量鉆井液離心機組合而成，且已非常成熟，取代了傳統的耗能高、系統可靠性低、維護保養工作量大的多級固控系統。
1.2國內
國內固控系統大多是在引進國外技術的基礎上進行國產化，使之適合我國鉆井工藝的需要。各油田又根據地區性特點推出各具特色的固控系統，我國當前主要以NG4型固控系統為主，該系統主要由鉆井液振動篩、除砂器、除泥器和鉆井液離心機等組成，可以將鉆井液中的固相含量控制5%~8%。目前，這種三級或四級固控系統普遍存在以下問題。
（1）公稱直徑200~300mm旋流除砂器只能達到80~120目篩網的篩分效果，公稱直徑120~125mm旋流除泥器也只能達到100~200目篩網的篩分效果。同時，由于細目篩網易破損，大多數采用低目數篩網，鉆井液中占固相顆粒80%的細顆粒不能被高效清除，鉆井液凈化效果大大降低，固相含量高，影響后續設備或高端儀器的使用。
（2）砂泵給鉆井液施加的壓力以及旋流器內部的摩擦導致巖屑更加細化，將其清除更加困難。
（3）砂泵能耗高，排量200m3/h的砂泵電機功率在55~75kW，如果同時使用除砂器和除泥器，耗能大于100kW。此外，砂泵軸的密封件易損壞，導致漏失鉆井液，且設備管理維修不便。
（4）隨著鉆井工藝技術的發展，現有多級固控系統不能很好地滿足諸如水平井、欠平衡井、大位移井、深井和超深井等復雜結構井、特殊工藝井等新型鉆井工藝的需要。
（5）固控系統中的易損件壽命較短，頻繁更換，不僅使得鉆井成本增加，而且大大影響鉆井施工的連續順利進行，特別是鉆井液振動篩篩網、旋流器篩網、砂泵軸封等易損件，與國外相比仍有較大差距。
（6）固控設備加工質量差，可靠性不高，固控系統產品沒有形成系列化、標準化，科研設計能力尤其是理論研究仍落后于國外。
2新型固控設備
2.1 新型直線鉆井液振動篩
鉆井液振動篩是由井口返出鉆井液的第一級常規固控設備，也是目前唯一能全流量處理、耗能最低的固液分離設備。目前，大多數國產鉆井液振動篩的缺點是：振型不合理，影響鉆井液振動篩整機性能，特別是處理量、篩網壽命和過濾精度，不能滿足新型鉆井工藝技術的發展要求；篩網壽命較短，更換不方便，不能滿足連續鉆進的工藝要求；透篩能力不強，易發生“糊篩”和“跑鉆井液”的現象，且篩網目數不高，導致許多細小固相顆粒仍然存在于鉆井液循環系統中；鉆井液振動篩隔振裝置采用金屬螺旋彈簧隔振，隔振效果不好，整機噪音大，工作不平穩；調節和適應性能差，鉆井液振動篩篩箱坡角和激振力不能根據鉆井工藝的實際要求進行調節；開機、停機共振時間較長，對整機損害較大，尤其是對隔振系統易損件的影響較大；在我國出國施工的鉆機招投標時，國產鉆井液振動篩性能無法得到國外承包商的認可，不得已采用進口鉆井液振動篩，但其價格高，配件供應不及時，服務不到位，甚至影響到國外市場的進一步發展。據此，利用我國鉆井液鉆井液振動篩理論研究優勢，研制開發先進的國產鉆井液鉆井液振動篩，特別是研制符合現代鉆井工藝、有著較高可靠性和較強處理能力的線性鉆井液振動篩就顯得尤為迫切和重要[2-3]。
鉆井液振動篩篩
目前，某單位研發的新型鉆井液直線鉆井液振動篩采用雙篩分倉式結構，可以對鉆井液進行兩次凈化與固液分離，上層篩網目數一般為20~60目，下層篩網根據井段和固控要求使用60~325目的細目、超細目帶框架板式疊層粘接篩網。該鉆井液振動篩的特點是：篩網更換方便，使用壽命較長，篩分效果好，處理量大，可以替代進口產品，滿足連續鉆進的工藝要求；篩面角度可調，調整范圍5°；帶有鉆井液進液緩沖槽和地質儀器安裝槽；通過由壬與井口出水管可快速連接；結構簡單，安裝方便，噪音低，整機振動平穩；可靠性高，比較適合國內石油礦場實際情況[4-5]，這種新型雙聯雙層直線鉆井液振動篩的主要技術性能如下：
（1）振型：直線；
（2）額定功率：1.5×4kW；
（3）供電頻率、電壓：50Hz、380V；
（4）激振頻率：24.16Hz(1450r/min)；
（5）振動強度：5.5g；
（6）處理量：50~80L/s；
（7）激振力：63×2kN；
（8）振幅：5mm；
（9）上層篩網：目數：20~60目，面積：1.1m×2m；
（10）下層篩網（板式疊層復合篩網）：目數：60~325目，面積：2.4m×2m；
（11）外型尺寸(長×寬×高)：4500mm×2600mm×1550mm；
（12）質量：5082kg。
2.2閉環控制全變頻鉆井液鉆井液離心機
鉆井液離心機也是固控系統中的關鍵設備之一，其性能直接影響二級固控系統能否實現。雖然鉆井液振動篩能夠全流量處理鉆井液中的有害固相，但不能全部清除，一些極小的固相顆粒膠體仍然需要鉆井液離心機分離。此外，鉆井液離心機可以回收重晶石。鉆井液離心機是固控系統中結構最復雜、掌握最難的設備，一般根據處理量、離心力、分離點和轉速等分成3種類型：
①重晶石回收鉆井液離心機，主要將重晶石粉回收至鉆井液體系中，將一些低固相顆粒排除，處理量一般38~151L/min，轉1800r/min，離心力700g，低密度固相分離點6~10μm，高密度固相分離點4~10μm；
②大容量鉆井液離心機，主要清除低密度固相，處理量非常大，轉速1900~2200r/min，離心力800g，分離點約5~7μm（在未加重鉆井液中）；
③高速鉆井液離心機，雙鉆井液離心機組合時的第2臺鉆井液離心機，主要清除未加重鉆井液中的低密度固相，處理量151~453L/min，轉速2500~3300r/min，離心力1200~2100g，分離點2~5μm。雙鉆井液離心機組合時第1臺回收重晶石。
GLW系列閉環控制全變頻鉆井液鉆井液離心機，與國內外現有其它鉆井液離心機相比，由于采用了特殊的差速器，轉鼓與螺旋推進器全部由1臺主電機驅動，使得控制簡單、可靠，操作方便。而國內現有鉆井液離心機均采用了主、輔2臺電機分別驅動轉鼓與螺旋推進器。整機采用了1套全變頻、全自動閉環控制，包括了主機和供漿泵均是交流變頻控制[6]。
該鉆井液離心機具有處理量大、結構緊湊、使用壽命長、性能可靠等特點，是鉆井液固相控制、進行液相/固相分離的理想設備。采用了變頻調速智能控制和實時數據采集技術，能夠根據鉆井液性能參數的變化，自動調節鉆井液離心機滾筒的轉速、差轉速以及供漿泵的排量，以獲得最大的排渣量，并能實現故障停車報警、實時遠距離顯示和控制等功能。并具有長徑比大、分離因數高、差速器結構合理壽命長等特點。分離中點可以達到3μm以下，處理能力Q=50m3/h，輸渣能力G3=7200kg/h。
另外，底流和溢流調節方便。鉆井液離心機排出底流的干濕，通過轉鼓大端的溢流調節板調節。也可以通過進液管深度實現。
（1）具有適應不同鉆井液性能參數的能力，實現了智能變頻調速反饋控制系統，實現了閉環控制，整體控制系統具有防爆和自動保護功能。能夠根據鉆井工藝的實際情況，對于在不同地層、不同鉆進過程中采用不同鉆井液性能（包括粘度、密度、含固相含量）和排渣量的變化，實時數據采集鉆井液離心機負載扭矩、處理量等實際參數，通過變頻器和自動控制系統實現閉環控制，能夠自動改變鉆井液離心機運行參數，自動調節供漿泵的排量，使得在鉆井液性能參數發生變化時，確保排渣量和鉆井液離心機的處理能力始終處于最大狀態，鉆井液離心機處于最佳工作狀態。
（2）具有很好的自控能力，在設備發生故障時，能自動停機并報警，具有遠距離監視能力，從而大大提高了鉆井液離心機的使用效率并降低了風險，從而得到最佳的處理效果。
（3）能夠與我所研制成功的新型直線鉆井液振動篩、中速鉆井液離心機等固控設備配套，形成新型固控系統，從而大幅度提高鉆井液固相控制水平，促進鉆井技術的發展，提高鉆井速度，降低鉆井成本。采用新型直線鉆井液振動篩和高、低速鉆井液離心機組合的固控系統時，可以使鉆井液的含砂量一直控制在0.3%以下。
（4）速度調節范圍大，既可以作為中速鉆井液離心機用，也可以作為高速鉆井液離心機用。
（5）控制系統中具有溫度實時監測性能。在控制系統中設有溫度傳感器，實時監測控制系統溫度，以便手動控制風機的啟動與停機，使得控制系統處于良好最優工作狀態。
（6）長徑比大（k=3），分離固相更為干燥，減少鉆井液的漏失，有利于保護環境和鉆井液的消耗量。
（7）從設計、制造等方面考慮，全面提高了鉆井液離心機的分離性能，使之更加適應油田鉆井工藝的發展要求，從而提高鉆井液固相控制的水平。
3鉆井液固控系統發展趨勢
綜觀國內外鉆井液固控設備及系統的技術現狀，其研發方向應以改進提高鉆井液振動篩性能為核心，提高鉆井液離心機處理量和工作轉速，簡化現有固控系統，力爭使用多臺鉆井液振動篩與鉆井液離心機組成的兩級固控系統。簡化固控系統可以分兩步走：從長遠考慮，研究采用一種真空過濾抽吸原理直接進行一級過濾即可實現高效固液分離，一步到位，固控效率更高、費用更低，是今后固控設備研發的主攻方向；近期目標是研究處理量大、可靠性高、分離效果好的多篩固控系統，去掉除砂器、除泥器以及為除砂器和除泥器供液的耗能大效率低的砂泵，這種新型固控系統由3~4臺細目篩網直線鉆井液振動篩、1臺全變頻全自動智能控制中速大排量鉆井液離心機（轉速1200~2000r/min）、1臺全變頻全自動智能控制高速鉆井液離心機（轉速1800~3400r/min）組成兩級固控系統。其優點主要體現在：結構簡單，系統可靠性高，鉆井液振動篩和鉆井液離心機分離性能好，易損件壽命長，能耗降低，鉆井液凈化精度高；設備安裝簡單，維護保養方便，運輸和搬遷快捷；能夠適應國外鉆井市場的需求[7]。
4認識與建議
（1）研究新型固液分離機理、研制新型固控設備是從根本上改進和發展固控系統、提高鉆井液固液分離效果的重要途徑。
（2）簡化現有固控系統結構，減少固控系統級數，減少耗能，提高固控系統的整體可靠性，減少鉆井液的漏失，減輕環境污染。建議當前固控系統配套方案是4~5臺超細目鉆井液振動篩與1臺中速鉆井液離心機、1臺高速鉆井液離心機組合而成。鉆井液振動篩以處理量大的直線篩為主，篩網目數在200目以上，同時提高鉆井液離心機的處理量和分離粒度，力爭2臺鉆井液離心機即可滿足處理量和篩分效果。
（3）鉆井液振動篩是首級全流量處理鉆井液的關鍵設備，因此深化鉆井液振動篩理論研究，研制新型大排量超細目鉆井液振動篩非常必要。鉆井液振動篩研究主要包括深化鉆井液振動篩工作理論、合理振型、篩面固相顆粒運移規律、透篩效果、凈化精度等，不斷改進鉆井液振動篩的控制、調節、隔振等性能，提高板式粘接疊層復合篩網的壽命，進一步提高整機和零部件的可靠性。
（4）研制智能控制中高速大排量鉆井液離心機，單臺鉆井液離心機的處理量要達到100m3/h以上，分離中點2~3μm，分離出來的固相沉渣達到可運輸條件。研究鉆井液離心機固液分離的粒度分布，開發重晶石可回收型鉆井液離心機。
（5）加強環保意識，減少環境污染，開發適用于油田鉆井液及鉆屑隨鉆處理的環保設備，有效回收鉆井液，降低鉆井成本，徹底去掉泥漿池，真正意義上實現鉆井液和鉆屑現場不落地。
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