钻井液固控系统技术现状与发展趋势

2015年第11期西部探矿工程*收稿日期：2015-07-02修回日期：2015-07-22基金项目：中石化科技攻关项目“页岩油（气）钻井油基钻屑处理技术与装备研制”的部分研究成果，项目编号312002。第一作者简介：董怀荣（1969-），男（汉族），江苏淮安人，教授级高级工程师，现从事自动化钻机及钻井液固控系统与环保方向研究工作。钻井液固控系统技术现状与发展趋势*董怀荣*，李宗清，李琴，郭振，付光萌，陈志礼（中石化胜利石油工程公司钻井工艺研究院，山东东营257017）摘要：随着石油钻井工艺技术的不断发展，对钻井液固控系统提出了更高要求。探讨了该系统的技术现状、存在问题，介绍了2种新型固控设备，提出了固控系统研发方向。目前，简化现有固控系统的主要方法是以直线振动筛和变频调速离心机组成两级固控系统。其优点体现在结构简单、处理量大、能耗低、系统可靠性高、易损件寿命长、钻井液净化效果好，满足新型钻井工艺技术发展的需要。关键词：钻井液；直线振动筛；变频调速离心机；固控系统；发展趋势中图分类号：TE254文献标识码：A文章编号：1004-5716(2015)11-0049-04随着石油勘探开发工作的发展，钻井深度不断增加，钻遇地层日益复杂，特别是近几年国内外新型钻井技术的发展（如深井、超深井、水平井、欠平衡钻井技术等），对钻井液净化与固控提出了更严格的要求。目前，我国现有的钻井液固控系统主要由振动筛、除砂器、除泥器、离心机等组成的三级或四级净化系统，其总重量达50t，总电力消耗接近300kW。随着钻井工艺技术的不断进步，现有钻井液固控系统已经不能很好地满足现代钻井技术发展的需要，也无法满足竞争日益激烈的国际钻井市场的需求，研制新的固控设备、组建新的固控系统十分必要。笔者探讨固控设备技术现状及新型固控系统研发，希望对国内相关设备的研发和创新具有借鉴作用[1]。1系统技术现状1.1国外目前，国外固控系统的理论和设备研究水平较高，有的厂家可以根据室内分析数据与计算机计算结果，改变固控流程，指导钻井液处理，并可以通过计算机自动定量控制各种固控设备。在固控设备技术领域，英国ThomasBroadbent&Son’sLtd.公司及美国Derrick公司、Brandt公司和SWACO公司是比较有代表性的公司。英国Broadbent公司的钻井液固控系统是5台双层双联直线振动筛（上层为8~80目筛网，下层150目以上筛网目）与1台变频调速大处理量离心机（滚筒直径508mm）组合而成。美国SWACO公司新型钻井液固控系统包括4台振动筛、1台除气器、1台钻井液清洁器、2台离心机（1台中速离心机、1台高速离心机等。美国Brandt公司的成套固控系统包括2台ATL-CS细目直线振动筛、1台ATL-DRYER-16/2干燥机、1台DG10除气器、2台HS-3400型离心机，可处理加重或非加重钻井液。Derrick公司推出的固控系统包括钻井液分配器、4~5台超细目直线振动筛、1台除气器、2台离心机。可以看出，国外固控系统已经发展为以振动筛为核心的两级系统，即多台细目或超细目直线振动筛与中高速大排量离心机组合而成，且已非常成熟，取代了传统的耗能高、系统可靠性低、维护保养工作量大的多级固控系统。1.2国内国内固控系统大多是在引进国外技术的基础上进行国产化，使之适合我国钻井工艺的需要。各油田又根据地区性特点推出各具特色的固控系统，我国当前主要以NG4型固控系统为主，该系统主要由振动筛、除砂器、除泥器和离心机等组成，可以将钻井液中的固相含量控制在5%~8%。目前，这种三级或四级固控系统普遍存在以下问题。（1）公称直径200~300mm旋流除砂器只能达到80~120目筛网的筛分效果，公称直径120~125mm旋492015年第11期西部探矿工程流除泥器也只能达到100~200目筛网的筛分效果。同时，由于细目筛网易破损，大多数采用低目数筛网，钻井液中占固相颗粒80%的细颗粒不能被高效清除，钻井液净化效果大大降低，固相含量高，影响后续设备或高端仪器的使用。（2）砂泵给钻井液施加的压力以及旋流器内部的摩擦导致岩屑更加细化，将其清除更加困难。（3）砂泵能耗高，排量200m3/h的砂泵电机功率在55~75kW，如果同时使用除砂器和除泥器，耗能大于100kW。此外，砂泵轴的密封件易损坏，导致漏失钻井液，且设备管理维修不便。（4）随着钻井工艺技术的发展，现有多级固控系统不能很好地满足诸如水平井、欠平衡井、大位移井、深井和超深井等复杂结构井、特殊工艺井等新型钻井工艺的需要。（5）固控系统中的易损件寿命较短，频繁更换，不仅使得钻井成本增加，而且大大影响钻井施工的连续顺利进行，特别是振动筛筛网、旋流器筛网、砂泵轴封等易损件，与国外相比仍有较大差距。（6）固控设备加工质量差，可靠性不高，固控系统产品没有形成系列化、标准化，科研设计能力尤其是理论研究仍落后于国外。2新型固控设备2.1ZS6型钻井液直线振动筛振动筛是由井口返出钻井液的第一级常规固控设备，也是目前唯一能全流量处理、耗能最低的固液分离设备。目前，大多数国产振动筛的缺点是：振型不合理，影响振动筛整机性能，特别是处理量、筛网寿命和过滤精度，不能满足新型钻井工艺技术的发展要求；筛网寿命较短，更换不方便，不能满足连续钻进的工艺要求；透筛能力不强，易发生“糊筛”和“跑钻井液”的现象，且筛网目数不高，导致许多细小固相颗粒仍然存在于钻井液循环系统中；振动筛隔振装置采用金属螺旋弹簧隔振，隔振效果不好，整机噪音大，工作不平稳；调节和适应性能差，振动筛筛箱坡角和激振力不能根据钻井工艺的实际要求进行调节；开机、停机共振时间较长，对整机损害较大，尤其是对隔振系统易损件的影响较大；在我国出国施工的钻机招投标时，国产振动筛性能无法得到国外承包商的认可，不得已采用进口振动筛，但其价格高，配件供应不及时，服务不到位，甚至影响到国外市场的进一步发展。据此，利用我国钻井液振动筛理论研究优势，研制开发先进的国产钻井液振动筛，特别是研制符合现代钻井工艺、有着较高可靠性和较强处理能力的线性振动筛就显得尤为迫切和重要[2-3]。目前，某单位研发的ZS6型钻井液直线振动筛采用双筛分仓式结构，可以对钻井液进行两次净化与固液分离，上层筛网目数一般为20~60目，下层筛网根据井段和固控要求使用60~325目的细目、超细目带框架板式叠层粘接筛网。该振动筛的特点是：筛网更换方便，使用寿命较长，筛分效果好，处理量大，可以替代进口产品，满足连续钻进的工艺要求；筛面角度可调，调整范围5°；带有钻井液进液缓冲槽和地质仪器安装槽；通过由壬与井口出水管可快速连接；结构简单，安装方便，噪音低，整机振动平稳；可靠性高，比较适合国内石油矿场实际情况[4-5]，这种ZS6型双联双层直线振动筛的主要技术性能如下：（1）振型：直线；（2）额定功率：1.5×4kW；（3）供电频率、电压：50Hz、380V；（4）激振频率：24.16Hz(1450r/min)；（5）振动强度：5.5g；（6）处理量：50~80L/s；（7）激振力：63×2kN；（8）振幅：5mm；（9）上层筛网：目数：20~60目，面积：1.1m×2m；（10）下层筛网（板式叠层复合筛网）：目数：60~325目，面积：2.4m×2m；（11）外型尺寸(长×宽×高)：4500mm×2600mm×1550mm；（12）质量：5082kg。2.2闭环控制全变频钻井液离心机离心机也是固控系统中的关键设备之一，其性能直接影响二级固控系统能否实现。虽然振动筛能够全流量处理钻井液中的有害固相，但不能全部清除，一些极小的固相颗粒胶体仍然需要离心机分离。此外，离心机可以回收重晶石。离心机是固控系统中结构最复杂、掌握最难的设备，一般根据处理量、离心力、分离点和转速等分成3种类型：①重晶石回收离心机，主要将重晶石粉回收至钻井液体系中，将一些低固相颗粒排除，处理量一般38~151L/min，转速1800r/min，离心力700g，低密度固相分离点6~10μm，高密度固相分离点4~10μm；②大容量离心机，主要清除低密度固相，处理量非常大，转速1900~2200r/min，离心力800g，分离点约5~7μm（在未加重钻井液中）；③高速离心机，双离心机组合时的第2台离心机，主要清除未加重钻井液中的低密度固相，处理量151~453L/min，转速2500~3300r/min，离心力1200~2100g，分离点2~5μm。双离心机组合时第1台回收重晶石。某单位研制的GLW系列闭环控制全变频钻井液502015年第11期西部探矿工程离心机，与国内外现有其它离心机相比，由于采用了特殊的差速器，转鼓与螺旋推进器全部由1台主电机驱动，使得控制简单、可靠，操作方便。而国内现有离心机均采用了主、辅2台电机分别驱动转鼓与螺旋推进器。整机采用了1套全变频、全自动闭环控制，包括了主机和供浆泵均是交流变频控制[6]。该离心机具有处理量大、结构紧凑、使用寿命长、性能可靠等特点，是钻井液固相控制、进行液相/固相分离的理想设备。采用了变频调速智能控制和实时数据采集技术，能够根据钻井液性能参数的变化，自动调节离心机滚筒的转速、差转速以及供浆泵的排量，以获得最大的排渣量，并能实现故障停车报警、实时远距离显示和控制等功能。并具有长径比大、分离因数高、差速器结构合理寿命长等特点。分离中点可以达到3μm以下，处理能力Q=50m3/h，输渣能力G3=7200kg/h。另外，底流和溢流调节方便。离心机排出底流的干湿，通过转鼓大端的溢流调节板调节。也可以通过进液管深度实现。（1）具有适应不同钻井液性能参数的能力，实现了智能变频调速反馈控制系统，实现了闭环控制，整体控制系统具有防爆和自动保护功能。能够根据钻井工艺的实际情况，对于在不同地层、不同钻进过程中采用不同钻井液性能（包括粘度、密度、含固相含量）和排渣量的变化，实时数据采集离心机负载扭矩、处理量等实际参数，通过变频器和自动控制系统实现闭环控制，能够自动改变离心机运行参数，自动调节供浆泵的排量，使得在钻井液性能参数发生变化时，确保排渣量和离心机的处理能力始终处于最大状态，离心机处于最佳工作状态。（2）具有很好的自控能力，在设备发生故障时，能自动停机并报警，具有远距离监视能力，从而大大提高了离心机的使用效率并降低了风险，从而得到最佳的处理效果。（3）能够与我所研制成功的ZS6型直线振动筛、中速离心机等固控设备配套，形成新型固控系统，从而大幅度提高钻井液固相控制水平，促进钻井技术的发展，提高钻井速度，降低钻井成本。采用ZS6型直线振动筛和高、低速离心机组合的固控系统时，可以使钻井液的含砂量一直控制在0.3%以下。（4）速度调节范围大，既可以作为中速离心机用，也可以作为高速离心机用。（5）控制系统中具有温度实时监测性能。在控制系统中设有温度传感器，实时监测控制系统温度，以便手动控制风机的启动与停机，使得控制系统处于良好最优工作状态。（6）长径比大（k=3），分离固相更为干燥，减少钻井液的漏失，有利于保护环境和钻井液的消耗量。（7）从设计、制造等方面考虑，全面提高了离心机的分离性能，使之更加适应油田钻井工艺的发展要求，从而提高钻井液固相控制的水平。3钻井液固控系统发展趋势综观国内外钻井液固控设备及系统的技术现状，其研发方向应以改进提高振动筛性能为核心，提高离心机处理量和工作转速，简化现有固控系统，力争使用多台振动筛与离心机组成的两级固控系统。简化固控系统可以分两步走：从长远考虑，研究采用一种真空过滤抽吸原理直接进行一级过滤即可实现高效固液分离，一步到位，固控效率更高、费用更低，是今后固控设备研发的主攻方向；近期目标是研究处理量大、可靠性高、分离效果好的多筛固控系统，去掉除砂器、除泥器以及为除砂器和除泥器供液的耗能大效率低的砂泵，这种新型固控系统由3~4台细目筛网直线振动筛、1台全变频全自动智能控制中速大排量离心机（转速1200~2000r/min）、1台全变频全自动智能控制高速离心机（转速1800~3400r/min）组成两级固控系统。其优点主要体现在：结构简单，系