如果清洁的泥浆是钻井作业的生命液，那么控制井筒岩屑和固相含量则是保持井眼良好工况的首要前提。除固控设备及其相关技术工艺外，钻机设备和钻井工艺方面都步入了自动化时代。相信，未来技术的进步或能改变这一方面。随着超声波传感器和智能振动筛的不断发展，固控设备的自动化时代也来到了。

 

 

新型振动筛的特点

 

2015年，一款多频振动筛出现在OTC市场。该产品能运用50级的多频振动对钻井液进行净化处理。这款振动筛通过采用采矿业“激振器”产生的不同频率和振幅来实现振动速度的高速变化，使振动筛筛目上的振动力倍增。为了推动固控设备向着自动化的方向发展，正在设计的振动筛具有两个特点。一是采用超声波传感器实现实时数据测量；二是振动筛工作时可以实现自控操作，无需人工干预。

 

“这些特点正在与其它先进技术齐头并进，针对当前和未来更深更长水平段钻井的需求，也包括通过提高钻井液回收率及筛出更干岩屑来达到进一步节省成本的经济需求。正如该行业大多数技术创新一样，挑战是将这些新技术应用到该领域的重要动力。”一位在埃克森美孚公司开发研究部工作了39年的前研究顾问Leon Robinson博士说：“人们正在取得各种各样的重大技术突破，把从实验室刚刚验证的技术拿到现场试用就是向前迈出了一大步”。

 

 

中国振动机械网配图

 

新固空设备提效阻漏

 

    对于一些公司来说，他们或许不愿考虑使用新的固控设备和技术，Robinson博士敦促他们仔细看一看新的固控设备是如何影响钻井性能和钻井效率的。Robinson博士说：“钻速低是由于未能使岩屑离开井底所引起的。如果你不能使岩屑使迅速离开井底，钻头会再次研磨同一批岩屑，使钻井速度降下来，就好像岩石很硬钻头钻不动钻速很慢一样。另外，你会遇到高扭矩高摩阻的井下工况，你可能在想你已经加了13.6t钻压，可是你却可能只给钻头加了6.8t钻压，原因是有6.8t的井眼摩阻，这部分摩阻抵消了一部分钻压，使你不能将13.6t的钻压全都加到钻头上。”

 

    低效的固控设备可能是导致许多非生产时间的罪魁祸首，如井漏、卡钻、井控事故等。Zaxxon仪器公司的常务总经理Norman认为，从多个不同层级上看，钻进产生的过量岩屑对泥浆体系是有害的，在实际作业中，泥浆净化系统中没能有效地去除和处理好钻出的岩屑，由此产生诱发性井漏是常见的事，甚至更严重的井漏事件。你可能会遇到环空泥浆漏光的情形，所有这突如其来的事态都会因你没有迅速采取有效的阻漏措施而导致井漏发生。

 

 

美国德瑞克石油振动筛

 

一种新型解决方案

 

Norman建议探索多种方式，在固控和钻井效率之间找到更有效的量化关系。他说：“就像用‘拇指规则’或‘直觉’… 这样的术语来形容钻井队经验丰富的钻井人一样，但如果他们能接受更多的信息，想象会发生怎样的可能性”。一种可能的解决方案仍在研发之中。这可能是一种卡箍式测量工具，采用超声波技术实时测量流体密度、流量、颗粒尺寸分布和流变学参数。这种工具被命名为Rheopipe 。Rheopipe是一种超声波传感器，这种传感器能接在管线外面。Zaxxon仪器公司自2013年夏季以来一直在研发这种工具。这项研发的最终版本将能测量管线满眼流体和半满眼流体的多项数据。

 

Norman说道：“我们能把这种仪器接在离心机一侧的吸入液流管线和另一侧的流出液流管线上，测量移除固体的移动效率”。这使得振动筛和离心机的效率被量化，因为泥浆在流进和流出这些仪器的前后会得到两种状态的测量。Zaxxon仪器公司是从其它行业正在使用的测量流量的类似工具中得到的这一灵感，如食品加工业、化学制品业和化妆品业。

 

图说：Elgin Hyper-G型振动筛在2015年的OTC市场上热销

 

传感器的量化测试

 

来自Zaxxon仪器公司的消息，由壳牌发起的最初的流量循环测试在美国休斯敦进行，并已证明传感器通过管线读取数据的能力。另一个计划在2015年11月进行的流量循环试验将运用环流来测试钻井泥浆系统的传感器，确定传感器在测量钻井液密度、流量、固体颗粒尺寸分布和泥浆流变学等参数的有效性。Norman说：“从这一点上看，在用管夹传感器借助一个计划的160管线的测试中，我们正取得一些良好结果，但数据有些嘈杂，需要将信号进行放大来处理，而且传感器需要更大的采集功率”。

 

    如果能够证明这些传感器的效率，Norman估计，一台小型陆上钻机可能需要6-8个超声波传感器，一个深水钻井船可能需要20-30超声波传感器装置。由于这些传感器可以无需任何焊接安装在管线外部，因此传感器在新老钻机上都能使用。传感器可能会与一个独立的外置PLC（可编程控制器）一同安装，破译或解码传感器采集的数据，由传感器的发射装置通过无线网络将数据传送给PLC。Norman说：“我们可以把传感器夹在立管上、每个泥浆泵上、吸入管线和离心机上、离心机的泄流管线上以及其它的液流管线上。无论你把传感器安装在哪儿都能测量相关部位液流的属性。钻井队现场和办公文职人员的任何人都能很容易获取这些信息。整套传感器系统会让我们使用较少的传感器，捕获我们所需的数据，提供一个完整的优化钻井液性能的处理系统”。

 

    Zaxxon公司确信，这些超声波传感器能提供一扇看不见的时间损失窗户，利用一个更加自动化的工艺来帮助作业者理解采用的固控技术需要做什么才能真正提高钻井效率。 “如果你看看其它行业在历史长河里所走过的自动化道路，没有人走到半路又掉回头来回到手动方法，我们的行业也没有什么不同，现在做准备已经很慢了”Norman说到。

 

环保标准与回收的挑战

 

钻井液部门主管Ben Hiltl说：“当今市场上几乎每一款标准的用在钻井泥浆净化上的液流振动筛大约为6-8种振动频率，这种振动筛更可能从结构上损害振动筛的振动蓝，这里提供的所有振动筛，包括我们的产品的问题都集中在振动蓝能接受多大的输入流量，以及泥浆究竟能得到多大的振动能量”。Hiltl认为，这些振动筛作为第一道防线确实能从泥浆中分离出所钻的固体岩屑，但这或许并不能充分满足作业者重点针对废物管理要达到的当今的环保标准，如EPA 9095B标准。另外，行业衰退和业绩低迷意味着作业者正在寻找可回收的能够再利用的昂贵的钻井液，利用各种辅助设备来实现这些目标，这些设备包括离心岩屑干燥机或烘干振动筛，使用更细孔径的筛目。相比液流振动筛，这些烘干振动筛没有采用多级方式对岩屑进行脱浆处理。

 

多频振动筛的应用

 

    2015年的OTC市场上，钻井液服务公司展出了商业化的多频振动筛，根据公司发布的信息，这款多频振动筛能对泥浆进行多达50级的净化处理，起初的驱动力源自Chevron的支持，因为这家石油公司曾寻找多种途径来筛出更干的岩屑，首次设计了一台可以烘干岩屑的振动筛，而这款振动筛也能作为一台液流振动筛或泥浆净化器来使用。这款振动筛在筛目网下面添加了一系列获得专利的激励器，在振动筛振动时激励器能增加筛目上的重力，振动筛通过一个弹性体将重物与一个拍打器连接起来进行前后摆动，拍打器安装在筛网下面，当振动筛的振动蓝在筛目上施加重力时，激励器给振动筛增加的重力运用在筛目上，Hiltl说：“振动筛的振动与拍打器的拍打使摆动越来越大，高重力仅施加在筛目的表面，而非振动筛设备上”。

 

    无论是多频振动筛还是标准振动筛通常都运行在1800rpm的转速下，根据Hiltl的介绍，激励器能提高施加给钻井液的重力从8到50个等级，而且，多频振动筛还能通过一个无极变频器（VFD）使每一个周期的重力强度产生变化，而标准振动筛的振动强度则保持恒定。由于重力周期重复地加速和减速，这使得新款振动筛能产生多频振动，避免筛目的筛孔堵塞，当较小的固体颗粒在振动筛筛目的筛孔停留时，减少了体积的处理过程，对于使用恒频振动筛而言这是一个风险。

 

多频振动筛的振动频率从30到1000赫兹，施加的重力范围能被调整，例如：一名操作员可以通过无极变频器来提高施加在筛网上的振动重力，从而到达一个所需的范围，如30-50 级。振动筛上的激励器选自一个带有专利的采矿技术，一个从事钻井液服务的合资公司FSIVIRTO公司正在使用此项技术。JV公司使用了同类型的激励器，采煤业在筛选煤时使用过这样的激励器，它与钻井行业使用的振动筛功能很相似。