钻井液固相控制之–非加重钻井液固相控制系统

1、非加重钻井液固相控制系统

非加重钻井液的固相控制主要是除去惰性的低密度固相(即在环境变化时不起反应的那些固相颗粒，如砂粒、燧石、石灰石、白云岩石、某些页岩和许多矿物的混合物等)中的API 砂和API 泥。一般粒度大者清除较易，小者清除较难，胶体颗粒就不易用机械方法清除了，应适当用絮凝法再配合机械法清除，但采用这种清除法的钻井液固相含量应很低。为了清除 2～74 mm的钻屑，从 60 年代以来，国外就重视除钻井液清除分离设备的研发与应用，它可以降低稀释水量的50～70%，泵的易损件消耗也可降低50～90%，同对改善了钻头工作特性，并可减少压差卡钻等井下事故，同时减少处理剂的用量。特别在除泥后，降低钻井液密度效果明显，钻井液性能稳定。为了达到好的除泥效果，宜采用连续除泥法。图2—24 给出了几种常见除泥措施的效果比较。

 

 

　　图 2-24 固相清除工艺对钻井液密度的影响

2、 钻井液固相控制工艺及原理

非加重钻井液主要采用全流一次固控。全流一次固控是利用固控设备，将全部循环钻井液中的液相，及过小或过大固相经过钻井液循环系统后进行部分清除，并将另一部分归回循环系统中的过程。有时为了回收除泥器底流中的液相和胶体，进行节约利用，可用钻井液清洁器或离心机进行二次净化。

 

 

　　图 2-25 非加重钻井液固控系统Ⅰ

图 2—25 为一典型而又较完善的非加重钻井液控制系统，从井口返出的钻井液经过振动筛，大于筛孔的钻屑被清除，必要时振动筛的底流应经过除气处理，然后依次进入除砂器、除泥器进行固液分离，除泥器的溢流进入钻井液罐由离心机再进行处理;底流的粘土和胶体，进入备用钻井液罐以备继续使用，这种固控系统主要用于较贵的油基钻井液或生物聚合非加重钻井液。当然也适用于一般水基钻井液的处理。据有关文献统计，采用离心机的固控系统的处理成本仅是采用稀释法处理成本的一半。

 

 

　　图 2-26 非加重钻井液固控系统Ⅱ

图 2—26 为另一种非加如重钻井液固相控制系统布置方案，与图2—25 比较，它的特点是除砂器和除泥器的底流又进入离心机再次进行分离，有利于回收贵重的液相。非较重钻井液固相控制系统的最大缺点，就是不能在加重的钻井液系统中应用，因为它将导致重晶石和贵重化合物的严重损失。而离心机仅能回收一部分重晶石和贵重化合物。因此，对于加重钻井液应采用相应的加重钻井液固相控制系统。

2-1.加重钻井液固控系统

加重钻井液是控制井压的一项重要而有效的措施，控制井压也就控制了高压油(气)层，因此应重视和加强对加重钻井液的固相控制。加重钻井液一般用于较硬地层、井径较小、钻速较低、固相含量较高(但总的处理量不高)的钻井过程，通常介于12～42%之间，而非加重钻井液介于0～22%之间。加重钻井液中的固相有高密度和低密度两种。在固控中，要避免对加重剂的损耗。除钻井液振动筛外，现行固控设备都为重力分离，遵循斯托克定律。在淡水钻井液中，一般钻屑颗粒与重晶石的当量粒度比约为1.5：1.0。按照API 重晶石标准，若使用150mm(约6″)旋流器对钻井液进行除砂，则经底流流失的重晶石就较多，不经济，如用细目筛和250mm(约10″)、300mm(约12″)除砂器较适宜。加重钻井液的钻屑与粘土的体积含量比控制较严，不宜超过2：1。在非加重钻井液的最优化钻进方案中，可放宽到3：1，若经济上可行，还可放宽到4.5：1。在非加重钻井液中，主要是清除较粗固相。而在加重钻井液中，还要控制胶体固相，有时还要进行除气工作。重晶石在使用过程中和钻屑一样，要不断的细化，甚至细化到胶体范围。若不加处理。钻井液性能就会恶化。加重钻井液的固控，有全流固控和部分流固控，后者用以降低钻井液中的劣等胶体固相和可溶性盐类，也用于重晶石的回收。用于部分流固控的设备有螺旋式离心机，筛筒离心机和50mm(约2″)或75mm(约3″)旋流器。筛筒离心机的进料加水量较大，为螺旋式离心机的2.5～4.0倍左右，除胶体率为其一半左右，重晶石回收率略低，但其回收重晶石的底流呈液态，可以直接回收到循环系统中去。旋流器的进料加水量为螺旋式离心机的4～8倍左右，除胶体率略低，最高重晶石回收率为螺旋式离心机的3/4 左右。对于加重钻井液的固相控制，也有一种固控系统的中心设备是钻井液清洁器，它能除去大部分钻屑而回收钻井液中的液相和大部分重晶石。需要说明的是，在固相控制系统的设配匹配中，筛选设备和离心沉降设备都应按钻井液的最大流量来匹配，但离心机除外，它一般只能处理1/10左右的流量。

3、 钻井液固相控制工艺及原理

 

 

　　图 2-27 加重钻井液固控系统

图 2—27 为加重钻井液固控系统的典型流程图，从井口返回的钻井液经过振动筛(双层筛)，除去大尺寸的钻屑。振动筛的底流经除气处理后进入除砂器处理，除砂器底流被抛弃，溢流流回钻井液罐。经除砂器处理的钻井液通过钻井液清洁器后分为两股液流：一般为低密度溢流，它返回钻井液循环系统;另一股为高密度的底流，它经过一个超细目振动筛的再次筛选，使重晶石及有用液相返回钻井液循环系统，而将大部分砂粒

除去。虽然经过钻井液清洁器处理后，大部分有害固相已被清除，但总有一些极细的钻屑或略小于 2 mm的胶体，会随着重晶石通过超细目筛回到钻井液系统中;或者当钻进造浆性能很强的粘土层时，钻井液中的胶体含量剧增，使钻井液粘度升高，性能变坏;另外钻井液清洁器分离的粒度受超细目筛的限制，在清除旋流器底流中的细小钻屑的同时，也要损失少量重晶石，若过筛钻井液中仍含有较多的细钻屑和胶体重晶石，就需采用离心机作进一步分离，如图2—27所示。让离心机工作至少两个循环是很必要的，这时，离心机的溢流被抛弃，底流回收的重晶石回钻井液系统。

从图 2—27所示的加重钻井液固控系统可以看出，钻井液清洁器是关键设备。另外，加重钻井液固控系统在使用中应连续不断进进行清除工作，避免钻屑粉碎成泥或糙土，防止钻屑在钻井液系统中的积累，同时保持系统中应有的重晶石含量，尽量减少重晶石

和贵重液相的损失。应当注意的是不需要使用加重钻井液钻井的地区，固控系统不必考虑处理加重钻井液的问题，而需要使用加重钻井液钻井的地区，固控设备的布置就应兼顾处理轻、重钻井液。

3-1.密闭钻井液固相控制系统

为了适应海上和特殊地区的钻井要求，便于运输和安装，美国和前苏联两国自70年代起相继出现了密闭钻井液固控系统，它由振动筛、旋流器、钻井液清洁器、离心机、搅捧器和各种罐体组合而成，实行钻井液闭路循环处理。在寒冷地区、沙漠缺水地区作业时，整个装置需用大型金属箱体封闭起来，这种系统适应性强，在许多情况下几乎可以处理各种钻井液，最大限度地提高了钻井液固相控制设备的处理效率，作业时不添加钻井液，还能维持钻井液密度，处理能力与配用钻机相适应，能将进入系统中的钻屑清除，几乎不补充钻井液用水，这种系统最适合于缺水地区或海上钻井作业，而且不污染环境。

在密闭钻井液固相控制系统中，螺旋式离心机的底流不是被抛弃，而是送给高速离心机处理，排除的钻屑也是比较干的。在海上钻井时，排除的钻屑可通过一套蒸馏系统，将其中的油污和水份蒸发除去后，再将处理后的钻屑排入大海，这样可减少污染。密闭钻井液固控系统一般应配备下列设备：两台细目振动筛、一台除气器、两台清洁器、两台螺旋式离心机、一台高速离心机，以及带有连通孔的钻井液罐系统。它包括三个主罐和两个小储罐，其中一个装干钻屑的备用罐。用于净化非加重钻井液的密闭安装固控系统的工作流程如图2—28所示。从井口返出的钻井液流经排浆管，进入两个细目振动筛;比筛网网目大的钻屑经过振动筛排除端进入备用罐了，通过筛网孔眼的钻井液流入l号罐，1 号罐的砂泵把钻井液泵入除砂器。由除砂器清除的钻屑从底流排除，再经过超细目振动筛清除的钻屑进入备用罐5，通过筛网的液相流入4 号罐，除砂器的溢流进入2号罐。再由砂泵将2 号罐的钻井液送到除泥器，除泥器的底流经过超细目振动筛清除的钻屑排进备用罐5;通过筛网的液相流进4 号罐，除泥器的溢流流入3 号罐。收集在4 号罐中的钻井液用两台螺旋式离心机再进行处理。离心机排出的底流，进入备用罐5，溢流(干净钻井液)流入3 号罐。高速离心机由3号罐提供钻井液，底流是较干的钻屑，直接排入备用罐5。几乎不含钻屑的溢流流回在用钻井液系统.在钻井液出现气侵的情况下，要用除气器除去气体，以保证密闭固控系统安全工作。

 

 

　　图 2-28 非加重钻井液的密闭固控系统

4、 钻井液固相控制工艺及原理

用于净化加重钻井液的密闭钻井液固控系统工作流程如图2—29 所示。排浆管线和振动筛的工作方法与处理非加重钻井液时相同，除了通过清洁器超细筛网孔眼的钻井液进入3号罐(净化非加重钻井液时，钻井液液相应流入4 号罐)外，除砂器和除泥器的工

作方式与净化非加重钻井液基本相同。螺旋式离心机的底流含有大量重晶石，流回3罐，重新配置成钻井钻井液;溢流直接流入4 号罐。高速离心机净化来自4 号罐的液体，底流含有极细的胶体钻屑和少量重晶石，排进备用罐，溢流流入4 号罐中，或用作

螺旋式离心机的稀释水或返回钻井液系统。这样直接排到废钻井液池中的废液和稀释水都大为减少。密闭钻井液固控系统已经在不同地区多次获得成功的应用。在不能采用钻井液土池、钻井用水和配钻井液用水受到限制、废钻井液需要处理的地方，特别是海上和生态

敏感的地区，采用密闭钻井液固控系统，可以提高钻井作业的效率，费用是合理的。如果不存在上述问题，就不必采用这种系统。

 

 

　　图2-29 加重钻井液的密闭固控系统

4-1.固相控制设备的选用

固相控制系统的整体布置中，固控设备的选用十分讲究，应因地制宜，不局限于钻机型号。同样一部6000m 米钻机，有的钻探高压油(气)层，有的钻探常压构造，有的井下情况复杂，有的砂粒多，有的泥粒多，只能根据实际情况，选用适宜的固控设备组合才能充分发挥效益。表2—5、表2—6列出了部分固控设备的处理能力和处理的粒度范围，以及各种钻井液推荐采用的固控设备。

表 2-5 各种固控设备处理能力和处理的粒度范围

 

　　尽管上述表中列出了各种固控设备的处理能力和处理的粒度范围，以及在不同条件下，各种钻井液固控系统的设备匹配方案，对我们设计和匹配钻井液固控系统很有参考价值，但匹配的依据是什么?匹配是否合理?经济性如何?这些都是需要进一步探讨的问题。