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钻井液固相控制之–非加重钻井液固相控制系统(第2章)

钻井液固相控制之–非加重钻井液固相控制系统(第2章)

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。

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  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。

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  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。

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  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

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  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。

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  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

号罐,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。

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  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

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  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。欲知更多精彩请继续关注及分享 “正道”Brightway更多官方微信、微博精彩内容!

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