钻井固控设备及其发展_XXXX

1钻井固控设备及其发展中国石油大学（华东）机电工程学院齐明侠[e-mail]2提纲一、固控设备的作用二、固控设备的组成三、振动筛四、除气器五、除砂器与除泥器六、离心机七、其他固控设备八、固控设备的发展3一、固控设备的作用固控设备：控制钻井液（泥浆）固相成份的设备，是泥浆处理设备的重要组成部分。1．旋转钻井的钻进过程破岩：转盘—方钻杆—钻杆—钻铤—钻头排屑：泥浆：泥浆泵—水龙头—钻杆—钻头—环空—地面42．钻机的三大工作系统起升系统旋转系统循环系统循环系统最为复杂53．循环系统泥浆流程：泥浆罐—泥浆泵—管汇—水龙头—钻具—钻头—环空—井口—泥浆处理系统—泥浆罐64．泥浆的作用（1）冲洗井底（2）携带岩屑（3）平衡地层压力（4）冷却与润滑钻头（5）保护井壁（6）提供井下动力75．对泥浆的要求①满足钻井循环的要求钻井循环对钻井液的要求是泵压低（粘度低），携砂能力强（动切力高），启动泵压低（静切力低），润滑性能好，摩擦力低，磨损小（固体颗粒少）。8②保持井眼的稳定钻穿的地层要用钻井液的压力柱与地层压力取得平衡，钻井液密度稳定；钻井油气层时要靠钻井液的压力柱来平衡油气的压力要求钻井液密度适当。要求钻井液有克服不稳定地层的性能，例如泥岩吸水膨胀造成井眼收缩；砾岩、火山岩遇水造成跨塌，盐岩遇水而形成溶洞等，即要求有不同性质的钻井液。9③保护油气层钻开油气层后，钻井液与油气层接触，为防止钻井液损害油气层，要求钻井液的失水小、泥饼薄（钻井液失水后，固压差固体颗粒在井壁上形成泥饼环）、固相含量低、滤液的水化作用低（滤液进入地层后与地层中的液体发生的化学作用）等。④保护环境和生态钻井液中常含有原油、柴油和各种油类以及含有大量的化学处理剂，为防止钻井液对环境和生态可能造成的影响，要求使用无害、无毒的钻井液。105．固控设备的功能功能——控制钻井液中的固相含量钻井液中的固相含量增加会明显降低机械钻速，甚至会导致钻井事故，使钻井总成本大幅度上升。试验证明固相含量每降低1%，钻进速度至少可提高10%，而且颗粒越小对机械钻速的影响越大。钻井液循环系统必须配备钻井液净化装置。11固控设备的作用：（1）清除有害固相，保证钻井连续进行；（2）保证钻井安全，防止事故发生；（3）节能降耗；（4）降污环保。12二、固控设备的组成1．固控设备的组成（1）三除一筛振动筛、除气器、除砂器、除泥器（2）离心机（3）其他砂泵、剪切泵、搅拌器、喷枪、循环罐，配料装置132．固控流程14固控流程15固控流程16固控流程17固控系统18三、振动筛1．要求①振动筛的筛箱应具有合理的运动轨迹，即普通椭圆、圆、直线、平动椭圆。②配备的振动筛能够处理从井眼返出的全部钻井液。③振动筛具有运转平稳、工作可靠，启动和停止过渡时间应小于60s。④振动筛整机平均无故障运转时间不少于3000h。⑤为保证振动筛的性能要求，振动筛整机动态特性检测应符合下表的要求。19振动筛整机动态特性202．类型与基本原理分类：（1）按运动轨迹分为：①普通椭圆振动筛：工作时筛箱做椭圆运动，并绕质心做俯仰运动。②圆振动筛：工作时筛箱做圆轨迹运动。③直线振动筛：工作时筛箱做直线轨迹运动。④平动椭圆振动筛：工作时筛箱做平动椭圆轨迹运动。21（2）按筛网绷紧方式分为纵向绷紧和横向绷紧筛（3）按筛分层数分为单层筛和双层筛（4）按筛面倾角分为水平筛和倾斜筛（5）按振动方式分为惯性振动筛、惯性共振筛、弹性连杆式共振筛、电磁振动筛等22振动筛组成：振动筛是钻井液固相控制系统的第一级处理设备，它工作的好坏直接影响整个固控系统的控制效果。振动筛由底座、激振器、筛箱、筛网、隔振弹簧等构成。23振动筛的技术水平主要反映在处理能力（处理量和分离粒度）、工作的稳定性、寿命的长短和操作的灵活性几个方面。振动筛的处理能力与振动筛的结构、运动轨迹、振动频率、振动强度、筛网面积和筛网的粗细有关。现代振动筛一般是高速、线性、细目、多层振动筛，它在固相控制系统中起着至关重要的作用。243．圆型振动筛单轴惯性振动筛是一种采用偏心轴或偏心块作为激振器，使筛箱完成振动的振动筛。其运动轨迹一般为圆形或准圆形。与双轴惯性筛相比，它具有结构简单，成本低，运移方便，维修保养工作量少等优点。25简单惯性筛：工作原理如图所示。筛箱5通过弹簧4支承在底座1上，偏心轴或偏心块6通过轴承2安装于筛箱两侧，皮带轮3安装在偏心轴端，与筛箱一起振动。26偏心自定心式振动筛——使皮带松紧一致274．直线振动筛工作原理：质量相等的两偏心块进行同步反向旋转，工作时所产生的离心力F相等。在各瞬间位置上，离心力F沿振动方向的分力相加，而与振动垂直方向的分力相互抵消。因此激振器只在振动方向形成激振力，使筛箱作直线振动。一般钻井液直线筛的掷抛角为45°～60°。282ZZS-D箱式激振器钻井液直线振动筛1—筛箱；2—箱式激振器；3—渡槽；4—支承弹簧；5—筛网；6—横梁292ZZS-G筒式激振器钻井液直线振动筛1—筛箱；2—筒式激振器；3—筛面；4—渡槽；5—支承弹簧305．椭圆型振动动筛钻井液均衡椭圆振型振动筛(以下简称椭圆振动筛)圆振型振动筛上有一个旋转着的加速度矢量，筛面上物料极易分散，堵塞筛孔的可能性小，但圆运动物料输送速度较低，因而在相同条件下处理量不如直线筛。直线筛筛面水平布置，物料输送速度高，然而加速度只有一个方向，所以堵孔的可能性较大。均衡运动椭圆筛综合了直线筛和圆筛的优点，即椭圆“长轴”是强化物料输送的分量，而短轴则可减少部分物料堵孔的可能性。一般情况下，椭圆振动筛的总处理量较直线振动筛和圆振动筛大26%左右。31椭圆筛激振器的工作原理：激振器两轴的偏心质量矩不相等，所以离心力也不相等，在1、3位置，离心力抵消一部分，作用在筛箱上的力为F1-F2，因此在椭圆运动上形成短轴b；在2、4位置上，离心力叠加，作用于筛箱上的力为F1+F2，因此在椭圆运动上形成长轴a，相当于双振幅。椭圆筛的长短轴之比与物料分离的难易程度有关，难分离的物料一般宜采用2：1，2.5：1，其他情况下采用4：1及6：1等。32133四、除气器除气器用来清除气侵钻井液中的气体，其处理能力应达到全流量处理。除气器必须置于振动筛之后砂泵之前来处理钻井液。因为钻井液中含有气体时，离心砂泵将发生气蚀，气蚀不但使砂泵性能下降，产生噪音和振动，寿命缩短，严重时会使砂泵无法工作或损坏。34除气器的功能有两点：一是保证钻井液性能相对稳定，防止井喷、井涌事故，确保钻井安全；二是保证旋流器能正常工作。在钻中深探井、气井和含气油井时，必须配备除气器。除气器有大气式和真空式两种类型，从除气机理看，当钻井液被机械搅拌、真空抽吸和形成薄层紊流时，气体即可逸出。真空式除气器具备真空抽吸和形成薄层紊流两种功能，而大气式除气器只具备机械搅拌功能。从除气效果看，真空式除气器优于大气式除气器。35除气器36真空除气器37五、除砂器与除泥器除砂器、除泥器在固控工艺流程中处于振动筛之后,它们的主要用途是将通过振动筛后还混在钻井液体系中的更微小的固相颗粒清除出来。38除砂器、除泥器的核心部件是水力旋流器。水力旋流器是根据离心沉降分离原理设计的固液分离设备，它分离固相的能力与本身的结构参数、进浆压力和钻井液特性有关。旋流体内径越小，能分离出的固相颗粒越细。391．原理离心沉淀原理是水力旋流器的基本工作原理，即悬浮的颗粒受到离心加速度的作用而从液体中分离出来。描述固相在液体中的沉降速度的斯托克思定律仍将有效。40含有悬浮固相颗粒的钻井液，在压力作用下以很高的速度由进液口进入圆柱蜗壳。绕锥筒中心高速旋转的钻井液产生极大的离心力，并向圆锥筒底部移动。由于钻井液中的液体与固体存在着密度差，使固相分离出来而靠近锥壁。旋流器的锥筒越向底部半径越小，钻井液获得的角速度越大，从而产生更大的离心力。对于一个设计较好并进行适当调节之后的旋流器，钻井液在锥体顶部不但绕中心高速旋转，而且产生一个反向旋涡，经垂直导流管而离开锥筒。钻井液和钻井液中的固相颗粒的运移速度几乎相同，这些固相颗粒在小半径处受到极大的径向加速度。41在径向加速度（离心力）的作用下，迫使固相颗粒向锥筒壁运移。同时，由于旋转下行的固相颗粒惯性力很大，将推着它向底部快速运动，因此当液体反向旋转，向上由溢流口排出时，这些已分离出来的固相颗粒不可能随溢流返回，而是由底流口（排砂口）排出。由此可见，这些固相颗粒实际上是由于惯性除掉的，而不是靠沉降作用。由于细小的颗粒受到的离心力较小，在到达锥底之前未能到达锥壁，因而被反向运动的钻井液带至锥筒中心经溢流口返回。422．结构普通水力旋流器的结构如图。上部是一个圆柱蜗壳，下部是一个锥形壳，圆柱壳的侧面，有一切向钻井液入口管，顶部装有出口溢流管。圆锥壳底部是排砂孔，分离出来的砂、泥以及少量的液体由此排除。433．参数水力旋流器的公称尺寸系指上部圆柱蜗壳的内径D。根据内径不同，将钻井液固控系统中的水力旋流器分为除砂器、除泥器和微型旋流器三大类。到目前为止，尚没有一个严格的分类标准。一般而言主要用来降低API定义的“砂”粒（颗粒粒度大于74）含量的旋流器，或圆柱蜗壳直径大于、等于150mm的旋流器都定名为“除砂器”。根据国标GB/T11647-89推荐，钻井液固控系统中三类旋流器的分类标准及相应的分离粒度如表所示。44水力旋流器的分类标准及分离粒度45分离点D50464.泥浆清洁器——旋流器+振动筛泥浆清洁器工作流程示意图1－振动筛处理过的泥浆；2－清洁泥浆；3－水力旋流器；4－细目振动筛；5－排出的固体颗粒；6－筛网底流；7－泥浆返回循环系统47六、离心机钻井液离心机是固控设备中固液分离的重要装置之一，一般情况下安装在系统的最后一级。用于处理非加重钻井液，可以除去2种以上的有害固相；处理加重液可除去钻井液中多余的胶体，控制钻井液粘度，回收重晶石；处理旋流器底流，可回收液相，减少淡水和油的浪费。此外，离心机也是处理废弃钻井防止污染环境的一种理想设备。48离心机的应用非常广泛，矿业、钢铁、农业、轻工等。我国从七十年代末开始引进螺旋离心机，对国外著名公司生产的多种规格的卧螺离心机进行了仿制。卧螺离心机是原化工部“七五”科技攻关项目，1989年南京绿洲机器厂仿制了ALFANx42o型大锥角((20)离心机(即L201)，用于玉米蛋白的分离，并于1992年制成样机；此后，重庆江北仉械厂、解放军第4819厂和金华铁路机械厂等研制开发了一系列的螺旋卸料沉降离心机，并成功地应用于生产实践。但是就整体水平而言，我国还是远远落后于工业发达国家的。49泥浆处理用离心机可分为低速和高速两类目前现场应用中没有对高、低速离心机提出统一的分类,但根据其在固控系统中作用的不同，可以简单地将划分为：低速离心机——分离固相颗粒的范围是约20μm的固相颗粒；高速离心机——分离固相颗粒的范围是约5μm的固相颗粒。低速离心机在固控系统中的主要用途是将钻井液体系中的重晶石等加重固相颗粒甩出钻井液并加以回收利用，以便控制钻井液密度，其经济效益对于稀释钻井液来控制钻井液密度的方法是非常明显的。50高速离心机的处理量较中低速离心机而言，处理量小了5倍左右(约1.5～6m3/h)，而且能处理的固相颗粒相对较细，分离含较高固相浓度的钻井液就成问题，所以必须和低速离心机搭配使用。但是高速离心机的固相处理范围正好是影响钻井液粘度的固相范围(1～10μm左右)，所以对于深井降低钻井液的切力，提高井身质量，防止井下事故，高速离心机的效果很好。511．结构钻井液沉降式离心机的结构示意如图所示。离心机的转鼓5两端支承在滚动轴承上，输送固相的螺旋输送器6与转鼓之间留有微量间隙，并用行星差速器7使二者维持一定的转差。电动机通过V形胶带3带动转鼓和螺旋输送器。电机与转鼓之间装有液力联轴器2，加料管4装在转鼓的大端，行星差速器一端装有过载保护装置。52钻井液离心机示意图1—电动机；2—液力联轴器；3—V形胶带；4—加料管；5—转鼓；6—螺旋输送器；7—行星差速器532．基本原理离心机分