7.3-钻井液固相控制设备

7.3钻井液固相控制设备7.3.1概述：1.钻井液的固相控制现代钻机中都要用循环流体：液体（多数）；气体；泡沫剂。故称钻井循环流体为钻井液(习惯上称为泥浆)钻井液的主要成分有：(1)水(淡水，盐水，饱和盐水等)；(2)膨润土(钠膨润土，钙膨润土，有机土或抗盐土等）；(3)化学处理剂(有机类，无机类，表面活性剂类或生物聚合物类等)；(4)油(轻质油或原油等)；(5)气体(氮气或天然气)。不同的钻井流体形成的分散体系不同，所起的作用不同。从物理化学观点看，钻井液是一种多相不稳定体系。为满足钻井工艺要求，改善钻井液性能，常在钻井液中加入各种不同的添加剂。钻井液在循环过程中，不能始终保持其优良性能，而要被钻屑、油、气、水、盐及矿物污染，其中钻屑是最严重的污染。钻屑污染是指在循环过程中，钻屑在机械及化学作用下，分散成大小不等的颗粒而混入钻井液中，使钻井液性能变坏，给钻井工程及油、气层带来危害。分散于钻井液中的固体颗粒称为钻井液中的固相。钻井液中的固相：一是来源于被破碎岩石产生的钻屑；二是为钻井工艺要求而人为加入的。按固相在钻井液中所起的作用可分为有用固相和有害固相两类。钻屑是有害固相的主要来源，而且存在于钻井过程的始终，带来很多危害。因此必须消除有害固相。所谓钻井液的固相控制，就是清除有害固相，保存有用固相，或者将钻井液中的固相总量及粒度级配控制在要求的范围内，以满足钻井工艺对钻井液性能的要求。通常将钻井液的固相控制简称为固控，习惯上也称为泥浆的净化。2.钻井液中固相的分类及粒度分布根据不同的特点，钻井液中的固相有不同的分类方法。按固相的密度可分为：高密度固相和低密度固相。前者是根据钻井要求特意加入的重质材料，以提高钻井液的密度。加有重质材料的钻井液称为加重钻井液或加重泥浆。低密度固相包括普通钻屑；配置钻井液所需的膨润土和处理剂。不含重质材料的钻井液，称为非加重钻井液或非加重泥浆。根据美国石油学会(API)的规定，按固相颗粒的大小可将钻井液中的固相分为三大类：粘土(或胶质)粒度小于2μm泥粒度为2～74μm砂(或API砂)粒度74μm钻井中固相颗粒的大小不等，各种颗粒的含量也不等。固相颗粒的大小称为粒度(及粗细程度)。各种颗粒占固相总量的百分数称为级配。钻井过程中，随地层的岩性、钻头类型和钻井参数的不同，钻井液中的固相含量及粒度级配也不一样。7.3.2固相控制方法近二十年来，随着喷射钻井、优化钻井、优质钻井液和油气层保护技术的全面实施，固控工艺得到了迅速的发展、推广和普及。固控的任务是：1.从钻井液中清除有害固相，使固相含量不超出要求。2.降低钻井液中细微颗粒的比例，保持合理的固相粒度和级配。常用的固控方法有：冲稀法，替换法，自然沉降法，化学沉降法及机械清除法。冲稀法：就是为保持固相含量基本不变，往高固相含量的钻井液中加入清水或其它较稀液体，冲稀成低固相含量的钻井液（同时还应加入适量化学处理剂)。替换法：就是为保持钻井液总的体积不变，把高固相含量的钻井液放掉一部分，然后在替入等量的处理剂溶液和低固相钻井液，混均后再用。自然沉降法：井内返出的钻井液在地面循环过程中，因地面钻井液液池体积大，流速低，钻井液中的岩屑颗粒在重力作用下沉降到底部而被分离，上部的钻井液再入井循环使用。化学沉降法：就是在钻井液中加入少量化学沉淀剂使分散的微小岩屑一接触这些化学剂就产生絮凝作用形成较大的颗粒，而迅速沉降。五十年代以前，主要是用振动筛来清除钻井液中的固相。由于振动筛清除固相的能力有限，到五十年代中期，旋流分离器开始用于钻井液中的固相控制。到六十年代随着钻井工艺的发展，对固控的要求越来越高，因而又发展使用了除泥旋流器，离心机等机械设备。由于不同固控设备仅对一定颗粒尺寸范围内的固相才能发挥最大效能，因此各种固控设备应合理组合成为一个系统进行应用。到七十年代，这种机械固控系统已是现代钻井装备的重要组成部分。我国的固控技术是八十年代发展起来的。当钻井液中侵入气体后，钻井液的性能随之改变，也影响砂泵，钻井泵的正常吸入和工作。因此钻井液中的气体也被列入清除之列，清除钻井液中气体的除气器也属于固控设备。应该指出，固控系统通常不仅仅指上述的各种固控设备，而是包括从泥浆返出井口开始到进入钻井泵吸入口的整个地面流程。这段流程中包括了前述的机械固控设备、除气器、泥浆搅拌器、泥浆池、泥浆配置设备等。但整个系统中的关键设备是各种固控设备，即振动筛、除砂器、除泥器、泥浆清洁器、离心机及除气器。其它的则属于辅助设备。表7-3列出了部分固控设备的处理能力和处理的粒度范围。典型的机械固相控制系统。7.3.3振动筛钻井作业中利用振动的筛网回收钻井液中的液相，并且以是否能通过筛网为标准，将大小不等的固相颗粒分成两组或两组以上的机械设备，称为钻井振动筛，简称振动筛。从井底返出的钻井液首先经过振动筛清除较大的固相颗粒，故称振动筛为第一级固控设备，它适合于各种钻井液的筛分。目前石油矿场使用的几乎都是单轴惯性振动筛，它由筛箱、筛网、隔振弹簧及激振器等组成。由主轴、轴承和偏心块等构成的激振器，旋转时产生周期性的惯性力，迫使筛箱、筛网和弹簧等部件在底座上作简谐振动或准简谐振动，促使由泥浆盒均匀流至筛网表面的泥浆中的液固相分离，即液体和较小颗粒通过筛网孔流向除砂器，而较大颗粒顺筛网表面移向砂槽。筛网的振动方式决定着钻屑在筛网上的分离粒度、运移速度、排屑量和液体处理量等。激振器与筛架的相对位置以及激振器转动的方向决定着振动的轨迹形状。如果把激振器安装在筛架的重心位置，则振动轨迹呈圆周形状，如图7-18a所示。此刻，钻屑在筛架上运动的方向和速度取决于激振器的转动方向、振动频率和振幅。如果把激振器安装在筛架重心的上方位置，筛架两端呈椭圆振动，而激振器的正下方呈圆周振动，如图7-18b所示。固相颗粒运移速度受椭圆轴、筛架的倾角和激振器转动的方向所控制。呈直线运动的振动筛，如图7-18c所示。泥浆振动筛中最易损坏的零件是筛网。一般有钢丝筛网、塑料筛网、带孔筛板等，常用的是不锈钢丝编织的筛网。筛网通常以“目”表示其规格，它表示以任何一根钢丝的中心为起点，沿直线方向25.4毫米(1英寸)长上的筛网数目。例如某方形孔筛网每英寸有12孔，则称做12目筛网，用API标准表示为12×12，或写为APIl2(1524，51.8)。括号内的1524表示筛孔开孔尺寸(μm)，51.8表示筛孔面积所占的百分比。对于矩形孔筛网，一般也以单位长度(英寸)上的孔数表示，如80×40、70×30表示1英寸长度的筛网上，一边有80、70孔，另一边为40、30孔。目前使用的普通泥浆筛，大多为小于30目的粗筛网，只能清除固相大颗粒。现在越来越多地采用60～200目的细筛网。粗网的金属丝较粗(0.39mm以上)，筛孔面积占50％左右，且寿命较长，细筛网(如80目)金属丝细得多(如0.14mm)，筛孔面积仅为31.4％，故相同面积下处理泥浆的能力小，钢丝也易破损。7.3.4水力旋流器据有关资料介绍，泥浆筛一般只能清除全部固相量的25％左右，74μm以下的细颗粒仍留在泥浆中，对钻进速度仍然影响较大。为了进一步改善泥浆性能，—般在泥浆振动筛之后装有水力旋流器，用以清除较小颗粒的固相。水力旋流器分为除砂器和除泥器种，但结构和工作原理完全相同。锥筒内径为6～12英寸者，称作除砂器，能清除大于70μm和约50％大于40μm的细砂颗粒。锥筒内径为2～5英寸者，称为除泥器，能清除40μm和约50％大于15μm的泥质颗粒。所谓锥筒内径是指锥筒圆柱体部分的内径，亦称工作内径。水力旋流器的上部呈圆筒形，侧面有切向进口管，由砂泵输送来的泥浆沿切线方向进入腔体内。顶部中心有溢流管，处理后的泥浆由此溢出。壳体下部呈圆锥形，锥角一般为15°～20°，底部为排砂口，固相从中排出。水力旋流器的结构图7-20所示。水力旋流器与一般分离机械不同，它没有运动件，利用泥浆中固、液相各颗粒所受的离心力大小进行分离。根据动力学，切向进入并有一定压力的泥浆，在旋流器内腔旋转时所产生的离心力为：C＝mvt2／r式中M为固、液相颗粒的质量，vt为切向速度，r为旋转半径。因此，质量较大的固相颗粒受到较大的离心力，足以克服泥浆的摩擦阻力，被抛到旋流器的内壁上，并靠重力作用向下旋流，由排砂口排出，而质量小的固相颗粒及轻质泥浆则螺旋上升，经溢流管输出。水力旋流器分离出固相的粒径愈小，则分离能力愈大，它与旋流器的尺寸、进浆压力、泥浆粘度及固相颗粒的分布有关。由于泥浆中固相颗粒以高速撞击旋流器内壁，并沿内壁快速旋转下落，往往导致旋流器内壁很快磨损、破坏。水力旋流器由于结构简单，广泛用于液固、液液及液气分离之中。7.3.5泥浆清洁器随着钻井深度的不同，对泥浆性能的要求也不同。对于一般深度的井，多使用非加重水基泥浆。处理这类泥浆的固控设备是：振动筛→除砂器→除泥器→离心机。目的是尽可能除去泥浆中的固相颗粒。但是对深井和超深井，由于井下油气压力高，地层情况复杂，常使用加重泥浆，即在泥浆中添加重晶石粉和化学药剂等。此时，若仍用上述设备组成净化系统，就会使大量重晶石粉或贵重液相白白地流失。因此，对于水基或油基加重泥浆，应采用振动筛泥浆清洁器离心机组成净化系统，即钻深井或超深井时，泥浆清洁器是净化系统中的必备装置。泥浆清洁器由旋流器和振动筛组合而成，上部是4－5英寸的水力旋流器，下是150－200目的振动筛。泥浆自井口中返出，经双层振动筛(上层40目，下层60目)处理后流入泥浆罐，再由砂泵从罐中泵入清洁器。清洁器将泥浆中74－105μm的固相颗粒清除掉，而液相及小于74μm的固相(包括2－60μm的重晶石粉)则返回到泥浆中。因此，清洁器一般只用在加重泥浆系统中。用途是清除比重晶石颗粒大的固相颗粒，回收重晶石及液相。7.3.6离心分离机：离心沉降分离是用于固相含量较少，颗粒较细的悬浮液的分离。钻井液经过振动筛、除砂器、除泥器的处理后，已除去大部分较大固相颗粒，若要作进一步处理，沉降式离心机是比较合适的设备。离心沉降是以固液(或液液、气液、气固)的密度差作为分离的基础。离心分离机主要工作部件见图7－22，其由离心机转鼓及安装于转鼓内的螺旋式输送器组成。螺旋输送器上的刮板(叶片)与转鼓内壁之间有一定间隙，它可相对转鼓旋转。工作时，转鼓与螺旋输送器同向高速旋转，但二者存在(0.6～3)％的转差率(即二者转速差与转鼓的转速比)。也即螺旋输送器比转鼓慢(0.6～3)％，它表示转鼓每转100转，螺旋输送器将沉渣推送了(0.6～3)转。离心机工作时，钻井液从高速旋转的螺旋输送器的空心轴进入转鼓内。在转鼓及输送器的高速旋转带动下，固相颗粒受到离心力作用沿径向向转鼓壁运动，并沉淀于离心机的转鼓壁上，小颗粒及液相则在里层。液圈范围(有的又叫水池)称为沉降区。分离后的钻井液从转鼓大端侧壁上的溢流口流出。螺旋输送器的叶片将沉降的颗粒推向脱水区，最后从转鼓小端上的排渣口排出。在脱水区内，颗粒受离心挤压和离心过滤作用，挤出所有的自由水，排除的颗粒仅带吸附水，因而排出的沉渣是比较干的。7.3.7除气器在钻井过程中，钻井液常受井内的天然气或空气污染。由于井底层压力较高，气体被溶解于钻井液中。当钻井液返回地面时，压力减小，被溶解的气体膨胀为大小不等的气泡而存在于钻井液中。这种含有气体的钻井液称为气侵钻井液。除气过程就是使侵入钻井液中的气泡快速到达液体表面并破裂逸出的过程。现场使用的除气器种类很多，现对几种典型的除气器工作原理及结构作简单介绍。1.常压式简易除气器1.常压式简易除气器基本结构是一个底部敞开(或有一个直径较大的排出口)的立式钢质圆筒。筒的一侧有一个钻井液入口，顶端是气体排出口。除气筒内有许多挡板，排列形状各不相同。其作用是承受钻井液的冲击，有助于形成紊流，使钻井液层变,以促使气泡与液体分离、破裂，逸出。工作原理；从井口返出的气侵钻井液经阻气管汇后，以很高的速度进入除气器，并撞击靠近顶部的钢板。液体与钢板撞击后，一部分气泡在撞击时破裂，其余的气泡与液体一起形成紊流和薄膜。由于除气圆筒与大气相通，因而气侵钻井液压力降低到几乎等于大气压