钻井液大循环固相控制方案设计

1、 学号 密级_ 兰州城市学院本科毕业论文钻井液大循环固相控制方案设计学 院 名 称：专 业 名 称：学 生 姓 名：指 导 教 师： 二一五年五月 BACHELOR'S DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITYSystemic circulation of drilling fluid solid phase control scheme design College : Subject : Name : Directed by : May 2015郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资

2、料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要钻井液固相控制作为钻井过程的关键工序，一直是为业界广泛关注的热点问题。因而对实现钻井液固相控制功能的系统进行深入的讨论和研究显得的尤为重要，本文针对钻井施工现场，钻井液大循环的固相控制问题，详细的分析了钻井液固相控制系统的组成和功能，为现场有效开展钻井液维护提供了必要的理论支持。本文采用两套方案解决钻井液大循环固相控制问题。方案一：“双路”循环钻井液工艺技术；

3、方案二：钻井液井下循环系统；两套方案可以独立使用，也可以合并使用。对钻井全过程固相控制具有重要的应用价值。关键词：钻井液；固相控制系统；循环系统；双路循环；水力旋流器ABSTRACT窗体顶端Drilling fluid solids control as the key working procedure,drilling process has been the focus of common concern to the industry problems.For realizing the function of drilling fluid solids control system

4、in-depth discussion and research is particularly important,based on the drilling construction site,the systemic circulation of drilling fluid solids control problem,a detailed analysis of the composition and function of drilling fluid solid control system,effective development for field drilling flu

5、id maintenance provides the necessary theoretical support.This paper adopts two sets of solutions to drilling fluid solids control systemic problems.Scheme 1: "dual" circulation of drilling fluid technology;Scheme 2: downhole drilling fluid circulation system;Two sets of scheme can be used

6、 independently, can also be combined use.Whole process of drilling solids control has important application value.Key words: drilling fluid;Solid phase control system; The circulatory system; Dual loop;hydrocyclone目 录第1章 绪论11.1 概 述11.2 课题的研究目的和意义11.2.1 课题研究目的11.2.2 课题研究意义21.3 国内外的研究现状31.3.1 我国的

7、发展现状31.3.2 国外的发展现状3第2章 钻井液固相控制工艺及原理52.1 固控系统52.1.1 固控系统流程的建立52.1.2 钻井液循环流程52.2 固相控制工艺及原理62.2.1 固控设备的工作体系和原理62.2.2 固液分离基本原理72.3 固相控制方法82.3.1 清水稀释法82.3.2 替换部分钻井液82.3.3 大池沉淀法82.3.4 机械设备清除固相82.4 钻井液中固相的影响92.4.1 固相对钻速的影响92.4.2 固相对泥饼的影响92.4.3 固相对循环的影响9第3章 钻井液大循环固相控制设计103.1 大循环固相控制的技术关键103.1.1 钻井液循环固控系统103

8、.1.2 固控系统存在的不足103.1.3 新型固控技术的要点113.2 “双路”循环钻井液工艺设计123.3 钻井液井下循环固控系统设计133.4 方案实施及要求163.4.1 钻井液地面循环固控系统的主要问题163.4.2 钻井液地面循环固控系统流程的改进163.4.3 钻井工程对钻井液固相控制的要求18结论与建议19参考文献20致谢22第1章 绪论1.1 概 述 现代钻机中都要用循环流体：液体；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）；（2）膨润土（钠膨润土，钙膨润土，有机土或抗盐土）；（3）化学处理剂（有机

9、类，无机类，表面活性剂或生物聚合物类等）；（4）油（轻质油或原油等）；（5）气体（氮气或天然气）。不同的钻井液流体形式的分散系不同，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。分散于钻井液中的固相颗粒称为钻井液中的固相：一是来源于被破碎岩石产生的钻屑；二是钻井工艺要求而人为加入的。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

10、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1,2。1.2 课题的研究目的和意义1.2.1 课题研究目的 钻井液固控系统是石油钻井设备中的主要设备之一。在对钻井质量要求日趋提高的现代钻井工艺中，钻井液净化的质量直接影响钻井质量和钻井成本，高质量钻井液固控系统在钻井工程中起着必不可少的作用。固控系统根据钻井需要配有振动筛、除砂器、除泥器、离心机、旋流混合器、剪切泵等不同形式和级别的净化设备，钻井液固控系统作用是对钻井液进行循环、净化，保证钻井液的密度、粘度等参数满足钻井工艺的要求。在固控系统的研制方面，根据生产和环保的要求选配相应的设备进行特殊的、非常规的组合应用，以

11、取得最佳的固控效果。由于钻井用户的价值观日益呈现出个性化与多样化的趋势，这就要求产品能满足特定使用需求，使批量生产的产品逐渐为个性化、多样化的产品所取代。要求机械产品在全寿命周期内对环境没有污染（包括振动、噪声、污水和有害的烟气等），并要求最有效地节约资源，从而使产品具有最好的经济、生态和社会的综合效益。国内外研究部门和生产厂家在钻井液固控系统的开发方面，都在走个性、环保的方向。在大量采用模块化的部件和在国内外范围内选用最优的通用的零部件的基础上，尽快地开发出满足用户个性化与多样化的产品，提高市场的占有率，使产品具有最好的经济、生态和社会的综合效益。本课题研究的范围就是针对大庆地区钻井工艺的要

12、求和发展特点，设计研制满足多种固控工艺要求的钻井液固控系统，充分满足钻井工艺流程中对钻井液的需求，优化钻井液固控流程净化设备的配置，避免配置的浪费和不足现象。提高石油钻井钻井液固控系统的装备水平。1.2.2 课题研究意义目前在用的固控设备有振动筛、除砂器、除泥器、离心机等，由于这些设备的作用原理和结构不同，因此所分离的固相颗粒粒度都有一定范围。在选用设备之前对钻井液中的固相进行粒度分析，使固控设备的配套与选用有针对性，发挥较好的效果。合理地在固控系统中布置固控设备是至关重要的，如果固控设备性能不好或布置不合理，钻井液中的固相含量就会增加，容易导致井眼内发生复杂情况。因此，科学地分析各种固控设备

13、分离固相的能力，确定合理的钻井液固控工艺流程，对于设计和研制高性能的钻井液固控系统具有十分重要的意义。随着钻井工艺技术的不断发展和钻井液技术的进步，对钻井液固相控制系统装备的配置及使用效率提出了更高的要求，我国加入WTO之后，加快国产钻井装备设计制造的标准化、系列化，尽快实现国产系列装备配套与国外钻井市场接轨，已迫在眉睫。大庆地区钻井队使用的固控系统一般仅简单配置有振动筛和除砂器，固控效率低，不能满足快速钻井的需要，研制开发适用大庆地区的钻井液固控系统，对于提高大庆油田的钻井液固控系统的装备水平，提高钻井速度具有较高的经济效益和社会效益。1.3 国内外的研究现状1.3.1 我国的发展现状 我国

14、的钻井液固相控制系统的研究和具体应用工作起步较晚。50年代，基本没有什么地面钻井液固控系统，除了由前苏联和罗马尼亚引进的性能极差的非平衡倾斜式椭圆筛之外，尚无其它固控设备。地面上基本上是采用铁皮泥浆槽和大土池子，这一状况一直持续到70年代末期。80年代初期，我国大规模地引进了美国各公司生产的各种除气器、振动筛、除砂器、除泥器、搅拌器、清洁器、砂泵、离心机等全套固控系统中的所有设备。除了单件引进之外，也曾引进过一些公司的全套固控系统3。80年代初期至80年代中期，我国钻井工业的固控设备的使用上呈现出百花争艳的局面，我国已成为世界上一些主要从事固控设备生产的公司的大展台。同时也给我国的石油科技工作

15、者带来了大好机会，使他们有条件对比优劣，取长补短，独立地开展了研制活动，为我国80年代中期以后的固控设备逐步国产化打下了良好的基础。目前我国石油钻井固控设备的总体制造技术水平与国际先进水平相比仍存在较大的差距，在技术大体上经历了仿制和在引进、吸收、消化国外钻井设备技术的基础上自行研制两个阶段。经过广大技术人员的多年努力，国内各钻井设备生产厂家陆续仿制开发出了直线型振动筛、高速离心机、真空除气器等具有较高技术含量的固控设备，由于在固控设备性能和结构上有了较大的突破性进展，在此基础上国内研究和生产部门设计开发了五级固控系统，缩短了我国在钻井液固控系统设计上与国外发达国家的水平。但总体设计水平与国外

16、先进国家相比，仍有较大差距，主要表现在：由于设计水平、主要材料、加工工艺及精度达不到要求，生产的固控设备普遍使用寿命较短，性能不稳定；固控系统的设备配置上比较简单，较少针对特殊工况进行固控系统的设计和开发。1.3.2 国外的发展现状国外钻井液固相控制系统的发展基本经历了以下几个时期，在20世纪50年代以前，人们也并不注意使用机械装置来净化钻井液，到了20世纪50年代以后，美国开始采用运输带式钻井液筛和钻井液振动筛来清除钻井液中的岩屑。1954年，国外部分油田开始使用离心机进行岩屑清除，这种离心机最初是用于食品加工上的，在钻井液净化方面，对清除胶体以及细粉砂状的特细钻屑较为有利。1962年，国外

17、油田开始采用4英寸除泥锥旋流分离器，它可处理加重泥钻井液，用来清除更细的钻屑。六十年代中期，细孔钻井液振动筛问世，使钻井液净化工作不致因采用稀释或放掉全部钻井液而造成钻井成本上涨。到了1973年，超细筛网钻井液净化器问世，此装置对加重钻井液的处理效果显著4。国外近十年来，钻井液固相控制从采用两级处理先用钻井液振动筛进行预处理，再用旋流分离器进行精处理，发展成为三级处理用钻井液振动筛和中等尺寸（68英寸）的旋流分离器处理后，再用小尺寸（24英寸）的旋流分离器进行精处理。近几年来，钻井液固相控制设备经历了很大的改革，主要表现在设备的更新改进、类型的增加和设备性能质量的提高，国外有的公司或厂家还根据

18、钻井工程的需要，研制了一些专用的固控设备。国外的固控设备除了具有较好的性能，工作稳定寿命长之外，还有一个显著的特点，就是设备类型的标准化、系列化和专用化。可以根据不同的工况条件和工作环境，选用不同的设备或设备配置，这就大大适应和方便了钻井工程的要求，提高了各种条件下的固相控制效益。国外钻井液固控技术的发展，一方面表现在固控设备的不断更新改进，性能不断提高；另一方面表现在固相工艺的优化组合上，根据不同的工况条件和工作环境，选用不同的设备和设备配置，适应钻井工程的要求，提高固控效果。在固控系统的研制方面，根据生产和环保的要求选配相应的设备进行特殊的、非常规的组合应用，以取得最佳的固控效果。国外主要

19、把注意力放在固相控制系统的设计与选择上，主要的设计方案是：把各种处理装置组成整体，即为成套组合装置，由若干台多层钻井液振动筛、旋流除砂器、旋流除泥器以及离心机、除气器，用管汇按设计位置联执接组合，与配套的钻机相适应，这种结构能够将钻井液循环系统中的钻屑有效地清。第2章 钻井液固相控制工艺及原理2.1 固控系统2.1.1 固控系统流程的建立钻井液固相控制(简称固控)系统就是对钻井液中的有害固相颗粒进行控制，通过科学地布置固控设备，形成合理、高效的固控流程，可以清除钻井液中的有害固相，保留有用固相，满足钻井工艺对钻井液性能的要求。新型钻井液固控系统采用五级固控5，固控流程如下：1. 一级固控去除大

20、颗粒。经井底循环返回的钻井液中含有较大的钻屑，钻井液经井口至1#罐的连接管进入振动筛，通过振动筛将钻井液中粒度大于74µm的钻屑颗粒筛分出来，完成一级固控。2. 二级固控清除气体。除气器是用于去除在钻井过程中侵入钻井液的气体的专用钻井液处理设备，它能够迅速、有效地清除钻井液中所含的气体(包括空气)，除气器对于恢复钻井液密度、防止潜在井喷、井塌危险的发生具有重要作用。3. 三级固控去除较大颗粒。经过振动筛处理后的钻井液进入到除砂器中，除砂器将钻井液较大的砂粒(粒度44µm74µm)分离出来，完成除砂过程，即为二级固控。4. 四级固控去除小颗粒。经过除砂器处理后的钻井

21、液进入到除泥器中，除泥器将钻井液小的砂粒(粒度8µm44µm)分离出来，完成除泥过程，即为三级固控。5. 五级固控去除较小颗粒。经过除泥器处理后的钻井液进入到离心机中，离心机将钻井液较小的砂粒(粒度2µm8µm)分离出来，完成离心过程，即为五级固控。五级固控全部采用主要用于复杂井况和要求较高的井况，在实际使用过程中，可以根据钻井作业的需要，采用其中的一级或几级固控流程。经过五级固控后的钻井液固相含量，可以完全达到国内钻井作业对钻井液质量的要求。2.1.2 钻井液循环流程 钻井液循环流程是钻井液固控系统流程中的基本流程，它的主要作用是通过固控设备的机械分离

22、原理6，将钻井液中的有害固相成份去除掉。井口出来的钻井液通过管线流入分配器，分配器可分别或同时将钻井液输送到2个(或3个)振动筛，经过振动筛处理后进入到沉砂仓，从沉砂仓出来的钻井液经过渡管进入到除砂仓。除砂泵吸入除砂仓的钻井液，将钻井液通过管线输送至除砂器，除砂器处理后的钻井液经过渡槽进入到除泥仓。除泥泵吸入除泥仓的钻井液，将钻井液通过管线输送至除泥器，除泥器处理后的钻井液经过渡槽进入到离心仓。离心机的立式供液泵吸入离心仓的钻井液，将钻井液通过管线输送至离心机，离心机处理后的钻井液经过渡槽进入到储液罐。钻井泵吸入储液罐的钻井液，通过管线输送至井口。这样就完成了钻井液的循环流程。2.2 固相控制

23、工艺及原理钻井液中的固相含量是指单位体积钻井液中的固相含量的质量，单位用kg.m-3或g.cm-3表示7,8。固相含量对钻井液性能有重要影响，如粘土含量过高，是钻井液的年粘度和切力增加；岩屑含量过高，是滤饼的渗透率增加，滤矢量增大，滤饼增厚，易发生卡钻事故。2.2.1 固控设备的工作体系和原理1. 固控原理分级清除钻屑是固控设备体系工作原理，大体上分有四级：振动筛、除砂清洁器、除泥清洁器、离心机（两台）。2. 固控体系 分离点-有这样一种固相颗粒，经过固控设备处理后，有50%在底流中，有50%在溢流中，我们把这个固相颗粒粒度点叫分离点，这主要指非全过流处理设备。 理论上除砂清洁器分离点74&#

24、181;m，除泥清洁器分离点43µm，离心机分离点15µm，高速离心机分离点2µm。 分离点不是一个定数，根据不同振动筛筛网目数以及泥浆体系不同而不同。离心机的分离能力取决于固、液相的密度差及沉降区长度，固液两相密度差越相近，也就是进料的浆液年度越大，则分离沉降就越难以进行。在实际生产中工艺条件影响离心机分离效果的因素主要有三个：进料温度，进料速率，异常工艺条件。2.2.2 固液分离基本原理1. 沉降原理当固体和液体（或两个液相）间存在着密度差时，便可采用离心沉降方法来实现固液分离9。在离心场中，当颗粒重于液体时离心力会使其沿径向向外运动；当颗粒轻于液体时，离心力

25、将使其沿径向向内运动。因此，离心沉降可以认为是较轻颗粒中立沉降法的一种延伸，并且能够分离通常在重力场中稳定的浑浊液。任何一种分离过程的机理，均依赖于两种组分间是否存在相对运动。因而存在两种可能性：固体通过流体床沉降；液体通过固体床沉降。采取前一种运动方式的连续操作设备有沉降槽、澄清器、螺旋卸料沉降式离心机以及水力旋流器。采取后一种运动方式的设备主要是连续过滤器以及转鼓上开孔的篮式离心机，前一种设备在油田现场应用最为普遍。2. 十字流过滤原理滤浆垂直于过滤介质的表面流动，固体被介质截留，逐渐形成滤饼。随着过滤的持续进行和滤饼渗层的增厚，过滤速度明显减少，直至滤液停止流出。在过滤相对粘稠及含有较大

26、颗粒的流体时，过滤介质的孔隙会很快发生堵塞，增厚的滤饼逐渐密实，最终导致过滤速度急剧降低。在对此类滤浆进行滤饼过滤时，必须使用絮凝剂或助滤剂。总之，需要对滤饼的增厚进行限制。3. 旋流分离原理 旋流分离过程本质上是在非均质混合物中，颗粒现对于流体介质的沉降迁移运动。从受力情况来看旋流分离过程中的颗粒主要受两种力作用：一是运动加速度引起的施加在颗粒上的力。这包括重力加速度引起的重力和离心机加速度引起的离心力。二是流体施加在颗粒上的力，当旋流器内离心机加速度远大于重力加速度时，重力影响可忽略。4. 各种机械控制方法对钻井液性能的影响 钻井液固相控制系统通常有除砂设备、除气器、钻井液搅拌器、钻井液罐

27、、钻井液配置等。固控设备的最佳工作状态取决于整个钻井液体系，无论是分散钻井液还是不分散钻井液、絮凝不絮凝、水基或油基、清水或盐水。其所要求的基本原则都一样，即控制清除粒度范围和体积百分比。设计合理的钻井液固相控制系统10，最终目的是吧钻屑除掉，使钻机钻速高、卡钻少、固井优、成本低等。2.3 固相控制方法2.3.1 清水稀释法即用加入清水的方法使钻井液中固相含量降低，因加入清水易使钻井液性能产生波动，引发井下事故，一般不用此法，但在一些地层相对稳定，粘土分散度较低，且有渗漏现象的地区，用清水正好补充消耗的钻井液，只需添加相当数量的处理剂即可。2.3.2 替换部分钻井液即用固相含量较低的钻井液，替

28、换出一定体积的固相含量较高的钻井液，从 而使固相含量降低。其缺点是需放掉大量钻井液，造成环境污染，所以一般不用此法。2.3.3 大池沉淀法根据斯笃克( Sotkes )定律12，影响沉降稳定性的因素是分散相粒子的大小，分散相与分散介质的密度差，以及分散介质的粘度。一般认为，钻井液密度越低、粘度越低、钻屑颗粒越大，则钻屑沉降速度越快。现场上粘度一般控制在20s以内，而且尽可能加大钻屑颗粒。过去常常使用絮凝剂，通过高分子长链的吸附和桥联， 使多个颗粒聚成一团，加大了团块直径，现在一些包被剂，如FA3569等用来控制固相13，当岩屑被钻开后，包被剂的长链立即将钻屑包裹起来，防止成为更细颗粒，这样，钻

29、屑的清除就更容易些。使用大池沉淀法的优点在于成本低且效果好，无需使用大量固控设备，固相含量能控制在3%以内。然而在一些地层压力较高的地 区，由于必须提高钻井液密度，不得不提高粘度，就不适宜用该法了。2.3.4 机械设备清除固相固相控制主要依靠固控设备来完成，目前常用的是40或60目筛、除砂器、除泥器和低速离心机。使用机械设备从表面上看增加了成本，然而，清除固相后，钻井液损耗少，不必随之加入大量处理剂，最重要的是加快了机械钻速，提高了钻井效果。因此，从总体上看，钻井成本将大大降低。2.4 钻井液中固相的影响钻井液的固相分为有用固相和有害固相两大类11。有用固相是指维持钻井液性 能所必须具有的固相

30、物质，主要指膨润土和重晶石。其余均为有害固相，主要指钻屑。在不加重的前提下，膨润土只要占到钻井液体积的2% 4% 即可满足其流变性和失水等要求，加多了亦能成为有害固相。有害固相越多，钻井液的密度、 粘度、动切力、失水、泥饼厚度、流动阻力等越大，不但降低钻速，而且易引起粘附卡钻、井漏等，降低了钻井效率。因而去除有害固相，意义非常重大。2.4.1 固相对钻速的影响固相含量高，密度就高，井底压差增大，提高了液柱对岩石的压持效应，另外粘度、切力上升，流变性能变差，降低了水马力的发挥，井底清洗效果差，钻速大大降低。塑性粘度反映的是：层流时网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，固相颗粒间、固相与液相间及连续液

31、相的内摩擦。影响塑性粘度的主要因素是固相含量，粘土的分散度和高分子增稠剂亦有较大影响。2.4.2 固相对泥饼的影响钻井液失水量要小，泥饼应薄而韧。泥饼的厚度主要取决固相颗粒的尺寸、 数量、形状及在一定压力下的可塑性。泥饼过厚，一方面会造成起下钻不畅，产生抽吸或压力激动，诱发井塌或井喷；另一方面，增大了钻具与井壁的接触面，易引发卡钻事故。所以要控制固相含量，提高泥饼质量。2.4.3 固相对循环的影响固相含量越大，对循环系统的损害就越大。钻屑中有许多砂子硬度超过了金 属硬度，能使缸套过早磨损，还能使水龙头盘根处刺浆，不仅增加了维修费用，而且增加了维修时间，降低了钻井效率。第3章 钻井液大循环固相控

32、制设计3.1 大循环固相控制的技术关键3.1.1 钻井液循环固控系统钻井液循环系统包括：钻井泵，地面管汇，钻井液池和钻井液槽，钻井液净化设备（钻井液振动筛、除砂器、除泥器、钻井液离心机等）及调配钻井液设备14。在钻井作业过程中，大部分泥浆被连续循环使用： 1. 泥浆在泥浆罐中进行混合，并存于其中。 2. 用砂泵将泥浆从泥浆罐中抽出，然后通过钻杆的空心向下送入钻孔中。 3. 泥浆从钻孔底部，钻头磨蚀岩层处的钻杆中涌出。 4. 现在，泥浆携带着钻头从岩层上磨掉的岩石碎片（称为钻屑），开始返回地表的回程。 5. 泥浆在环面（钻杆和钻孔壁间的间隙）中上升。标准的钻杆直径约为4英寸（10厘米）。在深井的

33、底部，钻孔的直径可达8英寸（20 厘米）。 6. 返回地表的泥浆在泥浆返回管线（一个通向泥浆振动筛的管道）中行进。 7. 泥浆振动筛由一系列用于分离泥浆和钻屑的金属振动滤网组成。泥浆从滤网中滴落下来，并被送回到泥浆池中。 8. 岩屑沿泥浆导板向下滑落，并被处理掉。根据环境及其它方面的考虑，可决定在处理前是否对它进行清洗。其中一些钻屑将被带走，供地质学家进行研究，以找出表明油井深处正在发生的现象的有关线索。 简而言之就是：泥浆通过泥浆泵泵入钻具内，在泥浆泵的持续泵入下，从钻头返出到钻具和井壁的环空，并携带钻头钻出的岩屑由环空上返到达地面，再通过高架槽进入四级固控设备（振动筛-除砂器-除泥器-离心

34、机）进行净化，达到循环重复使用的目的。3.1.2 固控系统存在的不足现有固控系统的不足之处主要有以下几点： 1. 动力消耗偏高。40007000 m钻机钻井液处理系统配备功率约为300500 kW，增加了钻机总动力的配备容量，增大了钻井成本。 2. 净化方式优化不足，岩屑重复破碎严重，固控控制效率低。钻井液振动筛作为第一级固控设备，清除了绝大部分固相，其单筛功率仅为3 kW左右；所配除砂器和除泥器砂泵的功率都为其10倍以上，由于分离形式所限，电机能量主要消耗于液体旋涡损失和粘性损失，固相去除率不高，固控总效率较低。 3. 钻井液地面循环系统相对复杂，操作难度大，且不少设备寿命短，故障多，现场往

35、往仅使用部分设备，导致达不到固控质量要求15。 4. 应用标准不一致，制造和搬迁费用高，而且钻井液流程杂乱，导致过渡泥浆罐数量过多，储备泥浆罐数量较少，更缺少特殊工况应对能力。 5. 从处理效果来看，目前固控系统的主要缺点为：一方面，为了保护加重材料，往往降低固相控制水平，使大量有害固相滞留在钻井液中，既降低了机械钻速，又增加了钻井生产的危险性。另一方面，设备外排钻屑的湿度高，不但浪费了钻井液，增加了废弃钻井液的体积，而且使固控系统的环保性能不达标。 现有的固控系统不能满足新型钻井技术的要求16，并且达不到相应的环保指标，对钻井液固控工艺和设备进行改革已经成为目前亟待解决的问题。3.1.3 新

36、型固控技术的要点1. 固控系统的简化和优化 现场试验表明，采用由高效钻井液振动筛和变频钻井液离心机组成的新型两级固控系统，可省掉除砂器和除泥器，节能效果明显。也可采用分级过滤技术，彻底改变现有的固控系统，亦可省去除砂器和除泥器等设备。采用真空过滤方式，甚至可以省去钻井液振动筛，大大简化固控系统，减轻井队发电机负荷，优化泥浆罐配置，减少过渡泥浆罐数量，增加储备罐数量，从而明显提高固控效率，缩短处理时间，增加钻井的安全性。 2. 先除气、再筛分 目前，井口返回的钻井液往往是先经过钻井液振动筛，然后再进行除气处理。在进行筛分处理时，大量的气体溢出，不仅增加了钻井液振动筛分的危险性，也严重损害了操作人

37、员的身体健康。将专门设计的除气器设置在首位，首先对井口返回的钻井液进行脱气处理，可以降低钻井液的含气量，减少有害气体对人体的危害，减少事故的发生。 3. 改部分处理为全处理 目前，钻井液振动筛是唯一对钻井液进行全处理的固控设备，对提高钻井液固相控制水平具有十分重要的作用。由于除砂器、除泥器和钻井液离心机的处理量有限，下面的几级净化往往是部分操作，另外会有部分钻井液通过钻井液槽直接进入下级仓室，而得不到处理。 现场只是通过增加钻井液的处理循环次数来提高固控质量。实际上，每次循环只是对钻井液进行部分处理，增加循环次数，可以提高受处理钻井液的比例，但是降低了处理效率，浪费了大量能源，固控效率很低。

38、通过改用其他的处理方式，如使用超细钻井液振动筛或新型过滤机械，可以增加处理量，实现全处理，从而更能保证一些先进井下工具的性能，并提高机械钻速。 4. 选择性固相控制技术 应用选择性固相控制技术17，井口返回钻井液经高效钻井液振动筛后分为大粒湿钻屑（>74m）和过筛液，过筛液由分级过滤机分出三级固相，从粗到细依次为粗钻屑（7435m）、加重固相（3515m）和细钻屑（215m），加重固相经分散器分散后重新进入钻井液体系，粗钻屑和细钻屑外排。这样对钻井液实现了选择性固相控制，能清除更多有害固相，特别是粒径低于加重固相的有害固体颗粒，能够大幅度提高机械钻速，降低钻井液的黏度，降低稀释水量，减少

39、钻井液体积。 5. 钻屑在线处理技术 过去只重视钻井液的处理，而忽略了对钻屑的处理，钻屑直接排入泥浆池中。每口井都需要1个泥浆池，泥浆池的面积超过500m2。通过对湿钻屑在线处理后，可分为滤液和干钻屑，滤液返回钻井液体系，干钻屑装于储运箱中，集中处理，并再生利用。通过钻屑在线处理工艺可以使钻屑和废钻井液在钻井现场不落地，充分回收可用钻井液，而且省去了泥浆池，具有明显的经济效益和巨大的社会效益。 6. 钻井液重复利用技术 一口井钻成后废弃钻井液一般为100300m³。根据相应的地层特点以及钻井液类型对这些废弃物进行分类管理，对可用钻井液进行充分的回收利用，可降低钻井液总量，减少排放量，

40、效益非常明显。当然，对钻井液进行重复利用需要一整套工艺措施，主要包括钻井液稳定性的改善、分类存储、合理应用等几个方面。3.2 “双路”循环钻井液工艺设计 “双路”循环，即在钻进过程中改变原来上部地层使用大循环(大土池沉淀)、下部地层使用小循环(罐循环)的单一模式。二开钻进时，在钻井液通过小循环的同时，让部分钻井液也通过大循环。其目的是通过大循环的钻井液在PAM胶液的絮凝作用下充分沉淀，以发挥无固相钻井液的水马力作用。通过小循环的钻井液，在固控系统作用下保持较低固含，同时具有一定的粘度和切力，从而提高了钻井液的携砂能力。采用“双路”循环法可将转浆井深由原来的1500米增加至2000米，延长了快速

41、钻进井段，极为有利的是转浆后钻井液体系中较低的固相含量，也有利于提高下部地层的机械钻速。3.3 钻井液井下循环固控系统设计钻井液井下循环固控系统通常是钻井液通过钻杆直接到达钻头处，经钻头水眼喷出，携带井底岩屑，沿环空返回地面。随着钻井深度的增加，为增加井壁的稳定性，避免压差卡钻，保护油气层，必须在钻井液中加入固相重部分（如重晶石），以增大钻井液密度。但随着钻井液密度的增大，钻进速度将迅速下降，钻头磨损明显加剧。国外研制出井下固相分离接头井下水力旋流分离器18。装有井下固相分离器接头的钻井液井下循环固控系统流程如图所示。图3.1 钻井液井下循环固控系统改进流程1井壁；2钻杆；3高固相钻井液；4固

42、相分离接头；5低固相钻井液；6钻头 固相分离器接头装于钻头上部，由地面钻井泵供给具有一定能量的钻井液，经其上部通道，从切线方向进入旋流筒，进行净化处理。分离出来的固相从其上部喷嘴进入环形空间，低固相钻井液进入钻头。采用此装置，既能保持环空的钻井液密度，保持井壁稳定，又能降低水眼处钻井液粘度和密度，减轻水眼的磨损，提高当量水马力，充分发挥高压喷射清岩于水力破岩的作用，同时由于井底钻井液固相含量的减少，将减轻钻头牙齿的磨损，提高钻头的寿命和机械钻速19。用于采出液井下油水分离的水力旋流系统的效益主要在于减少了采出水的开采及处理费用，有效降低了地面处理设备的液体负荷。地面处理设备的减少对海上应用具有

43、重要意义，地面分离设备的减少和费用的降低可延长油田寿命。人们正在对井下分离系统进行进一步研究以提供适于海上应用的各种设备。水力旋流器作为井下油水分离（DOWS）系统之一20，让我们先认识一些概念术语。1. 水力旋流分离水力旋流器已广泛应用于地面油/水分离，其外形尺寸小，结构紧凑，设备成本低，操作费用低。对水力旋流器的运行情况进行讨论将有助于了解与井下油水分离系统有关的设计问题。承压流体混合物通过一个或多个切向入口进入水力旋流器，促使流体在装置内旋转，水力旋流器的锥形加速了流体螺旋形流动，建立了自由的旋涡，创建了很大的离心力。离心力使轻相物质（即油，游离气）汇集到水力旋流器的中心，而重相物质（如

44、水，固体）由于离心力的作用被甩到了外壁，在高压作用下，保持从底流口排出，迫使旋涡中心的浓缩油核逆流。结果，浓缩油流流向溢流口，而不含油的水流则流向底流口。2. 水力旋流分离器工艺设计人们已很好地总结出制约水力旋流器分离性能的因素。一般来说，密度差大，分散相粒径大和连续相粘度低均有助于分离。对于地面的采出水处理，使用水力旋流器的工艺设计已相当普遍，并已经建立一套相关规范。然而，井下分离应用的经验需对这些规范重新评价。3. 流体剪切剪切意指通过轴向液流速度有一个梯度。通常，剪切率高会出现紊流，产生高速液流流过静态通道的现象，这通常表现为液流压力的变化。由于高剪切对分散相的颗粒直径分布会产生负面影响

45、，所以应避免油水分离器内上升物流的高剪切。在高剪切作用下，水中油分散相平均油滴直径会下降。由于水力旋流式油水分离器性能与油滴直径有关，通常，尽可能避免水力旋流分离器的上升物流的剪切作用过大。在工艺设计中，诸如管线，控制阀和泵均可产生高剪切，通常，通过控制阀的压降越高，泵效越低，剪切速率越大，则对于分离器性能的负面影响越大。水力旋流器本身也会产生较高的剪切速率，特别是典型的脱油水力旋流器的切向入口使油水混合物易于形成高的液流速度导致高剪切速率的产生。4. 粘度水相中油滴的分离速度或油相中水滴的分离速度与连续相的粘度是成反比的。所有其它的变量相等，由于水的粘度低，通常从水中除油较油中除水要容易些。

46、另外，当用水力旋流器处理高粘度混合物时，在水力旋流器内要想达到需要的涡流是非常困难的，动态和静态水力旋流器的摩擦损失和流体混合物的摩擦损失会阻止形成迅速分离的离心力。5. 溢流比 水力旋流器不可能同时得到清水液流和脱水油流。分离性能考核指标一定是侧重于清水水质和原油品质中的一种，这种性能侧重可通过调节“溢流比”或溢流（油）量占入口液流的百分数来实现。总之，增加溢流量将改善水质，以获得最小含油量。随着分离流量的增加，溢流的水量增加。相反，在增加水中含油量的情况下，降低分离流量将改善油流的脱水率，直至使油中含水量最小。6. 低剪切水力旋流器内剪切力是另一设计难题，设计的新型水力旋流器对剪切力有一限

47、制。这减轻了形成油包水乳化液的倾向，降低了水相中细小油滴的形成。7. 优化溢流比如上所述，水力旋流器仅可以产生一种“纯净”液流。新设计打算保持一种洁净出口，同时使另一出口的污染物含量降至最低，这可以通过优化装置溢流比来实现。设计的新型水力旋流器在保持有效分离的同时，尽可能接近入口油体积浓度溢流比。 8. 改进的溢流设计水力旋流器设计的改进将改善井下油水分离系统的性能，改进的工艺设计应达到海上应用的目的。提高井下油水分离系统的脱水能力的方法之一是采用多级分离。在这种情况下，一级水力旋流器优化以从开采液中尽可能多地除去水为原则，一级不能生产出符合质量要求的注入水。水力旋流器的二级用于清洁从一级排出

48、的水流以达到注水要求。3.4 方案实施及要求长期以来，国内外相关研究机构和生产单位投入了大量的人力和物力，开展钻井液循环系统的研究，已研制出相对完善的钻井液地面固控系统能实现五级钻井液净化，五级净化若全部实施，净化效果完全能达到目前国内外钻井作业对钻井液质量的要求通过多年的研究认为，目前的钻井液地面循环系统相对复杂，操作难度大，且不少设备寿命短，故障多，现场往往仅使用部分设备，导致达不到固控要求21；而钻井液井下循环系统通常是钻井液由井口通过钻杆、钻头，再通过钻杆与井眼环空返回到井口，这种简单的钻井液井下循环系统较严重地影响机械钻速。针对目前钻井液循环系统存在的问题，提出了相应解决方案。3.4

49、.1 钻井液地面循环固控系统的主要问题 目前，国内广泛使用的与钻井系统配套的钻井液地面循环固控系统属于机械固控钻井液循环系统它包括钻井泵、地面管汇、钻井液池、钻井液槽、振动筛、除砂器、除泥器、离心分离机、钻井液调配设备等。在喷射钻井及井下动力钻井中系统还担负着传递动力的任务。它是通过筛分、离心分离等原理，将钻井液中的固相按密度和颗粒大小不同而分离开，根据需要决定取舍，以达到控制固相颗粒之 目的，这种方法效果较好，成本较低，因此该系统得到广泛使用。但该固控系统复杂，牵涉的设备多，工况差，不少设备寿命短，故障多，且现场使用时往往仅能使用部分设备，导致达不到固控要求。因此，有必要对目前普遍使用的钻井

50、液地面循环固控系统流程和设备加以改进。 3.4.2 钻井液地面循环固控系统流程的改进 现有普通钻井液地面循环固控系统中的固控系统设备包括振动筛、除气器、除砂器、除泥器及清洁器等，通过这些设备的逐级分离，可达到较好地控制钻井液中固相的目的。处理加重钻井液时除泥器不能使用，甚至除砂器也不提倡使用，因为两者，特别是前者可能除去大量重晶石。考虑到振动筛，特别是细网振动筛为易损件，且成本较高，同时为减少砂泵的台数及工作时间，提出利用水封式旋流分离装置，简化现有固控系统。 1.负压钻井用钻井液处理系统 负压钻井是近几年来开发低渗透油气藏的一种重要手段，与常规钻井的区别除钻井工艺之外，结构上主要是井口防喷器

51、，能够实现边喷边钻，井口钻井液槽可以是闭式的，带压钻井液可直接利用井口剩余压力进入闭式钻井液处理系统。 砂泵非加重钻井液固控系统流程：来自井内的钻井液密闭输送到水封式旋流分离装置进行固液分离，分离后的清洁钻井液直接进入处理罐，为避免浪费钻井液，分离后的固相再通过粗网振动筛进行分离，分离的液相通过离心泵打入水封式旋流分离装置进行再分离，分离出的固相颗粒外排。非加重钻井液固控设备仅需水封式旋流分离装置、粗网振动筛、离心泵和处理罐各1台。 固相粗网振动筛井内钻井液水封式旋流分离器清洁钻井液至井内 钻井泵 在用灌 处理灌图3.2 非加重钻井液固控系统流程图加重钻井液固控系统流程：来自井内的钻井液密闭输

52、送到水封式旋流分离装置，由水封式旋流分离装置进行固液分离，分离后的清洁钻井液直接进入处理罐，为避免浪费钻井液和重晶石，分离后的固相通过振动筛进行分离，经振动筛分离的液相再通过离心泵(砂泵)打入清洁器(小型水封式旋流分离装置+超细振动筛) ，经清洁器分离后的清洁钻井液和重晶石进入处理罐，或直接进入重晶石混合罐。加重钻井液固控设备仅需水封式旋流分离装置、振动筛、离心泵、清洁器和处理罐各1台。砂泵井内钻井液固相水封式旋流分离器粗网振动筛 清洁器清洁钻井液液相清洁钻井液至井内 在用灌 钻井泵处理灌图3.3 加重钻井液固控系统流程2.开式钻井用钻井液处理系统 开式钻井即常规钻井时，封井器处于敞开状态，井口无压力。此时亦可利用上述钻井液处理系统。但需要在钻井液槽出口增设两个装置：一是固相岩屑粉碎机；二是1台砂泵，其功能是将经岩屑粉碎机粉碎岩屑后的浆液泵入水封式旋流分离装置。3.4.3 钻井工程对钻井液固相控制的要求1.