1、 學號 密級_ 蘭州城市學院本科畢業論文鉆井液大循環固相控制方案設計學 院 名 稱：專 業 名 稱：學 生 姓 名：指 導 教 師： 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鄭 重 聲 明本人呈交的學位論文，是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數據、圖片資

2、料真實可靠。盡我所知，除文中已經注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學位論文的知識產權歸屬于培養單位。本人簽名： 日期： 摘 要鉆井液固相控制作為鉆井過程的關鍵工序，一直是為業界廣泛關注的熱點問題。因而對實現鉆井液固相控制功能的系統進行深入的討論和研究顯得的尤為重要，本文針對鉆井施工現場，鉆井液大循環的固相控制問題，詳細的分析了鉆井液固相控制系統的組成和功能，為現場有效開展鉆井液維護提供了必要的理論支持。本文采用兩套方案解決鉆井液大循環固相控制問題。方案一：“雙路”循環鉆井液工藝技術；

3、方案二：鉆井液井下循環系統；兩套方案可以獨立使用，也可以合并使用。對鉆井全過程固相控制具有重要的應用價值。關鍵詞：鉆井液；固相控制系統；循環系統；雙路循環；水力旋流器ABSTRACT窗體頂端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 錄第1章 緒論11.1 概 述11.2 課題的研究目的和意義11.2.1 課題研究目的11.2.2 課題研究意義21.3 國內外的研究現狀31.3.1 我國的

7、發展現狀31.3.2 國外的發展現狀3第2章 鉆井液固相控制工藝及原理52.1 固控系統52.1.1 固控系統流程的建立52.1.2 鉆井液循環流程52.2 固相控制工藝及原理62.2.1 固控設備的工作體系和原理62.2.2 固液分離基本原理72.3 固相控制方法82.3.1 清水稀釋法82.3.2 替換部分鉆井液82.3.3 大池沉淀法82.3.4 機械設備清除固相82.4 鉆井液中固相的影響92.4.1 固相對鉆速的影響92.4.2 固相對泥餅的影響92.4.3 固相對循環的影響9第3章 鉆井液大循環固相控制設計103.1 大循環固相控制的技術關鍵103.1.1 鉆井液循環固控系統103

8、.1.2 固控系統存在的不足103.1.3 新型固控技術的要點113.2 “雙路”循環鉆井液工藝設計123.3 鉆井液井下循環固控系統設計133.4 方案實施及要求163.4.1 鉆井液地面循環固控系統的主要問題163.4.2 鉆井液地面循環固控系統流程的改進163.4.3 鉆井工程對鉆井液固相控制的要求18結論與建議19參考文獻20致謝22第1章 緒論1.1 概 述 現代鉆機中都要用循環流體：液體；氣體；泡沫劑。故稱鉆井循環流體為鉆井液（習慣上稱為泥漿）。鉆井液的主要成分有：（1）水（淡水，鹽水，飽和鹽水）；（2）膨潤土（鈉膨潤土，鈣膨潤土，有機土或抗鹽土）；（3）化學處理劑（有機

9、類，無機類，表面活性劑或生物聚合物類等）；（4）油（輕質油或原油等）；（5）氣體（氮氣或天然氣）。不同的鉆井液流體形式的分散系不同，所起的作用不同。從物理化學觀點看，鉆井液是一種多相不穩定體系。為滿足鉆井工藝要求，改善鉆井液性能，常在鉆井液中加入各種不同的添加劑。鉆井液在循環過程中，不能始終保持優良性能，而要被鉆屑、油、氣、水、鹽及礦物污染，其中鉆屑是最嚴重的污染。分散于鉆井液中的固相顆粒稱為鉆井液中的固相：一是來源于被破碎巖石產生的鉆屑；二是鉆井工藝要求而人為加入的。所謂鉆井液的固相控制，就是清除有害固相，保存有用固相，或者將鉆井液中的固相總量及粒度級配控制在要求的范圍內，以滿足鉆井工藝對鉆

10、井液性能的要求。通常將鉆井液的固相控制簡稱為固控，習慣上也稱為泥漿的凈化1,2。1.2 課題的研究目的和意義1.2.1 課題研究目的 鉆井液固控系統是石油鉆井設備中的主要設備之一。在對鉆井質量要求日趨提高的現代鉆井工藝中，鉆井液凈化的質量直接影響鉆井質量和鉆井成本，高質量鉆井液固控系統在鉆井工程中起著必不可少的作用。固控系統根據鉆井需要配有振動篩、除砂器、除泥器、離心機、旋流混合器、剪切泵等不同形式和級別的凈化設備，鉆井液固控系統作用是對鉆井液進行循環、凈化，保證鉆井液的密度、粘度等參數滿足鉆井工藝的要求。在固控系統的研制方面，根據生產和環保的要求選配相應的設備進行特殊的、非常規的組合應用，以

11、取得最佳的固控效果。由于鉆井用戶的價值觀日益呈現出個性化與多樣化的趨勢，這就要求產品能滿足特定使用需求，使批量生產的產品逐漸為個性化、多樣化的產品所取代。要求機械產品在全壽命周期內對環境沒有污染（包括振動、噪聲、污水和有害的煙氣等），并要求最有效地節約資源，從而使產品具有最好的經濟、生態和社會的綜合效益。國內外研究部門和生產廠家在鉆井液固控系統的開發方面，都在走個性、環保的方向。在大量采用模塊化的部件和在國內外范圍內選用最優的通用的零部件的基礎上，盡快地開發出滿足用戶個性化與多樣化的產品，提高市場的占有率，使產品具有最好的經濟、生態和社會的綜合效益。本課題研究的范圍就是針對大慶地區鉆井工藝的要

12、求和發展特點，設計研制滿足多種固控工藝要求的鉆井液固控系統，充分滿足鉆井工藝流程中對鉆井液的需求，優化鉆井液固控流程凈化設備的配置，避免配置的浪費和不足現象。提高石油鉆井鉆井液固控系統的裝備水平。1.2.2 課題研究意義目前在用的固控設備有振動篩、除砂器、除泥器、離心機等，由于這些設備的作用原理和結構不同，因此所分離的固相顆粒粒度都有一定范圍。在選用設備之前對鉆井液中的固相進行粒度分析，使固控設備的配套與選用有針對性，發揮較好的效果。合理地在固控系統中布置固控設備是至關重要的，如果固控設備性能不好或布置不合理，鉆井液中的固相含量就會增加，容易導致井眼內發生復雜情況。因此，科學地分析各種固控設備

13、分離固相的能力，確定合理的鉆井液固控工藝流程，對于設計和研制高性能的鉆井液固控系統具有十分重要的意義。隨著鉆井工藝技術的不斷發展和鉆井液技術的進步，對鉆井液固相控制系統裝備的配置及使用效率提出了更高的要求，我國加入WTO之后，加快國產鉆井裝備設計制造的標準化、系列化，盡快實現國產系列裝備配套與國外鉆井市場接軌，已迫在眉睫。大慶地區鉆井隊使用的固控系統一般僅簡單配置有振動篩和除砂器，固控效率低，不能滿足快速鉆井的需要，研制開發適用大慶地區的鉆井液固控系統，對于提高大慶油田的鉆井液固控系統的裝備水平，提高鉆井速度具有較高的經濟效益和社會效益。1.3 國內外的研究現狀1.3.1 我國的發展現狀 我國

14、的鉆井液固相控制系統的研究和具體應用工作起步較晚。50年代，基本沒有什么地面鉆井液固控系統，除了由前蘇聯和羅馬尼亞引進的性能極差的非平衡傾斜式橢圓篩之外，尚無其它固控設備。地面上基本上是采用鐵皮泥漿槽和大土池子，這一狀況一直持續到70年代末期。80年代初期，我國大規模地引進了美國各公司生產的各種除氣器、振動篩、除砂器、除泥器、攪拌器、清潔器、砂泵、離心機等全套固控系統中的所有設備。除了單件引進之外，也曾引進過一些公司的全套固控系統3。80年代初期至80年代中期，我國鉆井工業的固控設備的使用上呈現出百花爭艷的局面，我國已成為世界上一些主要從事固控設備生產的公司的大展臺。同時也給我國的石油科技工作

15、者帶來了大好機會，使他們有條件對比優劣，取長補短，獨立地開展了研制活動，為我國80年代中期以后的固控設備逐步國產化打下了良好的基礎。目前我國石油鉆井固控設備的總體制造技術水平與國際先進水平相比仍存在較大的差距，在技術大體上經歷了仿制和在引進、吸收、消化國外鉆井設備技術的基礎上自行研制兩個階段。經過廣大技術人員的多年努力，國內各鉆井設備生產廠家陸續仿制開發出了直線型振動篩、高速離心機、真空除氣器等具有較高技術含量的固控設備，由于在固控設備性能和結構上有了較大的突破性進展，在此基礎上國內研究和生產部門設計開發了五級固控系統，縮短了我國在鉆井液固控系統設計上與國外發達國家的水平。但總體設計水平與國外

16、先進國家相比，仍有較大差距，主要表現在：由于設計水平、主要材料、加工工藝及精度達不到要求，生產的固控設備普遍使用壽命較短，性能不穩定；固控系統的設備配置上比較簡單，較少針對特殊工況進行固控系統的設計和開發。1.3.2 國外的發展現狀國外鉆井液固相控制系統的發展基本經歷了以下幾個時期，在20世紀50年代以前，人們也并不注意使用機械裝置來凈化鉆井液，到了20世紀50年代以后，美國開始采用運輸帶式鉆井液篩和鉆井液振動篩來清除鉆井液中的巖屑。1954年，國外部分油田開始使用離心機進行巖屑清除，這種離心機最初是用于食品加工上的，在鉆井液凈化方面，對清除膠體以及細粉砂狀的特細鉆屑較為有利。1962年，國外

17、油田開始采用4英寸除泥錐旋流分離器，它可處理加重泥鉆井液，用來清除更細的鉆屑。六十年代中期，細孔鉆井液振動篩問世，使鉆井液凈化工作不致因采用稀釋或放掉全部鉆井液而造成鉆井成本上漲。到了1973年，超細篩網鉆井液凈化器問世，此裝置對加重鉆井液的處理效果顯著4。國外近十年來，鉆井液固相控制從采用兩級處理先用鉆井液振動篩進行預處理，再用旋流分離器進行精處理，發展成為三級處理用鉆井液振動篩和中等尺寸（68英寸）的旋流分離器處理后，再用小尺寸（24英寸）的旋流分離器進行精處理。近幾年來，鉆井液固相控制設備經歷了很大的改革，主要表現在設備的更新改進、類型的增加和設備性能質量的提高，國外有的公司或廠家還根據

18、鉆井工程的需要，研制了一些專用的固控設備。國外的固控設備除了具有較好的性能，工作穩定壽命長之外，還有一個顯著的特點，就是設備類型的標準化、系列化和專用化。可以根據不同的工況條件和工作環境，選用不同的設備或設備配置，這就大大適應和方便了鉆井工程的要求，提高了各種條件下的固相控制效益。國外鉆井液固控技術的發展，一方面表現在固控設備的不斷更新改進，性能不斷提高；另一方面表現在固相工藝的優化組合上，根據不同的工況條件和工作環境，選用不同的設備和設備配置，適應鉆井工程的要求，提高固控效果。在固控系統的研制方面，根據生產和環保的要求選配相應的設備進行特殊的、非常規的組合應用，以取得最佳的固控效果。國外主要

19、把注意力放在固相控制系統的設計與選擇上，主要的設計方案是：把各種處理裝置組成整體，即為成套組合裝置，由若干臺多層鉆井液振動篩、旋流除砂器、旋流除泥器以及離心機、除氣器，用管匯按設計位置聯執接組合，與配套的鉆機相適應，這種結構能夠將鉆井液循環系統中的鉆屑有效地清。第2章 鉆井液固相控制工藝及原理2.1 固控系統2.1.1 固控系統流程的建立鉆井液固相控制(簡稱固控)系統就是對鉆井液中的有害固相顆粒進行控制，通過科學地布置固控設備，形成合理、高效的固控流程，可以清除鉆井液中的有害固相，保留有用固相，滿足鉆井工藝對鉆井液性能的要求。新型鉆井液固控系統采用五級固控5，固控流程如下：1. 一級固控去除大

20、顆粒。經井底循環返回的鉆井液中含有較大的鉆屑，鉆井液經井口至1#罐的連接管進入振動篩，通過振動篩將鉆井液中粒度大于74µm的鉆屑顆粒篩分出來，完成一級固控。2. 二級固控清除氣體。除氣器是用于去除在鉆井過程中侵入鉆井液的氣體的專用鉆井液處理設備，它能夠迅速、有效地清除鉆井液中所含的氣體(包括空氣)，除氣器對于恢復鉆井液密度、防止潛在井噴、井塌危險的發生具有重要作用。3. 三級固控去除較大顆粒。經過振動篩處理后的鉆井液進入到除砂器中，除砂器將鉆井液較大的砂粒(粒度44µm74µm)分離出來，完成除砂過程，即為二級固控。4. 四級固控去除小顆粒。經過除砂器處理后的鉆井

21、液進入到除泥器中，除泥器將鉆井液小的砂粒(粒度8µm44µm)分離出來，完成除泥過程，即為三級固控。5. 五級固控去除較小顆粒。經過除泥器處理后的鉆井液進入到離心機中，離心機將鉆井液較小的砂粒(粒度2µm8µm)分離出來，完成離心過程，即為五級固控。五級固控全部采用主要用于復雜井況和要求較高的井況，在實際使用過程中，可以根據鉆井作業的需要，采用其中的一級或幾級固控流程。經過五級固控后的鉆井液固相含量，可以完全達到國內鉆井作業對鉆井液質量的要求。2.1.2 鉆井液循環流程 鉆井液循環流程是鉆井液固控系統流程中的基本流程，它的主要作用是通過固控設備的機械分離

22、原理6，將鉆井液中的有害固相成份去除掉。井口出來的鉆井液通過管線流入分配器，分配器可分別或同時將鉆井液輸送到2個(或3個)振動篩，經過振動篩處理后進入到沉砂倉，從沉砂倉出來的鉆井液經過渡管進入到除砂倉。除砂泵吸入除砂倉的鉆井液，將鉆井液通過管線輸送至除砂器，除砂器處理后的鉆井液經過渡槽進入到除泥倉。除泥泵吸入除泥倉的鉆井液，將鉆井液通過管線輸送至除泥器，除泥器處理后的鉆井液經過渡槽進入到離心倉。離心機的立式供液泵吸入離心倉的鉆井液，將鉆井液通過管線輸送至離心機，離心機處理后的鉆井液經過渡槽進入到儲液罐。鉆井泵吸入儲液罐的鉆井液，通過管線輸送至井口。這樣就完成了鉆井液的循環流程。2.2 固相控制

23、工藝及原理鉆井液中的固相含量是指單位體積鉆井液中的固相含量的質量，單位用kg.m-3或g.cm-3表示7,8。固相含量對鉆井液性能有重要影響，如粘土含量過高，是鉆井液的年粘度和切力增加；巖屑含量過高，是濾餅的滲透率增加，濾矢量增大，濾餅增厚，易發生卡鉆事故。2.2.1 固控設備的工作體系和原理1. 固控原理分級清除鉆屑是固控設備體系工作原理，大體上分有四級：振動篩、除砂清潔器、除泥清潔器、離心機（兩臺）。2. 固控體系 分離點-有這樣一種固相顆粒，經過固控設備處理后，有50%在底流中，有50%在溢流中，我們把這個固相顆粒粒度點叫分離點，這主要指非全過流處理設備。 理論上除砂清潔器分離點74&#

24、181;m，除泥清潔器分離點43µm，離心機分離點15µm，高速離心機分離點2µm。 分離點不是一個定數，根據不同振動篩篩網目數以及泥漿體系不同而不同。離心機的分離能力取決于固、液相的密度差及沉降區長度，固液兩相密度差越相近，也就是進料的漿液年度越大，則分離沉降就越難以進行。在實際生產中工藝條件影響離心機分離效果的因素主要有三個：進料溫度，進料速率，異常工藝條件。2.2.2 固液分離基本原理1. 沉降原理當固體和液體（或兩個液相）間存在著密度差時，便可采用離心沉降方法來實現固液分離9。在離心場中，當顆粒重于液體時離心力會使其沿徑向向外運動；當顆粒輕于液體時，離心力

25、將使其沿徑向向內運動。因此，離心沉降可以認為是較輕顆粒中立沉降法的一種延伸，并且能夠分離通常在重力場中穩定的渾濁液。任何一種分離過程的機理，均依賴于兩種組分間是否存在相對運動。因而存在兩種可能性：固體通過流體床沉降；液體通過固體床沉降。采取前一種運動方式的連續操作設備有沉降槽、澄清器、螺旋卸料沉降式離心機以及水力旋流器。采取后一種運動方式的設備主要是連續過濾器以及轉鼓上開孔的籃式離心機，前一種設備在油田現場應用最為普遍。2. 十字流過濾原理濾漿垂直于過濾介質的表面流動，固體被介質截留，逐漸形成濾餅。隨著過濾的持續進行和濾餅滲層的增厚，過濾速度明顯減少，直至濾液停止流出。在過濾相對粘稠及含有較大

26、顆粒的流體時，過濾介質的孔隙會很快發生堵塞，增厚的濾餅逐漸密實，最終導致過濾速度急劇降低。在對此類濾漿進行濾餅過濾時，必須使用絮凝劑或助濾劑。總之，需要對濾餅的增厚進行限制。3. 旋流分離原理 旋流分離過程本質上是在非均質混合物中，顆粒現對于流體介質的沉降遷移運動。從受力情況來看旋流分離過程中的顆粒主要受兩種力作用：一是運動加速度引起的施加在顆粒上的力。這包括重力加速度引起的重力和離心機加速度引起的離心力。二是流體施加在顆粒上的力，當旋流器內離心機加速度遠大于重力加速度時，重力影響可忽略。4. 各種機械控制方法對鉆井液性能的影響 鉆井液固相控制系統通常有除砂設備、除氣器、鉆井液攪拌器、鉆井液罐

27、、鉆井液配置等。固控設備的最佳工作狀態取決于整個鉆井液體系，無論是分散鉆井液還是不分散鉆井液、絮凝不絮凝、水基或油基、清水或鹽水。其所要求的基本原則都一樣，即控制清除粒度范圍和體積百分比。設計合理的鉆井液固相控制系統10，最終目的是吧鉆屑除掉，使鉆機鉆速高、卡鉆少、固井優、成本低等。2.3 固相控制方法2.3.1 清水稀釋法即用加入清水的方法使鉆井液中固相含量降低，因加入清水易使鉆井液性能產生波動，引發井下事故，一般不用此法，但在一些地層相對穩定，粘土分散度較低，且有滲漏現象的地區，用清水正好補充消耗的鉆井液，只需添加相當數量的處理劑即可。2.3.2 替換部分鉆井液即用固相含量較低的鉆井液，替

28、換出一定體積的固相含量較高的鉆井液，從 而使固相含量降低。其缺點是需放掉大量鉆井液，造成環境污染，所以一般不用此法。2.3.3 大池沉淀法根據斯篤克( Sotkes )定律12，影響沉降穩定性的因素是分散相粒子的大小，分散相與分散介質的密度差，以及分散介質的粘度。一般認為，鉆井液密度越低、粘度越低、鉆屑顆粒越大，則鉆屑沉降速度越快。現場上粘度一般控制在20s以內，而且盡可能加大鉆屑顆粒。過去常常使用絮凝劑，通過高分子長鏈的吸附和橋聯， 使多個顆粒聚成一團，加大了團塊直徑，現在一些包被劑，如FA3569等用來控制固相13，當巖屑被鉆開后，包被劑的長鏈立即將鉆屑包裹起來，防止成為更細顆粒，這樣，鉆

29、屑的清除就更容易些。使用大池沉淀法的優點在于成本低且效果好，無需使用大量固控設備，固相含量能控制在3%以內。然而在一些地層壓力較高的地 區，由于必須提高鉆井液密度，不得不提高粘度，就不適宜用該法了。2.3.4 機械設備清除固相固相控制主要依靠固控設備來完成，目前常用的是40或60目篩、除砂器、除泥器和低速離心機。使用機械設備從表面上看增加了成本，然而，清除固相后，鉆井液損耗少，不必隨之加入大量處理劑，最重要的是加快了機械鉆速，提高了鉆井效果。因此，從總體上看，鉆井成本將大大降低。2.4 鉆井液中固相的影響鉆井液的固相分為有用固相和有害固相兩大類11。有用固相是指維持鉆井液性 能所必須具有的固相

30、物質，主要指膨潤土和重晶石。其余均為有害固相，主要指鉆屑。在不加重的前提下，膨潤土只要占到鉆井液體積的2% 4% 即可滿足其流變性和失水等要求，加多了亦能成為有害固相。有害固相越多，鉆井液的密度、 粘度、動切力、失水、泥餅厚度、流動阻力等越大，不但降低鉆速，而且易引起粘附卡鉆、井漏等，降低了鉆井效率。因而去除有害固相，意義非常重大。2.4.1 固相對鉆速的影響固相含量高，密度就高，井底壓差增大，提高了液柱對巖石的壓持效應，另外粘度、切力上升，流變性能變差，降低了水馬力的發揮，井底清洗效果差，鉆速大大降低。塑性粘度反映的是：層流時網架結構的破壞與恢復處于動平衡時，固相顆粒間、固相與液相間及連續液

31、相的內摩擦。影響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劑亦有較大影響。2.4.2 固相對泥餅的影響鉆井液失水量要小，泥餅應薄而韌。泥餅的厚度主要取決固相顆粒的尺寸、 數量、形狀及在一定壓力下的可塑性。泥餅過厚，一方面會造成起下鉆不暢，產生抽吸或壓力激動，誘發井塌或井噴；另一方面，增大了鉆具與井壁的接觸面，易引發卡鉆事故。所以要控制固相含量，提高泥餅質量。2.4.3 固相對循環的影響固相含量越大，對循環系統的損害就越大。鉆屑中有許多砂子硬度超過了金 屬硬度，能使缸套過早磨損，還能使水龍頭盤根處刺漿，不僅增加了維修費用，而且增加了維修時間，降低了鉆井效率。第3章 鉆井液大循環固相控

32、制設計3.1 大循環固相控制的技術關鍵3.1.1 鉆井液循環固控系統鉆井液循環系統包括：鉆井泵，地面管匯，鉆井液池和鉆井液槽，鉆井液凈化設備（鉆井液振動篩、除砂器、除泥器、鉆井液離心機等）及調配鉆井液設備14。在鉆井作業過程中，大部分泥漿被連續循環使用： 1. 泥漿在泥漿罐中進行混合，并存于其中。 2. 用砂泵將泥漿從泥漿罐中抽出，然后通過鉆桿的空心向下送入鉆孔中。 3. 泥漿從鉆孔底部，鉆頭磨蝕巖層處的鉆桿中涌出。 4. 現在，泥漿攜帶著鉆頭從巖層上磨掉的巖石碎片（稱為鉆屑），開始返回地表的回程。 5. 泥漿在環面（鉆桿和鉆孔壁間的間隙）中上升。標準的鉆桿直徑約為4英寸（10厘米）。在深井的

33、底部，鉆孔的直徑可達8英寸（20 厘米）。 6. 返回地表的泥漿在泥漿返回管線（一個通向泥漿振動篩的管道）中行進。 7. 泥漿振動篩由一系列用于分離泥漿和鉆屑的金屬振動濾網組成。泥漿從濾網中滴落下來，并被送回到泥漿池中。 8. 巖屑沿泥漿導板向下滑落，并被處理掉。根據環境及其它方面的考慮，可決定在處理前是否對它進行清洗。其中一些鉆屑將被帶走，供地質學家進行研究，以找出表明油井深處正在發生的現象的有關線索。 簡而言之就是：泥漿通過泥漿泵泵入鉆具內，在泥漿泵的持續泵入下，從鉆頭返出到鉆具和井壁的環空，并攜帶鉆頭鉆出的巖屑由環空上返到達地面，再通過高架槽進入四級固控設備（振動篩-除砂器-除泥器-離心

34、機）進行凈化，達到循環重復使用的目的。3.1.2 固控系統存在的不足現有固控系統的不足之處主要有以下幾點： 1. 動力消耗偏高。40007000 m鉆機鉆井液處理系統配備功率約為300500 kW，增加了鉆機總動力的配備容量，增大了鉆井成本。 2. 凈化方式優化不足，巖屑重復破碎嚴重，固控控制效率低。鉆井液振動篩作為第一級固控設備，清除了絕大部分固相，其單篩功率僅為3 kW左右；所配除砂器和除泥器砂泵的功率都為其10倍以上，由于分離形式所限，電機能量主要消耗于液體旋渦損失和粘性損失，固相去除率不高，固控總效率較低。 3. 鉆井液地面循環系統相對復雜，操作難度大，且不少設備壽命短，故障多，現場往

35、往僅使用部分設備，導致達不到固控質量要求15。 4. 應用標準不一致，制造和搬遷費用高，而且鉆井液流程雜亂，導致過渡泥漿罐數量過多，儲備泥漿罐數量較少，更缺少特殊工況應對能力。 5. 從處理效果來看，目前固控系統的主要缺點為：一方面，為了保護加重材料，往往降低固相控制水平，使大量有害固相滯留在鉆井液中，既降低了機械鉆速，又增加了鉆井生產的危險性。另一方面，設備外排鉆屑的濕度高，不但浪費了鉆井液，增加了廢棄鉆井液的體積，而且使固控系統的環保性能不達標。 現有的固控系統不能滿足新型鉆井技術的要求16，并且達不到相應的環保指標，對鉆井液固控工藝和設備進行改革已經成為目前亟待解決的問題。3.1.3 新

36、型固控技術的要點1. 固控系統的簡化和優化 現場試驗表明，采用由高效鉆井液振動篩和變頻鉆井液離心機組成的新型兩級固控系統，可省掉除砂器和除泥器，節能效果明顯。也可采用分級過濾技術，徹底改變現有的固控系統，亦可省去除砂器和除泥器等設備。采用真空過濾方式，甚至可以省去鉆井液振動篩，大大簡化固控系統，減輕井隊發電機負荷，優化泥漿罐配置，減少過渡泥漿罐數量，增加儲備罐數量，從而明顯提高固控效率，縮短處理時間，增加鉆井的安全性。 2. 先除氣、再篩分 目前，井口返回的鉆井液往往是先經過鉆井液振動篩，然后再進行除氣處理。在進行篩分處理時，大量的氣體溢出，不僅增加了鉆井液振動篩分的危險性，也嚴重損害了操作人

37、員的身體健康。將專門設計的除氣器設置在首位，首先對井口返回的鉆井液進行脫氣處理，可以降低鉆井液的含氣量，減少有害氣體對人體的危害，減少事故的發生。 3. 改部分處理為全處理 目前，鉆井液振動篩是唯一對鉆井液進行全處理的固控設備，對提高鉆井液固相控制水平具有十分重要的作用。由于除砂器、除泥器和鉆井液離心機的處理量有限，下面的幾級凈化往往是部分操作，另外會有部分鉆井液通過鉆井液槽直接進入下級倉室，而得不到處理。 現場只是通過增加鉆井液的處理循環次數來提高固控質量。實際上，每次循環只是對鉆井液進行部分處理，增加循環次數，可以提高受處理鉆井液的比例，但是降低了處理效率，浪費了大量能源，固控效率很低。

38、通過改用其他的處理方式，如使用超細鉆井液振動篩或新型過濾機械，可以增加處理量，實現全處理，從而更能保證一些先進井下工具的性能，并提高機械鉆速。 4. 選擇性固相控制技術 應用選擇性固相控制技術17，井口返回鉆井液經高效鉆井液振動篩后分為大粒濕鉆屑（>74m）和過篩液，過篩液由分級過濾機分出三級固相，從粗到細依次為粗鉆屑（7435m）、加重固相（3515m）和細鉆屑（215m），加重固相經分散器分散后重新進入鉆井液體系，粗鉆屑和細鉆屑外排。這樣對鉆井液實現了選擇性固相控制，能清除更多有害固相，特別是粒徑低于加重固相的有害固體顆粒，能夠大幅度提高機械鉆速，降低鉆井液的黏度，降低稀釋水量，減少

39、鉆井液體積。 5. 鉆屑在線處理技術 過去只重視鉆井液的處理，而忽略了對鉆屑的處理，鉆屑直接排入泥漿池中。每口井都需要1個泥漿池，泥漿池的面積超過500m2。通過對濕鉆屑在線處理后，可分為濾液和干鉆屑，濾液返回鉆井液體系，干鉆屑裝于儲運箱中，集中處理，并再生利用。通過鉆屑在線處理工藝可以使鉆屑和廢鉆井液在鉆井現場不落地，充分回收可用鉆井液，而且省去了泥漿池，具有明顯的經濟效益和巨大的社會效益。 6. 鉆井液重復利用技術 一口井鉆成后廢棄鉆井液一般為100300m³。根據相應的地層特點以及鉆井液類型對這些廢棄物進行分類管理，對可用鉆井液進行充分的回收利用，可降低鉆井液總量，減少排放量，

40、效益非常明顯。當然，對鉆井液進行重復利用需要一整套工藝措施，主要包括鉆井液穩定性的改善、分類存儲、合理應用等幾個方面。3.2 “雙路”循環鉆井液工藝設計 “雙路”循環，即在鉆進過程中改變原來上部地層使用大循環(大土池沉淀)、下部地層使用小循環(罐循環)的單一模式。二開鉆進時，在鉆井液通過小循環的同時，讓部分鉆井液也通過大循環。其目的是通過大循環的鉆井液在PAM膠液的絮凝作用下充分沉淀，以發揮無固相鉆井液的水馬力作用。通過小循環的鉆井液，在固控系統作用下保持較低固含，同時具有一定的粘度和切力，從而提高了鉆井液的攜砂能力。采用“雙路”循環法可將轉漿井深由原來的1500米增加至2000米，延長了快速

41、鉆進井段，極為有利的是轉漿后鉆井液體系中較低的固相含量，也有利于提高下部地層的機械鉆速。3.3 鉆井液井下循環固控系統設計鉆井液井下循環固控系統通常是鉆井液通過鉆桿直接到達鉆頭處，經鉆頭水眼噴出，攜帶井底巖屑，沿環空返回地面。隨著鉆井深度的增加，為增加井壁的穩定性，避免壓差卡鉆，保護油氣層，必須在鉆井液中加入固相重部分（如重晶石），以增大鉆井液密度。但隨著鉆井液密度的增大，鉆進速度將迅速下降，鉆頭磨損明顯加劇。國外研制出井下固相分離接頭井下水力旋流分離器18。裝有井下固相分離器接頭的鉆井液井下循環固控系統流程如圖所示。圖3.1 鉆井液井下循環固控系統改進流程1井壁；2鉆桿；3高固相鉆井液；4固

42、相分離接頭；5低固相鉆井液；6鉆頭 固相分離器接頭裝于鉆頭上部，由地面鉆井泵供給具有一定能量的鉆井液，經其上部通道，從切線方向進入旋流筒，進行凈化處理。分離出來的固相從其上部噴嘴進入環形空間，低固相鉆井液進入鉆頭。采用此裝置，既能保持環空的鉆井液密度，保持井壁穩定，又能降低水眼處鉆井液粘度和密度，減輕水眼的磨損，提高當量水馬力，充分發揮高壓噴射清巖于水力破巖的作用，同時由于井底鉆井液固相含量的減少，將減輕鉆頭牙齒的磨損，提高鉆頭的壽命和機械鉆速19。用于采出液井下油水分離的水力旋流系統的效益主要在于減少了采出水的開采及處理費用，有效降低了地面處理設備的液體負荷。地面處理設備的減少對海上應用具有

43、重要意義，地面分離設備的減少和費用的降低可延長油田壽命。人們正在對井下分離系統進行進一步研究以提供適于海上應用的各種設備。水力旋流器作為井下油水分離（DOWS）系統之一20，讓我們先認識一些概念術語。1. 水力旋流分離水力旋流器已廣泛應用于地面油/水分離，其外形尺寸小，結構緊湊，設備成本低，操作費用低。對水力旋流器的運行情況進行討論將有助于了解與井下油水分離系統有關的設計問題。承壓流體混合物通過一個或多個切向入口進入水力旋流器，促使流體在裝置內旋轉，水力旋流器的錐形加速了流體螺旋形流動，建立了自由的旋渦，創建了很大的離心力。離心力使輕相物質（即油，游離氣）匯集到水力旋流器的中心，而重相物質（如

44、水，固體）由于離心力的作用被甩到了外壁，在高壓作用下，保持從底流口排出，迫使旋渦中心的濃縮油核逆流。結果，濃縮油流流向溢流口，而不含油的水流則流向底流口。2. 水力旋流分離器工藝設計人們已很好地總結出制約水力旋流器分離性能的因素。一般來說，密度差大，分散相粒徑大和連續相粘度低均有助于分離。對于地面的采出水處理，使用水力旋流器的工藝設計已相當普遍，并已經建立一套相關規范。然而，井下分離應用的經驗需對這些規范重新評價。3. 流體剪切剪切意指通過軸向液流速度有一個梯度。通常，剪切率高會出現紊流，產生高速液流流過靜態通道的現象，這通常表現為液流壓力的變化。由于高剪切對分散相的顆粒直徑分布會產生負面影響

45、，所以應避免油水分離器內上升物流的高剪切。在高剪切作用下，水中油分散相平均油滴直徑會下降。由于水力旋流式油水分離器性能與油滴直徑有關，通常，盡可能避免水力旋流分離器的上升物流的剪切作用過大。在工藝設計中，諸如管線，控制閥和泵均可產生高剪切，通常，通過控制閥的壓降越高，泵效越低，剪切速率越大，則對于分離器性能的負面影響越大。水力旋流器本身也會產生較高的剪切速率，特別是典型的脫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導致高剪切速率的產生。4. 粘度水相中油滴的分離速度或油相中水滴的分離速度與連續相的粘度是成反比的。所有其它的變量相等，由于水的粘度低，通常從水中除油較油中除水要容易些。

46、另外，當用水力旋流器處理高粘度混合物時，在水力旋流器內要想達到需要的渦流是非常困難的，動態和靜態水力旋流器的摩擦損失和流體混合物的摩擦損失會阻止形成迅速分離的離心力。5. 溢流比 水力旋流器不可能同時得到清水液流和脫水油流。分離性能考核指標一定是側重于清水水質和原油品質中的一種，這種性能側重可通過調節“溢流比”或溢流（油）量占入口液流的百分數來實現。總之，增加溢流量將改善水質，以獲得最小含油量。隨著分離流量的增加，溢流的水量增加。相反，在增加水中含油量的情況下，降低分離流量將改善油流的脫水率，直至使油中含水量最小。6. 低剪切水力旋流器內剪切力是另一設計難題，設計的新型水力旋流器對剪切力有一限

47、制。這減輕了形成油包水乳化液的傾向，降低了水相中細小油滴的形成。7. 優化溢流比如上所述，水力旋流器僅可以產生一種“純凈”液流。新設計打算保持一種潔凈出口，同時使另一出口的污染物含量降至最低，這可以通過優化裝置溢流比來實現。設計的新型水力旋流器在保持有效分離的同時，盡可能接近入口油體積濃度溢流比。 8. 改進的溢流設計水力旋流器設計的改進將改善井下油水分離系統的性能，改進的工藝設計應達到海上應用的目的。提高井下油水分離系統的脫水能力的方法之一是采用多級分離。在這種情況下，一級水力旋流器優化以從開采液中盡可能多地除去水為原則，一級不能生產出符合質量要求的注入水。水力旋流器的二級用于清潔從一級排出

48、的水流以達到注水要求。3.4 方案實施及要求長期以來，國內外相關研究機構和生產單位投入了大量的人力和物力，開展鉆井液循環系統的研究，已研制出相對完善的鉆井液地面固控系統能實現五級鉆井液凈化，五級凈化若全部實施，凈化效果完全能達到目前國內外鉆井作業對鉆井液質量的要求通過多年的研究認為，目前的鉆井液地面循環系統相對復雜，操作難度大，且不少設備壽命短，故障多，現場往往僅使用部分設備，導致達不到固控要求21；而鉆井液井下循環系統通常是鉆井液由井口通過鉆桿、鉆頭，再通過鉆桿與井眼環空返回到井口，這種簡單的鉆井液井下循環系統較嚴重地影響機械鉆速。針對目前鉆井液循環系統存在的問題，提出了相應解決方案。3.4

49、.1 鉆井液地面循環固控系統的主要問題 目前，國內廣泛使用的與鉆井系統配套的鉆井液地面循環固控系統屬于機械固控鉆井液循環系統它包括鉆井泵、地面管匯、鉆井液池、鉆井液槽、振動篩、除砂器、除泥器、離心分離機、鉆井液調配設備等。在噴射鉆井及井下動力鉆井中系統還擔負著傳遞動力的任務。它是通過篩分、離心分離等原理，將鉆井液中的固相按密度和顆粒大小不同而分離開，根據需要決定取舍，以達到控制固相顆粒之 目的，這種方法效果較好，成本較低，因此該系統得到廣泛使用。但該固控系統復雜，牽涉的設備多，工況差，不少設備壽命短，故障多，且現場使用時往往僅能使用部分設備，導致達不到固控要求。因此，有必要對目前普遍使用的鉆井

50、液地面循環固控系統流程和設備加以改進。 3.4.2 鉆井液地面循環固控系統流程的改進 現有普通鉆井液地面循環固控系統中的固控系統設備包括振動篩、除氣器、除砂器、除泥器及清潔器等，通過這些設備的逐級分離，可達到較好地控制鉆井液中固相的目的。處理加重鉆井液時除泥器不能使用，甚至除砂器也不提倡使用，因為兩者，特別是前者可能除去大量重晶石。考慮到振動篩，特別是細網振動篩為易損件，且成本較高，同時為減少砂泵的臺數及工作時間，提出利用水封式旋流分離裝置，簡化現有固控系統。 1.負壓鉆井用鉆井液處理系統 負壓鉆井是近幾年來開發低滲透油氣藏的一種重要手段，與常規鉆井的區別除鉆井工藝之外，結構上主要是井口防噴器

51、，能夠實現邊噴邊鉆，井口鉆井液槽可以是閉式的，帶壓鉆井液可直接利用井口剩余壓力進入閉式鉆井液處理系統。 砂泵非加重鉆井液固控系統流程：來自井內的鉆井液密閉輸送到水封式旋流分離裝置進行固液分離，分離后的清潔鉆井液直接進入處理罐，為避免浪費鉆井液，分離后的固相再通過粗網振動篩進行分離，分離的液相通過離心泵打入水封式旋流分離裝置進行再分離，分離出的固相顆粒外排。非加重鉆井液固控設備僅需水封式旋流分離裝置、粗網振動篩、離心泵和處理罐各1臺。 固相粗網振動篩井內鉆井液水封式旋流分離器清潔鉆井液至井內 鉆井泵 在用灌 處理灌圖3.2 非加重鉆井液固控系統流程圖加重鉆井液固控系統流程：來自井內的鉆井液密閉輸

52、送到水封式旋流分離裝置，由水封式旋流分離裝置進行固液分離，分離后的清潔鉆井液直接進入處理罐，為避免浪費鉆井液和重晶石，分離后的固相通過振動篩進行分離，經振動篩分離的液相再通過離心泵(砂泵)打入清潔器(小型水封式旋流分離裝置+超細振動篩) ，經清潔器分離后的清潔鉆井液和重晶石進入處理罐，或直接進入重晶石混合罐。加重鉆井液固控設備僅需水封式旋流分離裝置、振動篩、離心泵、清潔器和處理罐各1臺。砂泵井內鉆井液固相水封式旋流分離器粗網振動篩 清潔器清潔鉆井液液相清潔鉆井液至井內 在用灌 鉆井泵處理灌圖3.3 加重鉆井液固控系統流程2.開式鉆井用鉆井液處理系統 開式鉆井即常規鉆井時，封井器處于敞開狀態，井口無壓力。此時亦可利用上述鉆井液處理系統。但需要在鉆井液槽出口增設兩個裝置：一是固相巖屑粉碎機；二是1臺砂泵，其功能是將經巖屑粉碎機粉碎巖屑后的漿液泵入水封式旋流分離裝置。3.4.3 鉆井工程對鉆井液固相控制的要求1.