超深井鉆井液固控系統配套合理性探討

張曉東 何 石 茍如意 朱曉鳳 張 也

（西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500）

超深井鉆井液固控系統配套合理性探討

張曉東 何 石 茍如意 朱曉鳳 張 也

（西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500）

深井、超深井鉆井時井下問題更為復雜，這對鉆井液性能提出了更高的要求。目前國內超深井固控系統設計不太合理，技術性能較落后，鉆井液固相含量控制、加重劑的回收及油基鉆井液的處理效果達不到預期要求。通過分析鉆井液中固相顆粒特性，結合超深井地層特點以及國內油田現有固控設備的配置及使用問題，探討滿足超深井要求的固控系統的合理配置。優化后的固控系統提高了固控效率，可以實現加重劑、鉆井液的雙相回收及利用。優化思路可以為油田固控系統配置的合理性改進提供參考和借鑒。

超深井；鉆井液；固控系統；合理配置

隨著鉆井新技術、新工藝的快速發展，深井、超深井的安全、高效、低成本鉆井成為必然趨勢，鉆井液性能的高標準是鉆井順利實施的前提和保證［1］。為了平衡地層壓力，超深井鉆井液中普遍使用加重劑，所占固相體積分數大于50%，其中的固相添加劑費用占鉆井液總費用的75%以上［2］，急劇增加了鉆井液的成本。鉆井液中加重劑的增加，使得鉆井液的黏度、切力增大，導致鉆井液性能控制難度增加。對加重劑的高效回收，既是保證鉆井液性能的基本前提，也是控制鉆井液成本的有效途徑。目前超深井固控設備使用效果不太理想，對固控系統的優化是提高固控效率、降低固控綜合成本的有效措施［3］，筆者在國內外學者研究的基礎上，對超深井鉆井液固控系統配套的合理性進行研究，提出的優化固控系統具有顯著的經濟效益和環保效果。

1 鉆井液體系固相顆粒及地層特點分析

1.1 鉆井液體系固相顆粒分析

鉆井液中的有用固相主要包括膨潤土、固相加重劑及添加劑等。要保留有用固相，清除有害固相，需要針對鉆井液中的固相含量及粒度分布特點選擇合適的固控設備［4］。因此，設計合理的固控工藝流程是實現有害固相有效清除、有用固相高效回收的基本前提。

在4 500～9 000 m的深井和超深井鉆井過程中，鉆井液中粒徑分布10～100 μm的重晶石占據重晶石總量的80%以上；粒徑分布10～100 μm的赤鐵礦占據赤鐵礦總量的85%左右；膨潤土粒徑主要分布在0.01～1 μm范圍內。固控系統中需要特別注意回收粒徑分布在10～100 μm的加重劑。

根據粒徑的不同選擇不同固控設備，在粒徑540～800 μm區間選用30～50目振動篩，在l40～540 μm區間選用80～l00目振動篩，在40～140 μm區間選用除砂器，7～40 μm區間選用除泥器［5］，余下部分選用離心機。這樣的匹配無論是各種設備所能分離固相粒度的范圍，還是各種設備的處理能力，都與鉆井液固相含量和粒度分布情況相適應，工作負荷也比較均衡。

1.2 地層特點分析

以國內某油田6 000 m及7 000 m超深井為例，分析超深井地層特點、鉆井液中鉆屑粒徑分布及鉆井液使用體系，為深井、超深井固控系統的配置和設計提供參照（表1、2）。

由表1和表2可知，隨著地層深度的增加，鉆井液密度也相應增大，最高達到2.35 g/cm3左右，在6 000 m及以上的超深井中使用了加重油基鉆井液，提高了潤滑及攜帶巖屑的能力，以穩定井壁、平衡井底地層壓力。

表1 6 000 m超深井鉆井液參數

表2 7 000 m超深井鉆井液參數

分析不同開段的鉆屑粒徑及其特點。在一開及二開上部井段，地層較淺，大部分固相顆粒粒徑集中在30～300 μm內，其中大于200 μm的顆粒占80%以上，大粒徑固相顆粒易造成鉆頭及鉆柱的磨損，降低機械鉆速；在二開中下部井段，鉆屑多以粗砂粒、細砂粒、泥粒等形式存在于鉆井液中，由于泥粒較多，可能導致形成濾餅，容易引起壓差卡鉆；在三開井段，鉆屑顆粒主要以砂粒、泥粒以及黏土顆粒的形式存在于鉆井液中，造成儲層損害和井眼不穩定，鉆井液中重晶石含量高，密度較大；在四開及以下井段，大部分鉆屑顆粒為泥粒和黏土顆粒，黏土顆粒使鉆井液黏度增大，導致流動阻力大，有效功率降低，鉆速減小，還有可能發生泥包鉆頭，增大了壓力變化幅度，易引起噴、漏、塌、卡等事故。

超深井固控系統需要高效回收成本較高的加重劑，同時處理并回收油基鉆井液，并且有效除去各項有害固相顆粒，保證鉆井過程的安全、順利進行。這對超深井固控系統性能提出了相對較高的要求。

2 油田現場固控系統問題分析

目前國內油田現場使用的四級固控系統（本文討論的四級固控不包括除氣器）并沒有達到預期效果［6］，主要存在以下問題：

（1）振動篩為全排量處理設備，單臺處理量達不到最大井底返出量時易造成跑漿現象，同時處理過程中飛濺情況嚴重；振動篩篩網容易發生局部破損，導致分離效率較差；大顆粒鉆屑通過振動篩后為除砂器、除泥器及離心機等設備，增加了額外負荷。

（2）除砂器、除泥器設備清除固相范圍和振動篩、離心機部分重合，導致整體固控效率過低；現場固控系統功率消耗約為342～370 kW，除砂器、除泥器的功耗約為90～150 kW，功率消耗偏高，導致了鉆井成本的增加；除砂器、除泥器設備故障率高，容易發生堵、漏、轉鼓破壞等失效。

（3）離心機現場配置不合理，離心機組合轉速相差較小，使用效果不佳；清除固相中的重晶石含量較高，導致重晶石的浪費；鉆井液中超細有害固相顆粒清除不夠充分，使鉆井液黏度在循環過程中不斷增大，影響整個固控循環系統以及鉆井過程的正常運轉；離心機操作不夠規范、進口流量控制不太合理，導致離心機故障率偏高。

3 超深井固控系統合理配置研究分析

當前固控工藝流程缺乏針對性［7-8］，隨著不同地層、不同鉆井參數的變化，固控工藝流程也應該根據實際情況做針對性的調整，以最合理的方式實現固控系統的清除、回收功能。

3.1 固控系統優化設計

四級固控系統是目前最常見的固控系統［8］。對該系統進行優化設計，提出振動篩—離心機為基礎的二級固控系統。此系統中，除砂器、除泥器替換為除砂除泥一體機，底部增加底流篩，使用時既可以除去大顆粒的無用固相，也可以回收重晶石顆粒及鉆井液。正常工作狀態下，除砂除泥一體機作為備用設備，系統并不使用。當井口返出量較大，或振動篩、離心機發生故障時，除砂除泥一體機作為備用設備進行鉆井液處理，使整個固控循環過程連續不中斷，達到了整個固控系統功耗低、模塊化程度高以及可靠性高的要求（圖1）。

圖1 優化后的二級固控系統工藝流程圖

如圖1所示，從井口返出的鉆井液經過氣液分離器后，進入并聯多層振動篩組合進行處理，根據實際情況并聯3～5臺，單臺振動篩性能及篩網目數需要根據不同開段井口的鉆井液返出量、鉆井液顆粒特點進行配置，如果返出鉆井液顆粒濕度較高，必要時可以使用干燥型振動篩。

3.2 優化后固控系統適應性分析

（1）在一開井段，鉆屑多為大顆粒，返出鉆井液排量較大，這期間僅使用并聯振動篩組就可以達到清除大顆粒巖屑的目的。振動篩所采用的篩網目數可以選擇80～100目，其分離粒徑大于165 μm，振動篩臨界分離粒徑為180 μm，最小分離粒徑為100 μm，既滿足了鉆井液的處理量，又清除了大顆粒鉆屑，廢棄的鉆屑顆粒直接排入廢棄固相池中。

（2）在二開中下部井段，采取并聯振動篩組及中速離心機配合使用，除砂除泥一體機作為備用設備。此時振動篩篩網選用120目以上，配合中速離心機或除砂除泥一體機除去鉆井液中較小固相顆粒，避免其循環至井底重復磨損為超細顆粒，從而保證設備正常運轉，延長設備使用壽命，提高整個固控系統安全系數。

（3）在三開井段，采取并聯振動篩組及中、高速離心機組合配合使用。在此井段中，鉆井液密度高，鉆井液中重晶石含量高，此時對鉆井液中超細固相顆粒清除及重晶石回收要求較高，因此需要開動中速離心機回收鉆井液中的重晶石；開動高速離心機處理中速離心機的溢流，除去鉆井液中的超細顆粒，回收貴重油基鉆井液，返回進入活化鉆井液體系，進行循環利用。

（4）在四開井段采用的組合與三開井段類似。四開井段的鉆屑多為黏土顆粒及砂，對鉆井液黏度影響很大。中、高速離心機需要轉速配合，并根據井底返回鉆井液特點，選擇間斷或連續地使用離心機組合，清除鉆井液中的超細有害固相，回收重晶石及油基鉆井液。其中，鉆井液離心機組合應該采用變頻控制，在鉆井液黏度較高時，控制其進口流量，相應地提高轉速，避免離心機堵塞及故障的發生。在控制流量時，根據要求調節變頻離心機轉速，使其達到分離回收最高效率點，高效回收重晶石，水基、油基鉆井液進入活化鉆井液體系。

整個固控系統工藝流程都在振動篩—離心機二級固控系統基礎上進行優化調整。除砂除泥一體機配合底流篩，既能參與到固控系統中配合各級固控系統運轉，又能在井口鉆井液返出量過大、振動篩或離心機發生故障時作為備用設備投入使用；針對水基、油基鉆井液的特點，回收環節進行相應調整，加重水基鉆井液主要回收重晶石，加重油基鉆井液除回收重晶石外，通過添加一些絮凝破乳分離裝置及添加劑有效回收油基液相。

此外，加重劑的回收應當有選擇性，粒度過小會影響鉆井液的黏度、攜巖能力和加重效果。同理，回收油基鉆井液也需要綜合考慮系統成本、消耗成本、環境等多方面因素，根據實際情況做出最合理的系統選擇。

4 結論

（1）提出了以振動篩—離心機組合為基礎、除砂除泥一體機作為備用設備的二級固控系統，并對優化后的固控系統工藝流程進行了適應性分析。優化方案可以解決現場固控系統模塊化較低、故障率較高的問題，降低了系統整體功耗，提高了系統的安全系數。

（2）根據不同開段、不同地層的鉆井液固相顆粒的特點，有針對性地選擇不同的固控設備組合，可以解決固控設備清除固相粒徑范圍重疊嚴重的問題，提高系統整體的固控效率；中、高速離心機組合的使用，清除了鉆井液中超細有害固相，實現了加重劑及油基鉆井液的雙相回收。

［1］ 孫廣同.鉆井液固控中存在的問題［J］.鉆井液與完井液，1996，13（2）：46-48.

［2］ 張曉東，李俊，張斌，等.高密度鉆井液加重劑回收技術［J］.天然氣工業，2007，27（9）：48-50.

［3］ 裴建忠. 鉆井液固控系統優化配置研究［J］. 石油鉆采工藝，2012，34（2）：23-28.

［4］ 劉洪斌.鉆井液離心機工作理論研究［D］.成都：西南石油學院，2006.

［5］ 杜春文，朱維兵.鉆井振動篩基本參數的合理選擇［J］.石油礦場機械，2006，35（5）：12-14.

［6］ 任翔.對國內現有固控設備性能的初步評價［J］. 鉆采工藝，2004，27（2）：68-69.

［7］ 張玉華，李國華，熊亞平，等.鉆井液固控系統配套現狀及改進措施［J］. 石油機械，2007，36（12）：84-87.

［8］ 龔偉安.鉆井液固相控制技術與設備［M］.北京：石油工業出版社，1995.

（修改稿收到日期 2013-10-22）

〔編輯 朱 偉〕

Matching rationality discussion of ultra-deep well drilling fluid solid control system

ZHANG Xiaodong, HE Shi, GOU Ruyi, ZHU Xiaofeng, ZHANG Ye
（Electrical and Mechanical Engineering College, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China）

Deep and ultra-deep well drilling is very common in petroleum industry. With the deepening of strata, downhole problems become more complex, and safety accidents become more frequent, which puts forward higher requirements for drilling fluid quality. At present, solid control system design is lack of rationality, and the technical properties have fallen behind, making it unable to reach the desired effect that the drilling fluid solid control, recycling of weighting agent, and the processing of oil-based drilling fluid. By analyzing the characteristics of the drilling fluid solid phase particles, combined with ultra-deep strata characteristics and the existing solid control equipment configuration and the using problem in domestic oil fields, the rational allocation of solid control system satisfying the ultra-deep well requirements was discussed. The optimized solid control system increased the solid control efficiency, and achieved the bidirectional recovery of weighting agent and drilling fluid. The idea provides references for the rationality improvement of solid control system configuration.

ultra-deep well; drilling fluids; solid control system; rational allocation

張曉東，何石，茍如意，等. 超深井鉆井液固控系統配套合理性探討［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（6）：52-54，90.

TE926

A

石油天然氣裝備教育部重點實驗室（西南石油大學）基金項目“高密度鉆井液固控系統新技術”（編號：STZJZS20120205）。

張曉東，1959年生。1995年畢業于北京科技大學礦山機械專業，獲工學碩士學位，現從事石油鉆采設備新技術、現代設計理論與方法的教學和井下動力鉆具及井下工具的研發工作，教授、博士生導師。電話：028-83032740。E-mail：zxd123420@126.com。