新型離心機鉆井液回收技術在3 300m長江天然氣管道穿越工程中的應用

冒乃兵 袁少山 徐良奎 吳益泉 張 坤 戴忠勤

1.中國石油天然氣管道局穿越分公司 2.中國石油西氣東輸管道公司管道建設項目部

3 300m長江天然氣管道穿越工程距離長、地質條件復雜，主要穿越地層為粉砂層、細砂層，按照近年來類似工程的施工經驗，鉆井液處理是一個很大的難點[1－4]。

鉆井液中的固相顆粒對鉆井液的密度、黏度和切力有著明顯的影響，而這些性能和鉆井液的水力參數、鉆井速度、鉆井成本和井下情況有著直接的關系。鉆井液的固相控制是鉆井液工藝的重要內容之一[5－10]。

3 300m長江天然氣管道穿越工程在鉆井液回收處理中存在比較大的難點，主要體現為傳統鉆井液回收處理系統已經無法滿足長距離砂層中鉆井液處理的需求。

1 傳統鉆井液回收系統的缺陷分析

傳統的鉆井液回收系統主要是振動篩及旋流器回收系統，在粉砂、細砂地層中，鉆渣主要為砂土、粉土等，其粒徑較小，振動篩去除較困難[11－13]。表1為土顆粒分類標準。

表1 土顆粒分類標準表

篩網的孔徑大小是由目數決定的，目前在傳統鉆井液回收系統中應用的篩網目數最多為120目，篩網孔徑與目數的關系見表2。

從表1、2中數據可以得知，在粉細砂層中，鉆屑顆粒的粒徑大部分都小于75μm，而傳統鉆井液回收系統常用的篩網粒徑最小為125μm，雖然除泥旋流器可以去除一部分100μm以下的有害固相，但是去除量很小，無法通過振動篩回收系統有效去除粉細砂層鉆井液中的有害固相。而如果采用進一步增大篩網目數的方法去除有害固相，又會導致在實際施工中鉆井液回收的功效大大降低，大量的鉆井液無法有效得以回收。

表2 篩網孔徑與目數關系對照表

2 新型離心機鉆井液回收系統去除固相研究

2.1 幾種鉆井液回收系統的理論分析

鉆井液中固相含量高可導致形成厚的濾餅，容易引起壓差卡鉆；導致濾餅的滲透率高，濾失量大，造成儲層損害和井眼不穩定，同時造成鉆頭及鉆柱的嚴重磨損，尤其會降低機械鉆速 。

鉆速隨鉆井液中固相含量升高而下降。鉆井液中固相含量每升高7%，鉆速降低50%。大量研究結果顯示：鉆井液中固相含量每降低1%，鉆速至少可提高10%。鉆速與鉆井液中固相含量的關系見圖1。

實踐證明，鉆井液中的固相類型對鉆速影響差異較大，當鉆井液中固相含量相同時，固相顆粒尺寸不一樣對鉆速影響不同，高造漿率黏土對鉆速的影響最大。每種鉆井液處理設備對于鉆井液中固相含量的處理效果差異較大，不同鉆井液處理設備對鉆井液固相的處理效果見圖2。

圖1 鉆速與鉆井液中固相含量的關系圖

圖2 不同鉆井液處理設備對鉆井液固相的處理效果圖

離心機清除鉆井液中的固相不增加鉆井液體積，不必補加大量處理劑，故有利于降低鉆井液成本，同時對鉆井液的性能影響小，有利于井下正常鉆進[14]。

通過以上分析并經過試鉆過程的現場應用，決定在長江3 300m天然氣管道穿越工程中應用此新型離心機鉆井液回收處理系統，為保證鉆井液性能奠定基礎。

2.2 現場應用情況分析對比

現場對振動篩回收系統、中速離心機、高速離心機處理后的鉆井液進行了大量試驗。鉆井液泵的維修情況與鉆井液含砂量的關系如下：①鉆井液含砂量大于8%時，幾乎每天要更換密封、柱塞；②鉆井液含砂量小于2%時，3～5d更換1次密封；③鉆井液含砂量小于0.5%時，很少更換密封、柱塞。

現場不同鉆井液回收系統對鉆井液的處理效果對比見表3。

現場除渣效果顯示離心機相對于其他鉆井液回收系統對鉆井液中有害固相的處理量大、處理效果好（圖3、4）。

對以上試驗及統計結果進行分析可知：①振動篩回收系統處理的鉆井液含砂量非常大，含砂量難以控制，對現場設備損害大，回收處理后的鉆井液靜切力較大，說明其有害固相含量較高，對擴孔施工的扭矩和鉆速影響大；②中速、高速離心機處理后的鉆井液含砂量很低，可以控制為不超過0.5%，鉆井液對設備損害非常小。離心機對鉆井液中有害小顆粒固相的控制非常好，使得鉆井液靜切力不至于過大而導致泵啟動和鉆井液初始流動困難，利于降低擴孔扭矩，加快鉆進速度。

表3 現場不同鉆井液回收系統對鉆井液的處理效果對比表

圖3 離心機除去鉆井液中固相的效果圖

圖4 其他鉆井液回收系統處理后的效果圖

2.3 離心機鉆井液回收處理系統應用效果總結

1）離心機鉆井液回收處理系統適用的地層。通過前面的分析可以知道，離心機鉆井液回收處理系統在定向鉆中的應用地層主要有細砂層、粉砂層、粉土、黏質粉土等鉆屑小于75μm的地層。如果在中砂以上的地層中使用離心機回收處理鉆井液有2個劣勢：①鉆屑對旋轉軸的損害較大，設備維修率過高；②傳統的振動篩式鉆井液回收系統在中砂以上地層的使用效果較好，而且費用較低，單位時間內的有效處理量大。因此，離心機鉆井液回收處理系統不能盲目地使用，在粉細砂層及更細鉆屑的地層應用可得到較好效果。

2）離心機鉆井液回收處理系統與傳統振動篩鉆井液回收處理系統的對比。在406mm管道穿越中采用的是傳統振動篩鉆井液回收處理系統，而711 mm－B管道穿越中采用的是離心機鉆井液回收處理系統。在同一種地層中采用此2種鉆井液回收處理系統，所以有了可對比性。在粉細砂層中處理效果對比情況如下：①振動篩鉆井液回收處理系統處理量較大，可達到200m2／h，離心機鉆井液回收處理系統處理量為40m2／h，但是2臺離心機可滿足施工要求；②離心機鉆井液回收處理系統可控制的鉆井液含砂量不超過0.5%，而振動篩鉆井液回收處理系統處理后的鉆井液含砂量基本上超過了5%；③離心機鉆井液回收處理系統對于鉆井液性能的破壞很小，可以去除其中的有害固相（主要是黏粒），而振動篩鉆井液回收處理系統只能通過旋流器去除一部分鉆井液中的有害固相，處理量很小，在粉細砂層中的使用效果很不好。

3）中速、高速離心機鉆井液回收處理系統在現場的應用情況對比。在使用離心機鉆井液回收處理系統的過程中發現，中速、高速離心機在現場的應用存在一定的差異，主要對比情況見表4。

表4 中速及高速離心機鉆井液回收處理系統現場使用情況對比統計表

由以上統計結果可以得出：①中速、高速離心機鉆井液回收處理系統對于鉆井液的處理效果都較好，處理后鉆井液的性能都可以滿足工程要求；②中速離心機鉆井液回收處理系統更適合于粉細砂層鉆井液的處理，其維修、維護保養更為簡單，施工效果更好；③由使用效果可以推斷，高速離心機鉆井液回收處理系統更適用于黏土類地層中的管道穿越施工。

3 結論

1）離心機鉆井液回收處理系統清除鉆井液中的固相不增加鉆井液體積，不必補加大量處理劑，有利于降低鉆井液成本。

2）離心機鉆井液回收處理系統對鉆井液的性能影響小，調漿方便，有利于井下正常鉆進。

3）離心機鉆井液回收處理系統有效除去了鉆井液中的有害固相，降低了擴孔扭矩，加快了機械鉆速，有利于設備的維護保養。理論及實踐皆證明離心機鉆井液回收處理系統更適用于粉細砂地層中的穿越鉆井液處理。

4）離心機鉆井液回收處理系統在中、粗砂以上地層的穿越施工中較傳統鉆井液回收處理系統存在一定的劣勢，此時不應盲目使用離心機鉆井液回收處理系統。

5）中速離心機鉆井液回收處理系統較高速離心機鉆井液回收處理系統在粉細砂地層中的穿越鉆井液處理應用功效更高，而高速離心機鉆井液回收處理系統更適合于應用在黏土類地層的穿越施工中。

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（修改回稿日期 2013－12－19 編輯 何 明）