鉆井液高低位密閉循環系統的研制應用

鄒慶波，羅曉麗，安青龍

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413）

1 背景

鉆井液通過地面與井下循環，及時地把破碎的鉆屑帶到地面上來，保證鉆井過程的連續進行，并保障井下安全，保護油氣層及取全取準各項工程地質資料。

鉆井液的循環是通過泥漿泵來維持的，鉆井液的循環過程是：從泥漿泵排出的高壓鉆井液經過地面高壓管匯、立管、水龍帶、水龍頭、方鉆桿、鉆桿、鉆鋌到達鉆頭，并從鉆頭噴嘴噴出，然后再沿鉆柱與井壁（或套管）形成的環形空間向上流動，返回地面后經排出管線流入泥漿池，再經各種固控設備進行處理后返回上水池，并進入再次循環。

某油田鉆探公司現有各型號鉆機122部，鉆井液循環系統多采用一池（鉆井液坑）兩罐兩級凈化處理。鉆井液循環設備與罐池采用平位布置，井口排出的鉆井液，通過地面循環溝進入到鉆井液坑，再通過立式砂泵提升到循環罐上。

該鉆井液循環方式存在以下問題：多年來采用鉆井液地面循環，造成地表污染，不利于環境保護；通過砂泵從鉆井液泥漿坑中提升鉆井液，巖屑不易清除，排量忽大忽小，影響到有害固相的清除。為滿足環境保護及鉆井工藝對鉆井液循環控制的要求，開展鉆井液循環系統的優化攻關研究，關系到石油鉆井行業前景的發展，具有重要意義。

2 鉆井液高低位密閉循環系統的實施與改進方案

針對鉆井過程中鉆井液循環系統結構與工作流程不合理，達不到鉆井環保要求的難題，研究鉆井工藝及鉆井液的循環規律，以及全井鉆井液的運行軌跡，合理地設計鉆井液具體的走向，提出問題的解決措施，優化鉆井液循環工藝流程，優化鉆井液循環系統，解決鉆井液落地問題，以滿足鉆井工藝對泥漿循環控制的要求。

2.1 鉆井液密閉高低位循環罐主體研究

兩個鉆井液密閉循環罐與鉆井泵呈現一條線擺放，利于井場規格化，鉆井液密閉高低位循環罐立面圖見圖1。

基本結構：按優化的鉆井液循環工藝流程進行結構設計，鉆機鉆井液密閉循環系統由兩個鉆井液密閉循環罐組成，鉆井液密閉循環系統配三級凈化裝置，配2臺振動篩、1臺除砂-除泥一體機、5臺立式砂泵、兩用混合漏斗等。整個系統采用兩罐兩位，鉆井液凈化處理與加重罐分為1號罐和2號罐。

1號低位罐上減少了旋臂吊，在井口增加了井口罐，開鉆前提前埋放在井口，用導鏈將立式砂泵與井架平臺底座相固定。1號罐改為低位罐，上面布置兩臺振動篩，通過立式砂泵進行鉆井液調度，實現鉆井液順利吸入振動篩，完成1號罐鉆井液篩分處理任務，還布置2臺立式泵，將篩分后的鉆井液提升抽入2號罐；2號罐為高位罐，隔離為4個倉：沉砂倉、儲備倉、除砂倉和離心倉。上面布置除砂-除泥一體機，2臺立式砂泵，3臺攪拌器，主要承擔鉆井液除砂-除泥處理及存儲處理后的鉆井液任務，同時實現鉆井液加重的功能。也可以根據要求布置離心機（真空除氣器），滿足對鉆井液進行第四級處理等特殊要求，以保證定向井、水平井等特殊井型的施工需要。

本次研究，對鉆井液循環流程重新規范，罐體設備布置合理，形成振動篩—立式泵—除砂-除泥一體機—立式泵—攪拌器—半檔板池罐沉淀—攪拌器—鉆井泵吸入口一條線的工作流程。

圖1 鉆井液密閉高低位循環罐立面圖

2.2 鉆井液密閉高低位循環罐改進方案

原來的鉆井液循環工藝見圖2，改進前鉆井液循環示意圖。

圖2 改進前鉆井液循環示意圖

井口返出的鉆井液經地面循環溝進入露天掘挖的鉆井液坑，由液壓吊將振動篩立式供液砂泵放入鉆井液坑中，提升鉆井液到1號罐面的振動篩進行處理，除去顆粒較大的巖屑后，進行后續的凈化處理與循環。

現在改進后的鉆井液凈化循環工藝流程如下，參見圖3。

圖3 改進后鉆井液循環系統示意圖

工作原理如下：1號罐比2號罐降低300mm。先設計安裝一個井口罐，提前在開鉆前埋在井口處。將1號罐上的用于吊運立式砂泵的旋轉液壓吊取消，將立式砂泵移到鉆井井口處，用固定在鉆機平臺下底座上的導鏈懸吊，落于井口罐中。增加了上導流管和下導流管，見圖4所示。

圖4 鉆井液高低位密閉循環改進方案原理示意圖

鉆井一開時，由立式供液砂泵放入井口罐中，通過下導流管，為兩臺振動篩供液。經過振動篩處理后，經過2臺立式泵提升，進入2號罐沉砂倉，除砂-除泥器長軸立式供液砂泵吸入2號罐沉砂倉的鉆井液，供給除砂-除泥器，經處理后的鉆井液2號罐的鉆井泵吸入倉，由鉆井泵重入2號罐的鉆井泵吸入倉，由鉆井泵重復泵入井內循環使用。

鉆井進入二開以后，井口返出的鉆井液通過封井器的喇叭口，進入上導流管，可分別或同時輸送到兩臺振動篩，經過振動篩處理后進入固控系統凈化處理，循環使用。

優化后，鉆井液不走地面，減少了立式砂泵從砂泵坑中將鉆井液提升到振動篩上的步驟，減少了對鉆井液中巖屑的二次切削，減少了鉆屑的分散程度，使得巖屑更容易清除。

2.3 鉆井液密閉高低位循環罐的制造與應用

1號罐整體高度1700mm。降低高度的目的就是為了井口喇叭口與振動篩之間形成有效落差。1號罐分兩個倉，1號倉上部配2臺振動篩，保證鉆井液的處理量。2號倉安裝一臺攪拌器，作用是防止沉沙埋住兩臺立式泵入口。兩臺立式泵可以交替工作，把鉆井液輸出到2號罐上的沉沙倉內。罐體設置了兩個排污口，方便清除沉沙。振動篩底部設計斜坡，有利于沉沙往排污口流動，便于清理。

2號罐分4個倉，1號倉為沉沙倉，2號倉上部安裝了一體機，處理鉆井液中的巖屑。處理后的鉆井液進入到3號倉，3號倉上部可安裝離心機（根據鉆井工程要求配置），4號倉與鉆井泵相連。

因為現場作業中，較多設計同井場的成組井，為此，設計導流管為10寸鋼管，互相之間連接方式是充氣式氣胎由壬聯接，達到井口與振動篩相連接。

鉆井隊現場應用實物圖見圖5所示。

圖5 高低位循環罐現場應用實物圖

3 效益分析

目前已在油田某區塊等地共鉆井應用347口井，應用后，取消了鉆井液地面循環泥漿坑和循環溝，取消了排污坑，做到鉆井液密閉循環，減少了對地表的污染，滿足了環保要求。降低加重過程中重晶石粉及藥品對人員的傷害。清除鉆井液中的有害固相的能力大大提升，鉆井液性能指標監測及時準確，使鉆井液處理滿足工藝要求，從而為提高鉆井質量墊定基礎。

每口井可節省鉆井液處理劑、重晶石粉和泥漿排放費用14404．81元；可節省鉆井液坑處理費用和中途清砂污水處理費用4800元；取消懸臂吊，每個5．3萬元，分攤每口井節約1325元。每口井可節約費用2．053萬元。項目研制了鉆井液主循環罐及相關輔助設備10套，每口井成本分攤費用0．4169萬元。每口井共獲得直接經濟效益1．6361萬元。2016年至2017年應用鉆井生產347口井，每口井可節約成本1．6361萬元，已獲得經濟效益 567．7 萬元。

如果每個隊年鉆井40口,共計實施應用10個隊計算，年可取得經濟效益為654．44萬元,可取得良好的應用效果，滿足了鉆井工程需求。

4 結語

（1）分析鉆井工藝及鉆井液的循環運行軌跡，優化鉆井液循環工藝流程和鉆井液循環系統，解決了鉆井液循環落地污染問題。

（2）優化了鉆井液性能，從而滿足了鉆井工藝對鉆井液循環控制的要求，為鉆井生產提供有效的技術保障。

（3）降低了加重及藥品加注對人體的傷害，減少重晶石粉及藥品流失與環境污染。

隨著油田勘探開發的發展，由于地面條件的限制與環境保護越來越嚴格的要求，鉆井液不落地已提到油田鉆井的日程上來。此研究成果，可實現鉆井液不落地，達到環保要求，進一步提高加重效率，優化鉆井液性能，提高處理井下突發工程事故的能力，保障鉆井工作的安全穩定性，并可以減少固控設備投入，降低人員勞動強度，提高鉆井液的重復利用率，具有較好的發展前景。

[1] 唐麗,毛程,陳紅軍．鉆井液使用與維護[M]．中國石化出版社，2017,8．

[2] 姚春東,董世民．石油礦場機械[M]．石油工業出版社，2012,12．