離心機(jī)分離固相測(cè)定分析方法及其應(yīng)用

蔡利山， 楊健， 彭琳

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2. 中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)管理部，成都 610041；3.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程監(jiān)督中心，四川德陽(yáng) 618000）

離心設(shè)備多用于固液2相分離或?qū)μ囟ㄎ镔|(zhì)進(jìn)行濃縮提純，其應(yīng)用范圍涉及到各類工業(yè)企業(yè)。在石油鉆井行業(yè)中，離心設(shè)備主要用于清除鉆井液體系中的劣質(zhì)固相（鉆屑、劣質(zhì)膨潤(rùn)土），保留有用固相（加重材料、商業(yè)膨潤(rùn)土、功能性助劑）。從現(xiàn)場(chǎng)配置情況看，目前各型鉆機(jī)所配備的離心機(jī)大多為L(zhǎng)W355和LW450型2種，個(gè)別鉆機(jī)也有配置LW600型離心機(jī)的。但就來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的離心機(jī)底流成分分析數(shù)據(jù)看，其固相分離效率主要和被處理流體組成物的密度差相關(guān)，而和離心機(jī)型號(hào)關(guān)系不大。對(duì)于加重體系，使用者顯然更關(guān)心離心機(jī)底流分離物中高密度固相含量；對(duì)于非加重體系，使用者則主要關(guān)注底流產(chǎn)物中的劣質(zhì)固相（鉆屑）含量，這2組數(shù)據(jù)直接左右著鉆井液體系的維護(hù)處理成本。實(shí)踐中，底流產(chǎn)物主要是高密度和低密度或無(wú)用固相和有用固相（商業(yè)膨潤(rùn)土）的混合物，因此如何確定被分離固相中不同種類固相的含量便成為評(píng)價(jià)離心機(jī)使用效果的關(guān)鍵。商業(yè)膨潤(rùn)土屬于低密度固相，數(shù)學(xué)分析結(jié)果表明，對(duì)于含有加重材料的漿體，離心機(jī)分離產(chǎn)物中的膨潤(rùn)土含量一般只占到2%～7%，可以忽略不計(jì)。

1 離心機(jī)使用效果評(píng)價(jià)問(wèn)題的提出及現(xiàn)狀

出于鉆井液性能參數(shù)維護(hù)需要，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員必須采用離心機(jī)對(duì)鉆井液中的劣質(zhì)固相進(jìn)行清除。對(duì)于非加重體系或密度低于1.25 g·cm-3的低幅度加重體系，底流分離物中劣質(zhì)固相可以占到50%以上（實(shí)踐中，即便是非常理想的情況下，該數(shù)值也不會(huì)超過(guò)75%，例如西南地區(qū)的龍遂17D-3井在鉆至井深1810 m時(shí)該值達(dá)到了75%，在筆者所收集的數(shù)據(jù)中，僅此一例），這種情況下對(duì)分離物固相中的固相種類進(jìn)行精細(xì)分析就不是特別必要。然而對(duì)于加重體系，首先要明確底流分離物中高、低2種密度固相所占比例，以便從總體上了解離心機(jī)的使用效果；其次要明確低密度固相中無(wú)用固相（亦即所謂的“劣質(zhì)固相”）和有用固相（商業(yè)膨潤(rùn)土、功能性固相）的比例，以便確定溢流物的處理方式。最終需要明確的是底流分離物中低密度固相低到何種程度時(shí)，可以停止使用離心機(jī)系統(tǒng)。相關(guān)文獻(xiàn)多為離心機(jī)分離效率影響因素分析與討論[1-3]，更多相關(guān)文章是論述加重劑回收系統(tǒng)的合理配置及改進(jìn)[4]，只有文獻(xiàn)[5]記載了沈222井在鉆井液零排放工藝實(shí)踐中分離產(chǎn)物的固相成分組成，但沒有提出關(guān)于固相成分的分析計(jì)算方法。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中如果能夠明確離心機(jī)分離產(chǎn)物，尤其是底流物中各種固相的組成，對(duì)于合理使用離心機(jī)，提高固控系統(tǒng)工作效率具有重要意義。

2 離心機(jī)分離產(chǎn)物分析計(jì)算方法

離心機(jī)分離產(chǎn)物有底流和溢流之分，對(duì)于非加重體系，底流產(chǎn)物屬于無(wú)用固相，環(huán)境達(dá)標(biāo)時(shí)可以直接排放；對(duì)于加重體系，由于底流分離物中含有大量的加重材料，漿體密度越高，底流分離物中的加重材料數(shù)量也越多，這種情況必須要明確分離物中高低2種固相的數(shù)量，以便現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員確定是否啟用加重劑回收系統(tǒng)。通常情況下，鉆井液體系的固相組成不外以下幾種：①商業(yè)膨潤(rùn)土；②鉆屑；③加重材料；④人工添加的功能性材料；⑤可溶性鹽類。其中人工添加功能性材料中的非水/油溶性部分，由于其數(shù)量較少，密度相對(duì)較低，固控過(guò)程中會(huì)和低密度固相一并分離。因此，明確離心機(jī)底流分離物中加重劑含量對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)合理制定固控技術(shù)方案，降低鉆井液維護(hù)費(fèi)用具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 固相成分分析

2.1.1 底流（或溢流）固相含。

采用ZNG-A型固相含量測(cè)定儀測(cè)定離心機(jī)分離物固相含量，計(jì)算方法如下[6]。

1）低密度固相體積分?jǐn)?shù)VL。

2）高密度固相體積分?jǐn)?shù)VH

3）分離固相含鹽量校正。當(dāng)鉆井液液相[Cl-]≥10 000 mg/L時(shí)，鹽體積對(duì)總固相體積分?jǐn)?shù)的影響即不容忽視，必須要進(jìn)行含鹽量校正，計(jì)算方法如下。

①含有可溶性鹽的液相密度：ρw=ρ水（1+1.94×10-6×[Cl-]0.95）

②含有可溶性鹽液相的體積分?jǐn)?shù)：Vw=V水（1 +5.88×10-8×[Cl-]1.2）

式中，ρH為加重材料密度，可按4.2 g·cm-3計(jì)；ρL為低密度固相密度，以2.65 g ·cm-3計(jì)； ρo為油密度，一般取0.84 g·cm-3； Vo為ZNG-A型固含儀測(cè)得的油體積分?jǐn)?shù)；V水為采用ZNG-A型固含儀測(cè)得的水體積分?jǐn)?shù)；ρm為離心機(jī)分離產(chǎn)物密度， g·cm-3；Vs為采用ZNG-A型固含儀測(cè)得的離心機(jī)分離產(chǎn)物固相分?jǐn)?shù)。

2.1.2 底流物密度的測(cè)定

測(cè)定底流物密度時(shí)，應(yīng)注意以下2點(diǎn)。①由于底流分離物固相含量很高，多呈黏稠膏狀體，在裝入密度計(jì)漿杯時(shí)，應(yīng)不斷振蕩杯體，以便排除夾裹于膏狀固相中的空氣，使得底流物充分填滿杯內(nèi)腔，這樣測(cè)定出來(lái)的底流物密度才盡可能準(zhǔn)確；②采用ZNG-A測(cè)定底流物固相含量時(shí)，底流物裝入加熱杯時(shí)應(yīng)做同樣處理，否則得不到準(zhǔn)確的固相含量分?jǐn)?shù)。如果底流物密度和底流物固相分?jǐn)?shù)測(cè)定值存在誤差，將會(huì)對(duì)最終分析與計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大影響，甚至導(dǎo)致分析與計(jì)算過(guò)程失敗。

2.2 低密度固相各組分分析及相關(guān)參數(shù)

當(dāng)?shù)琢鞣蛛x物中高密度和低密度2種固相明確以后，還應(yīng)進(jìn)一步明確底流分離物中膨潤(rùn)土的含量，以便定性判斷分離產(chǎn)物是否可以作為加重材料直接進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)再利用。如果分離產(chǎn)物中低密度固相含量較高，直接作為加重劑使用會(huì)導(dǎo)致鉆井液體系中劣質(zhì)固相積累和過(guò)度分散，當(dāng)顆粒粒徑破碎至5 μm以下時(shí)，即便使用高速離心機(jī)也難以有效清除[7]，而活性固相（蒙脫石類黏土礦物）的存在會(huì)極大地提高加重材料的黏度效應(yīng)。目前技術(shù)條件下，確定低密度固相中膨潤(rùn)土含量的方法仍以亞甲基藍(lán)吸附法為主，研究表明由這種方法得到的膨潤(rùn)土含量會(huì)因鉆井液添加劑以及現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)環(huán)節(jié)而有差異[8]。但就現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)實(shí)踐看，由該法得到的膨潤(rùn)土含量對(duì)合理調(diào)節(jié)鉆井液體系中膨潤(rùn)土含量仍具有較好的指導(dǎo)意義，故這里仍以亞甲基藍(lán)吸附法為主確定底流分離物中的活性土含量。

1）底流分離物中的活性土含量測(cè)定操作方法。將干燥后的底流物粉碎過(guò)孔徑為0.154 mm的篩子，將過(guò)孔徑為0.154 mm篩子的樣品配制成100 g/L懸浮液，于8000 r·min-1下攪拌分散15～20 min，之后按照“GB/T 16783.1—2006 水基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試程序”中相應(yīng)程序測(cè)定CB值。注意在執(zhí)行“GB/T 16783.1—2006”時(shí)，應(yīng)在保證懸浮液濃度均勻的情況下進(jìn)行，建議采用磁力攪拌機(jī)保持懸浮液處于穩(wěn)定的分散狀態(tài)，這樣可使吸取部分與懸浮液平均濃度一致，確保測(cè)定結(jié)果的客觀準(zhǔn)確。

2）濕底流（新鮮底流產(chǎn)物）分離物中的活性土含量的計(jì)算。

CB濕底流=ρ底流/c100×CB×1000

當(dāng)鉆井液含鹽量較高，需要對(duì)含鹽量進(jìn)行校正，此時(shí)上式可以修正為：

CB濕底流=ρ底流/(（1-ΔV）×c100)×CB×1000

式中：CB濕底流—離心機(jī)新鮮（濕）底流物中的活性土含量（亞甲基藍(lán)當(dāng)量值）；ρ底流為離心機(jī)底流密度，g·cm-3；c100為懸浮液濃度，為了方便數(shù)據(jù)處理，此處統(tǒng)一采用100 g/L；ΔV=VW－V水，其中VW為漿體中含鹽液相體積分?jǐn)?shù)，V水為采用蒸餾法測(cè)得的水體積分?jǐn)?shù)；CB為懸浮液的亞甲基藍(lán)膨潤(rùn)土含量。

3）純底流產(chǎn)物中活性土含量換算。確定了濕底流產(chǎn)物中活性土含量以后，即可換算得到純底流（干燥底流）產(chǎn)物中的膨潤(rùn)土當(dāng)量。

CB干底流=CB濕底流/（ρ底流×SFS）

式中：SFS為經(jīng)含鹽量校正后的總固相體積分?jǐn)?shù)。

明確了干燥底流產(chǎn)物中膨潤(rùn)土含量后，即可定性判斷底流產(chǎn)物作為加重材料再利用時(shí)可能具有的黏度效應(yīng)。根據(jù)來(lái)自國(guó)內(nèi)不同地區(qū)鉆井現(xiàn)場(chǎng)離心機(jī)底流產(chǎn)物的固相分析數(shù)據(jù)，干燥底流物中的膨潤(rùn)土當(dāng)量多在20～50 g·kg-1，而密度為4.28 g·cm-3重晶石的膨潤(rùn)土當(dāng)量背景值為0.74 g·kg-1[9]，這表明，來(lái)自離心機(jī)底流的高密度固相仍混有比符合“GB/T 5005—2010”標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)重晶石高出數(shù)十倍的低密度固相。考慮到水化分散程度較低的惰性固相（劣質(zhì)固相）亞甲基藍(lán)吸附量很低，底流產(chǎn)物中低密度固相的含量可能會(huì)達(dá)到100 g·kg-1左右，只是由于現(xiàn)場(chǎng)不斷地對(duì)體系進(jìn)行性能維護(hù)，加之鉆井過(guò)程中加重材料的損耗，使重晶石保持著一定的更新速率，抵消了這種情況所導(dǎo)致的黏度效應(yīng)。此外，直接將密度接近商業(yè)重晶石的離心機(jī)底流作為加重料循環(huán)使用，可以節(jié)約大量的加重劑費(fèi)用，因此加重劑循環(huán)再利用技術(shù)被現(xiàn)場(chǎng)廣泛采用，但這種過(guò)程最終會(huì)使?jié){體中粒徑均為1 μm的超細(xì)顆粒數(shù)量不斷增多，導(dǎo)致漿體在高溫環(huán)境下呈現(xiàn)“膠凝效應(yīng)”，增大了維護(hù)處理成本。例如我國(guó)西南地區(qū)正在施工的特深井川深1井在8420 m深度時(shí)取樣對(duì)鉆井液進(jìn)行參數(shù)分析，粒度測(cè)試表明，井漿中的固相粒子以0.2～20 μm分布為主，且0.2～10 μm分布占比超過(guò)80%；井漿在模擬井底溫度條件下長(zhǎng)時(shí)間靜置陳化后失去流動(dòng)性，呈凝膠態(tài)，固相分析表明，井漿中SH∶SL=0.8∶1。對(duì)于高密度鉆井液，正常情況下SH∶SL≥4∶1，很高的低密度固含和積累的粒徑分散效應(yīng)，是導(dǎo)致漿體高溫稠化的重要原因。可以想象在高壓差作用下，這種效應(yīng)會(huì)變得更加顯著。

4）底流干固相密度計(jì)算。

ρ底流干固相=W灼燒殘?jiān)?（V漿×S）

式中：灼燒殘?jiān)鼮闇y(cè)定底流物固相含量得到的灼燒殘?jiān)亓浚琯；V漿為測(cè)定底流物固含時(shí)的取用漿體數(shù)量，統(tǒng)一計(jì)為20 mL；S為離心機(jī)底流物固相分?jǐn)?shù)。

在測(cè)定固相含量時(shí)，可溶性鹽無(wú)法自底流物中分離出去，所以測(cè)定漿體固相含量時(shí)得到的燒結(jié)干燥物中包含可溶性鹽，故此處的底流物固相分?jǐn)?shù)為非含鹽量校正數(shù)值，經(jīng)含鹽量校正后得到的底流干固相密度應(yīng)比采用上式得到的數(shù)值高一些。

在來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)中，底流干固相密度最高為4.18 g·cm-3，考慮到含鹽量因素，實(shí)際數(shù)值應(yīng)該達(dá)到或超過(guò)了4.2 g·cm-3，符合“GB/T 5005—2010”標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)商業(yè)重晶石密度值（見表1），其余大多數(shù)的底流干固相密度值落在3.4～3.9 g·cm-3，導(dǎo)致這種情況的原因主要有如下幾點(diǎn)：①取樣點(diǎn)附近漿體的固相成分分布；②取樣時(shí)加重材料分布的均勻程度；③取樣點(diǎn)漿體對(duì)應(yīng)井底時(shí)刻的機(jī)械鉆速；④離心機(jī)性能及其參數(shù)的控制水平。前3個(gè)因素與現(xiàn)場(chǎng)工藝及條件有關(guān)，第4個(gè)因素屬于設(shè)備機(jī)械性能的影響，研究表明，離心機(jī)運(yùn)行時(shí)的技術(shù)參數(shù)例如轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、處理量對(duì)分離產(chǎn)物的粒度和分離效率影響顯著③。底流干固相密度直觀的顯示了底流分離產(chǎn)物的商業(yè)化利用價(jià)值，底流干固相密度越高，分離產(chǎn)物中低密度劣質(zhì)固相含量越低，當(dāng)?shù)琢鞲晒滔嗝芏冗_(dá)到商業(yè)加重劑標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可考慮直接作為加重劑使用。

2.3 來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的固相數(shù)據(jù)分析

收集了國(guó)內(nèi)新疆、 四川二地區(qū)的離心機(jī)底流產(chǎn)物并進(jìn)行了固相成分分析，見表1。

表1 來(lái)自鉆井現(xiàn)場(chǎng)的離心機(jī)分離產(chǎn)物固相組成數(shù)據(jù)

關(guān)于離心機(jī)分離產(chǎn)物組分的數(shù)學(xué)分析，文獻(xiàn)[5]中給出了經(jīng)離心機(jī)凈化處理后比較完整的一組鉆井液固相組分分析數(shù)據(jù)，該組數(shù)據(jù)與筆者得到的永勝1井2723 m深度點(diǎn)時(shí)，來(lái)自離心機(jī)的鉆井液溢流樣品的固相分析數(shù)據(jù)高度吻合，見表2。

表2 沈222井與永勝1井鉆井液固相數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2可知，對(duì)于較低密度的漿液，離心機(jī)分離效率差異不大，隨著密度升高，離心機(jī)分離效率會(huì)呈現(xiàn)較大差異，這主要和離心機(jī)的固相分離點(diǎn)有關(guān)，由于固相分離點(diǎn)會(huì)受到多種因素如漿液密度、黏度、固相粒徑分布、高密度固相含量、離心機(jī)處理量（進(jìn)料量）、低密度固相進(jìn)入漿液的速率等的影響，離心機(jī)分離效率也會(huì)不斷變化。

不同井井下流體固相中各種固相成分的比例見表3。由表3可知，分離固相中各類固相含量的變化很大，以高密度固相為例，底流分離物中SH最高可以達(dá)92.9%，最低僅有27.2%，反映了離心機(jī)分離效率的差異。由于鉆井液工藝的復(fù)雜性，實(shí)際操作中基本上無(wú)法保持離心機(jī)分離效率始終處于理想?yún)^(qū)域，這就要求離心機(jī)工作參數(shù)的適應(yīng)范圍盡可能寬，以彌補(bǔ)由于現(xiàn)場(chǎng)工藝過(guò)程的不斷變化對(duì)離心機(jī)分離效率造成的影響。這種需求的實(shí)現(xiàn)還有賴于在機(jī)械設(shè)計(jì)的革新和控制系統(tǒng)方面的技術(shù)進(jìn)步。

表3 不同井井下流體固相中各種固相成分比例（體積分?jǐn)?shù)）

圖1為離心機(jī)分離產(chǎn)物與標(biāo)準(zhǔn)重晶石粒徑分布對(duì)比。

圖1 離心機(jī)分離產(chǎn)物與標(biāo)準(zhǔn)重晶石粒徑分布對(duì)比

離心機(jī)底流產(chǎn)物粒徑分布與鉆井液密度密切相關(guān)，加重程度較低的鉆井液，分離固相粒徑分布基本上反映了劣質(zhì)固相（鉆屑）的分散程度，例如使用常規(guī)密度鉆井液施工的龍遂17D-4井的離心機(jī)，底流主要以10～60 μm粒徑的顆粒為主，而同時(shí)獲取的溢流產(chǎn)物其粒徑分布則以5～10 μm為主（溢流密度為1.17 g·cm-3）。對(duì)于密度大于1.50 g·cm-3的體系，底流產(chǎn)物粒徑分布曲線的形狀和標(biāo)準(zhǔn)重晶石幾乎相同，鉆井液密度越高，2者的接近程度也越高，這是因?yàn)殡S著漿液中加重劑含量的增多，底流產(chǎn)物中的高密度固相數(shù)量也會(huì)成倍增多，粒徑分布狀態(tài)肯定以數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的重晶石類固相為主。如川深1井密度為2.15 g·cm-3鉆井液的底流粒徑分布和標(biāo)準(zhǔn)重晶石差不多完全一致。可見，由離心機(jī)底流粒徑分布圖也可定性判斷離心機(jī)分離效率的變化情況，但最準(zhǔn)確的做法還是對(duì)底流產(chǎn)物進(jìn)行固相成分分析，根據(jù)底流中各類固相的數(shù)量調(diào)整離心機(jī)使用方案。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1.由于鉆井液密度、流動(dòng)性和體系的鉆屑數(shù)量等因素不斷變化，離心機(jī)系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)進(jìn)料參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整工作狀態(tài)，導(dǎo)致無(wú)法有效提高劣質(zhì)固相分離效率。

2.進(jìn)料參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致無(wú)法有效調(diào)節(jié)離心機(jī)固相分離點(diǎn)至較理想范圍，當(dāng)進(jìn)料參數(shù)的變化偏離離心裝置的理想分離區(qū)域時(shí)，分離效率下降，分離產(chǎn)物中低密度固相增多。

3.離心機(jī)分離效率與轉(zhuǎn)速和進(jìn)料量密切相關(guān)，由于以上2方面的原因，需根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整工作參數(shù)，目前的離心機(jī)系統(tǒng)基本不具備這種能力。

3.2 建議

1.離心機(jī)生產(chǎn)商和現(xiàn)場(chǎng)鉆井液工程師結(jié)合，就某一選定井段進(jìn)行系統(tǒng)的固相分析操作，機(jī)械工程師根據(jù)鉆井液工程師提供的底流/溢流固相分析參數(shù)判斷離心機(jī)動(dòng)態(tài)分離點(diǎn)的變化規(guī)律，以便為離心機(jī)技術(shù)參數(shù)的改進(jìn)和提高積累數(shù)據(jù)。

2.固相分析操作應(yīng)當(dāng)保持連續(xù)，因?yàn)橐粋€(gè)井段的鉆井施工中，鉆井液工藝參數(shù)會(huì)有很多變化，只有連續(xù)操作，獲得的數(shù)據(jù)才更有參考性，對(duì)于摸清離心機(jī)分離規(guī)律的變化至關(guān)重要。

3.用于數(shù)據(jù)采集的井段盡可能選擇密度連續(xù)變化（上升或下降）的井段，這樣積累起來(lái)的數(shù)據(jù)可綜合鉆井施工、鉆井液性能、離心機(jī)運(yùn)行參數(shù)等幾方面的信息，能幫助機(jī)械工程師更好的分析離心機(jī)動(dòng)態(tài)分離點(diǎn)和鉆井施工及鉆井液性能之間的關(guān)系。