基于復雜鉆井作業中的固控系統優化

廉曉龍

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

鉆井固控系統是鉆井快速鉆井和保護油氣層的關鍵，是實現自動化鉆井的重要環節。固控系統主要包括振動篩、除氣除砂器、離心機等設備。隨著鉆井的深度的增加，鉆井的難度越來越大，鉆井遇到的地層和地質情況也越來越復雜，也出現了一些新的開采技術和工藝，同時對鉆井的固控系統也要求越來越高[1]。目前我國固控系統存在篩分效果不好、易損件壽命較短、系統可靠性不高、鉆井液凈化效果低、系統較為復雜、設備費用高等問題[2]，固控系統中固相顆粒對鉆井液的物理性能有明顯影響，隨著鉆井液固含量的增加，鉆速會隨之下降，如果要提高鉆井的速度，必須提高鉆井固控系統的性能，降低固含量。在鉆井用戶個性化需求日益增多的情況下，對固控系統的要求也轉為個性化、多樣化，既要求無污染，也要求能提高經濟效益。

國外對固控系統研究起步較早，部分廠家可以根據計算結果進行調整固控流程，進而鉆井液的修正處理，將固控系統轉為綜合自動化控制系統。國外有代表意義的公司有英國的Thomas Broadbent son 公司的多臺雙層雙聯直線振動篩構成的固控系統，美國SWACO 公司的FPS 密封固控系統，挪威GM公司推出的多臺振動篩固控系統，可以實現75 μm 以上的顆粒去除。美國Derrick 公司推出的超細目直線振動篩可以使系統進一步簡化，形成兩級進化系統，提高了可靠性[3-4]。國內的固控系統在國外技術的基礎上進行改良，以適應各個油田的地質情況。江漢機械所研制了NJ2P 型固控系統，在65B 鉆機上使用，寶雞石油機械有限公司的ZJ32A 型固控系統處理能力可達20 m3/h。國內外的固控系統發展趨勢是以提高凈化裝置的性能，簡化系統結構，降低設備能耗，采取兩級固控系統代替多級固控。

1 復雜鉆井固控系統

直井是鉆井作業施工中最簡單的情況，定向和水平井是屬于較為復雜的鉆井作業情況。水平井需要開挖直井段、斜井段、水平井段，井段相互吻合才能形成合適的井道，才能滿足施工要求[5]。鉆井作業中的固控系統是為了實現鉆井液的固液分離，使鉆井液能循環利用，是鉆井施工的凈化系統，目前復雜鉆井采用的是四級固控系統，一級固控振動篩用于去除大顆粒，通過振動篩出去鉆井液中的砂石和鉆屑，液體進入二級固控，目的是除去砂子等粒度在50 μm 的顆粒。三級固控是除去粒度在（8～40）μm 的泥土顆粒，四級固控是用離心機去除（2～8）μm 的較小的顆粒，完成液體的凈化。

鉆井液固控系統流程如圖1 所示，從中可以看出，復雜鉆井出來的泥漿首先進過振動篩，再進入沉砂倉除砂，經過泥漿槽后進入除氣倉，經過多次除砂后，進入離心機倉，最后將凈化后的鉆井液送至井口。

圖1 鉆井液固控系統流程

復雜鉆井液中的固相清除的方法主要有稀釋、沉淀、替換鉆井液、化學—機械分離等步驟。固相控制設備主要有振動篩、旋流分離器和離心分離機等，振動篩是固控系統中第一臺分離設備，具有分離快、效率高的特點，是其他固控設備的前提，振動篩的性能取決于振動形式、振動功率和篩網參數的選擇。振動形式有圓周式、橢圓時和直線式，振動篩的振動幅度越大，振動效果越好，除砂的能力越強，但是幅度過大會對振動篩的壽命造成影響，通常直線式運動的加速度是重力加速度的3～4 倍，圓周式運動是重力加速度的4～6 倍。

旋流分離器是由溢流管和底流口組成的錐形容器，液體收到向下的推力和重力的作用下，液體成螺旋運動。液體的切向速度越大，使旋流器的離心力也越大，使液體發生破裂，形成空氣核。垂直速度是液體在旋流器中停留時間的關鍵因素。旋流分離器的處理能力可從進液和出液兩方面評價，旋流分離器的除砂直徑為（40～200）μm，除泥的顆粒直徑則更小。

2 復雜鉆井系統存在的問題

由于負責鉆井系統中的循環罐設計不合理，會造成鉆井液的攪拌系統的管線路徑不合理，線路上彎頭過多，管線中液體流動受到的阻力大，造成流量降低，影響鉆井液的正常循環。鉆井液的固控設備電機與系統不匹配，電機耗能過高，固控設備老化，導致系統的效率低，造成固相控制的穩定差。

3 復雜鉆井系統的優化

設計采用除砂除泥一體機，降低除泥砂的級數，簡化系統結構，同時滿足復雜鉆井作業的施工要求。使用鉆井液除砂除泥一體化設備，減少了處理設備的數量，提高了系統的運行效率，維修養護起來也簡便，優化選擇振動性能強的振動篩，提升系統的凈化能力。

對于固控系統中管線設計的問題，選擇合理的管線走向，簡化連接管線，降低管線的阻力，提高泵的效率，也避免了管線損壞，從而滿足了復雜鉆井施工技術要求，避免了管線與罐底的沉淀物增多。

提高固控系統的可靠性，對可靠性進行優化，可以提高系統的使用壽命，提高系統的正常工作時間，系統的可靠性的基本特征是由可靠度、累積分布函數、故障率、平均壽命等構成，采用計算機輔助故障樹分析系統CAFTA 軟件對固控系統進行可靠性的分析，可提高固控系統的使用壽命。CAFTA 以故障樹為分析模型，建立故障樹的模型，進行可靠性的模擬參數設定，然后通過事件失效數據分析，計算出失效分布的參數，對分布參數進行擬合，得到置信區間對應的可靠度，通過可靠度的計算，可以優化復雜鉆井作業固控系統。

4 結束語

通過對復雜鉆井作業固控系統的介紹，分析不同情況下存在的問題，設計采用除砂除泥一體機，降低除泥砂的級數，簡化系統結構，選擇合理的管線的走向，簡化連接管線，降低管線的阻力，提高泵的效率，通過可靠度的計算，可以優化復雜鉆井作業固控系統。