鉆井液負壓過濾裝置篩網(wǎng)運移速度研究

焦金剛，楊向前，郭華(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引言

在石油勘探開發(fā)中，振動篩作為最重要的固控裝置應用廣泛，但其缺點非常明顯：效率低、噪音大、有害氣體彌漫[1-2]。近些年來，帶式負壓過濾裝置的應用，對鉆井液的固控處理提供了環(huán)保、清潔的新方向[3-4]。帶式真空過濾機是將篩網(wǎng)固定在傳動軸上轉(zhuǎn)動，通過負壓提高篩網(wǎng)的過濾效率，并抽走有害氣體，分離出的固相隨著篩網(wǎng)轉(zhuǎn)動運移走[5-6]。帶有固相的篩網(wǎng)運移出過濾區(qū)域后，可通過水刀、氣刀等方式進行清潔后，在機器中循環(huán)返回到過濾區(qū)域。

在負壓的影響下，篩網(wǎng)的過濾效率將發(fā)生變化，篩網(wǎng)運移速度如何設置才能提高帶式真空過濾機整體過濾效率是所關(guān)注的焦點。本文通過室內(nèi)實驗研究，對不同目數(shù)的篩網(wǎng)過濾效率進行分析，并通過篩網(wǎng)轉(zhuǎn)移速度模型，研究了鉆井液在篩網(wǎng)上形成濾餅且影響過濾效率時，有效地將篩網(wǎng)移開需多大的運移速度，對設計負壓過濾裝置有參考意義。

1 篩網(wǎng)過濾分析

1.1 過濾效率計算模型

鉆井液過濾時，在一定的負壓下，經(jīng)篩網(wǎng)后濾液排下至濾瓶，而固相則被截留在篩網(wǎng)上形成濾餅。這個過程可以看作恒定負壓下的過濾，其過濾效率公式[7]為：

式中：θ為過濾時間(s)；q為鉆井液處理能力(m3/s)；qe為篩網(wǎng)當量的過濾介質(zhì)阻力(m3/s)；K為過濾常數(shù)，無量綱。

根據(jù)帶式真空過濾機的鉆井液處理能力，其過濾量與時間、篩網(wǎng)及過濾效率的關(guān)系方程可表示為：

式中：t為單位時間(s)；q為鉆井液處理能力(m3/s)；B為篩網(wǎng)有效寬度(m)；h為濾餅的平均厚度(m)；δ為濾餅密度(kg/m3)；V為篩網(wǎng)運移速度(m/s)；W為濾餅的含水率，無量綱。

由公式(1)可以求得過濾量與過濾效率的關(guān)系，而公式(2)則可以根據(jù)篩網(wǎng)的尺寸、過濾量、濾參數(shù)等，求得篩網(wǎng)的運移速度。

1.2 室內(nèi)實驗裝置及方案

根據(jù)負壓過濾裝置的基本原理，設計實驗方案，通過室內(nèi)實驗，可以測得過濾常數(shù)K、篩網(wǎng)當量的過濾介質(zhì)阻力qe，進而分析過濾效率與過濾量。在泥漿實驗室，選用真空負壓泵、緩沖杯、量杯、過濾漏斗、篩網(wǎng)等組成負壓過濾實驗裝置，如圖1。

圖1 篩網(wǎng)過濾效率實驗裝置

具體負壓過濾室內(nèi)實驗步驟設計如下：

(1)配制渤海地區(qū)常見的鉆井液體系，配制完成后加入不同比例的巖屑，配制不同含屑量的鉆井液，攪拌均勻。

(2)利用漏斗控制鉆井液的流量，并通過調(diào)節(jié)真空負壓泵，將抽真空的壓力傳感器的指示值維持在負壓0.02 MPa范圍，在此條件下進行含巖屑的鉆井液過濾作業(yè)。

(3)通過秒表在鉆井液通過篩網(wǎng)過濾的過程中，在不同的時間，記錄不同的濾液量。

(4)當鉆井液通過篩網(wǎng)開始過濾時，便開始計時，并記錄計量瓶上的數(shù)據(jù)；當篩網(wǎng)下不再有連續(xù)的濾液進入計量瓶，則認為濾餅嚴重影響了過濾效率，結(jié)束一組實驗。

2 過濾實驗數(shù)據(jù)分析

在現(xiàn)場作業(yè)中，通常鉆井液的巖屑含量在5%以下，極端情況下，巖屑含量會在20%以上。為了在篩網(wǎng)過濾實驗中，對鉆井液中巖屑含量與過濾效率進行分析，將分別以20%、5%、2%的巖屑含量配制鉆井液。

篩網(wǎng)的目數(shù)直接影響鉆井液過濾后的固相含量，目數(shù)越大，過濾后的鉆井液中固相越少。現(xiàn)場作業(yè)通常采用120目以下的篩網(wǎng)，能滿足絕大部分情況下的鉆井液過濾后的效果。為了更好地研究篩網(wǎng)目數(shù)對負壓過濾裝置過濾效率的影響，選取了40目、80目、120目、170目、200目分別進行過濾實驗。目數(shù)越大，也意味著篩網(wǎng)易堵塞，若篩網(wǎng)運移不及時，則裝置的整體效率將降低。

具體的結(jié)果及實驗數(shù)據(jù)如下：

(1)鉆井液含有20%的巖屑。本組實驗過程中，由于鉆井液中含有大量的巖屑，固相沉積非常快，整體的過濾性能較差，即使是40目的篩網(wǎng)，也會很快形成濾餅，篩網(wǎng)下隨即不再有連續(xù)的濾液，整體的過濾效果不佳，按照實驗方案制定標準的實驗結(jié)束，不能采集有效的數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果和現(xiàn)場實際情況相符，當鉆井液含有大量巖屑時，通常需要非常大地振動，才能提高過濾效率，但過濾效果依然不佳。

(2)鉆井液含有5%、2%巖屑。對于含有5%或2%巖屑的鉆井液，40目篩網(wǎng)由于網(wǎng)眼大，阻礙小，鉆井液通過速度快，部分細小的固相隨之通過篩網(wǎng)，濾餅的沉積過程長，篩網(wǎng)可以長時間的使用。也就是說，對于含屑量5%或2%的鉆井液，負壓過濾裝置可以長時間使用40目的篩網(wǎng)，無需過多的注意運移走篩網(wǎng)。

當鉆井液通過80目，120目的篩網(wǎng)時，濾餅逐漸形成，濾液由連續(xù)大量濾下到斷斷續(xù)續(xù)滴下，在30～60 s之間。根據(jù)記錄到的實驗數(shù)據(jù)，分析篩網(wǎng)的過濾常數(shù)關(guān)系，如圖2和圖3所示。

而鉆井液通過170目數(shù)以上的篩網(wǎng)時，由于網(wǎng)眼過小，細小的固相將很快堵塞網(wǎng)眼，導致鉆井液通過篩網(wǎng)困難。

圖2 含5%巖屑鉆井液篩網(wǎng)網(wǎng)過濾常數(shù)關(guān)系曲線

圖3 含2%巖屑鉆井液篩網(wǎng)過濾常數(shù)關(guān)系曲線

(3)篩網(wǎng)運移速度分析。根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)分析，可以求得不同巖屑含量鉆井液通過不同目數(shù)篩網(wǎng)時的過濾常數(shù)，結(jié)合公式(1)和(2)，按照負壓過濾裝置180方每小時的處理量，對有利于負壓過濾裝置過濾效率的篩網(wǎng)運移速度進行了計算分析，結(jié)果見表1。

表1 篩網(wǎng)的運移速度 單位：m/s

可以看出，負壓過濾裝置中篩網(wǎng)的運移速度與鉆井液中巖屑的含量、篩網(wǎng)的目數(shù)都有關(guān)系。篩網(wǎng)目數(shù)越大，鉆井液中巖屑含量越小，篩網(wǎng)運移速度可以設計的越慢。反之，篩網(wǎng)的運移速度需設計的越快，將篩網(wǎng)上形成的、影響過濾效率的濾餅及時運移走。

4 結(jié)語

(1)鉆井液中的巖屑含量對篩網(wǎng)過濾效率影響較大：在20%巖屑含量下，即使實驗中網(wǎng)眼最大的40目篩網(wǎng)，網(wǎng)面上也會快速的形成濾餅，堵塞篩網(wǎng)網(wǎng)眼，嚴重影響過濾效率。

(2)篩網(wǎng)的目數(shù)不但影響過濾后鉆井液中的固相含量，也是影響負壓過濾裝置中篩網(wǎng)運移速度的主要因素。目數(shù)越大，濾餅形成速度加快，需設計較快的篩網(wǎng)運移速度。

(3)當鉆井液中巖屑含量較小，且篩網(wǎng)目數(shù)較小時，篩網(wǎng)的運移速度可以設計的比較慢；巖屑含量越大，目數(shù)越大，篩網(wǎng)的運移速度需要設計的越快。根據(jù)鉆井液中巖屑含量和篩網(wǎng)目數(shù)，設置有效的篩網(wǎng)運移速度，才能及時運走篩網(wǎng)上形成的濾餅，才能提高帶式真空過濾裝置的整體過濾效率。