滾動負壓篩在國內油氣鉆井中的試驗與應用

摘要：傳統(tǒng)鉆井振動篩在常壓下依靠振動產生5～6g的拋擲力將鉆屑從鉆井液中篩分出來，鉆屑含液率高，固廢量大。滾動負壓篩是一種基于帶式真空過濾原理與微振動復合作用的鉆井液固液分離裝置，其鉆井液的透篩主要依靠真空作用，鉆屑含液率低，鉆井液回收率高，固廢產生量少。2014年以來，國內陸續(xù)引進部分滾動負壓篩，在海洋鉆井固廢減量和陸地鉆井鉆屑減量中進行了試驗和小范圍的應用，但相關的試驗和應用報道較少。對滾動負壓篩在國內陸地鉆井中進行了應用和對比試驗，試驗結果表明，滾動負壓篩排出鉆屑的體積含液率可降低到35%以下，油基泥漿時，每米進尺泥漿消耗量和固廢實際產生量比傳統(tǒng)振動篩可分別降低32.25%和 51.63%，分離出的鉆井液含砂量和有害固相降低，提升了鉆井液的性能。滾動負壓篩的應用具有較好的經濟效益和環(huán)保效益，但一次性設備投入成本較高，可能影響其大面積的推廣應用。

關鍵詞：固控技術;滾動負壓篩;鉆屑含液率;固廢減量;經濟性

中圖分類號：TE926" " " " "文獻標志碼：A" " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.04.010

Testing and Application of Rolling Negative Pressure Screen in Domestic Oil and Gas Drilling

DAI Feng1，F(xiàn)U Dong2，CAO Shiping1，HOU Yongjun3，WU Yingze4，LIU Youping5，MENG Jun6

（1.Sichuan Changning Gas Development Company，Chengdu 610051，China ;2. Development Division，PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company，Chengdu，610021，China;3. School of Mechanical and Electrical Engineering， Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China;4. BOMCO Sichuan Petroleum Drill Bit Co.， Ltd.，Chengdu 610051，China;BOMCO Sichuan Special Vehicle Co.，Ltd.，Guanghan 618300，China;

6.Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Chengdu 610051，China）

Abstract： Traditional shale shakers rely on vibration to generate a throwing force of 5-6g under normal pressure to separate cuttings from drilling fluid，resulting in a high liquid content of cuttings and a large amount of solid waste. Rolling negative pressure screen is a drilling fluid solid-liquid separation device based on the principle of belt vacuum filtration and micro-vibration composite action. The screening of drilling fluid is mainly based on vacuum action， resulting in low content of drilling cuttings，high recovery rate of drilling fluid and low generation of solid waste. Since 2014，some rolling negative pressure screens have been introduced in China and have been tested and applied on a small scale to reduce solid waste in offshore drilling and drilling cuttings in onshore drilling. However，there are relatively few reports on relevant tests and applications. In this article， application and comparative experiments were conducted on the rolling vacuum screen in domestic land drilling. The experimental results showed that the volume liquid content of the cuttings discharged by the rolling negative pressure screen can be reduced to less than 35%. When oil-based mud is used，the consumption of mud per meter and the actual production of solid waste can be reduced by 32.25% and 51.63%，respectively，compared with the conventional vibrating screen. The sand content and harmful solid phase of the separated drilling mud are reduced，and the performance of the drilling mud is improved. The application of rolling negative pressure screen has good economic and environmental benefits，but the investment cost of disposable equipment is relatively high，which may affect its large-scale promotion and application.

Key words： solid control technology;rolling negative pressure screen;liquid content of drilling cuttings; solid waste reduction;cost-effective

鉆井作業(yè)是實現(xiàn)油氣勘探開發(fā)目標的重要手段，但其產生大量廢棄物則是油氣田的主要污染源。多年來，針對鉆井廢棄物的污染防治，相關單位或部門做了大量富有成效的工作， 但隨著新環(huán)保法規(guī)與標準實施，其隱患依然突出。在鉆井作業(yè)過程中，采用的傳統(tǒng)方式為鉆井液從井底返回地面后，通過振動篩、除砂器、除泥器、離心機和泥漿不落地系統(tǒng)等設備完成井底帶回的巖屑分離，分離出的巖屑含液率高，產生了大量固廢。該過程井底返回的有害氣體直接排放在空氣中，對環(huán)境也會產生影響。

鉆井產生的廢巖屑、廢泥漿與廢水等鉆井廢棄物具有分散、點多面廣、排放間歇、類別多樣、組成復雜、污染物濃度高等特點，處理難度大。鉆井廢棄物總量大、風險高，國家新法環(huán)保要求日益嚴格，鉆井廢棄物無害化處理及資源化利用迫切需要技術升級，以促進鉆井作業(yè)依法合規(guī)建設，提升鉆井環(huán)保風險防控能力。在鉆井過程中，采用新型技術設備對固控工藝進行改進，減少固廢產生量，是實現(xiàn)鉆井生產節(jié)能降耗、低碳排放重要的技術路線。

傳統(tǒng)固控系統(tǒng)包含振動篩、除氣器、除砂除泥器、離心機等設備，傳統(tǒng)固控系統(tǒng)排出的固廢含液率很高，水基泥漿固廢的含液率在50%～80%，油基15%～30%（體積比）以上。通常，為減少鉆屑排放，部分鉆機在固控系統(tǒng)后配置有泥漿不落地系統(tǒng)，包括甩干機、離心機、儲存罐、螺桿泵和傳送帶等設備。可以看出，整個固控和泥漿不落地系統(tǒng)的設備多、能耗高、操作人員需求大，雖然減少了固廢排放，但并沒有實現(xiàn)節(jié)能和低碳生產的目的。

上個世紀80年代，美國Ramteck 公司[1]研制成的MAX鉆井液一步過濾系統(tǒng)，把帶式真空過濾原理首次應用于鉆井液的固相控制，其全長6.8 m、寬1.96 m、高3.4 m，質量達到10 t，功率達103 kW（140 hp），尺寸大、笨重且功耗高，結構復雜，環(huán)形結構的過濾帶和泄流帶安裝麻煩，難以適應鉆井工藝的需求。90年代末，Dehn Courtney[2]改進了帶式真空過濾系統(tǒng)的復雜結構，將其環(huán)形過濾帶改為長節(jié)距的鏈條驅動的濾網，取消了泄流帶，并在煤炭洗選中進行了試驗，其認為可以替代傳統(tǒng)的鉆井振動篩。2006年，Jan Kristian Vasshus和Trond Melhus等申請了基于帶式真空過濾原理的采用小節(jié)距鏈條驅動的真空輸送分離裝置（VCS）美國專利[3]，并發(fā)現(xiàn)微振動作用有助于真空過濾篩網鉆井液的透篩流量增大，并于2010年報道了其試驗結果[4]。2013年在OTC會議上報道了其工業(yè)應用效果[5]，其排出的巖屑液相含量最低可達6.9%。自2012年在石油行業(yè)商業(yè)化應用以來，已經有200多臺在世界各地應用[6]。中石油在2014年首次引進該設備并在四川頁巖氣鉆井中進行了工業(yè)試驗，其后國內引進了多套該設備應用于石油鉆井，特別是中海油在海洋平臺鉆井中應用該設備進行鉆屑減量工作取得了比較好的效果[7-9]。楊向前等[10]對該設備的固相運動學和鉆井液的透篩過程進行了理論分析，建立顆粒的運動模型和透篩模型。雷廳[11]設計了一種激振電機激振、鏈條驅動柔性篩網循環(huán)進行固液分離的負壓振動篩，并采用CFD方法從理論上研究了該種裝置的鉆井液透篩規(guī)律。馬衛(wèi)國，吳霽薇等[12-13]提出一種帶傳動驅動的帶式篩網真空過濾與微振動復合作用的鉆井液固液分離裝置，其篩網與傳動帶采用了一體化設計;曾琦[14]對文獻[12-13]提出的鉆井液固液分離裝置的脫水機理進行了理論分析和FLUENT模擬。廖春林等[15]提出了一種鏈條驅動循環(huán)篩網真空過濾與振動復合作用的鉆井液分離設備的改進結構。國內引進該設備近10年來，僅見其在中海油鉆屑減量應用效果的報道，還未見有以其完全替代現(xiàn)有鉆井振動篩的應用報道。本文對近幾年該設備在國內陸地鉆井中替代現(xiàn)有振動篩的試驗及應用效果進行了分析，以期為鉆井液固控設備技術的發(fā)展提供借鑒。

由于真空輸送分離裝置（VCS）本身并不振動，僅僅是在過濾區(qū)域的篩網作用有微振動，鉆井液透篩的主要動力是真空作用，而不是振動作用，雖然把其稱為振動篩并不準確[4]，但考慮到國內前期對其已使用的名稱及現(xiàn)場習慣，本文將該裝置仍稱為滾動負壓篩。

1 組成結構與工作原理

滾動負壓篩結構與原理如圖1～2所示。主要包括與驅動鏈條一體化的環(huán)形履帶、繃緊在環(huán)形履帶外側上的環(huán)形篩網、真空盤、氣液分離器、真空泵、進料斗、空氣激振器、氣刀、刮泥器和驅動電機。環(huán)形履帶的兩側為鏈條，兩鏈條之間設置與鏈條同節(jié)距的特殊結構支撐鏈節(jié)[3];環(huán)形篩網為柔性篩布，繃緊在環(huán)形履帶后，篩網上的固體和液體的重力由環(huán)形履帶承受;真空盤布置在環(huán)形履帶內部，其上側邊框與環(huán)形履帶上部的內側接觸，在環(huán)形履帶上部的內側形成一個真空腔;多個空氣激振器布置在真空盤內部并與上部的環(huán)形履帶內側接觸;氣刀為沿履帶寬度方向成排布置在下部履帶內側的多個空氣噴嘴，壓縮空氣從噴嘴噴出后對環(huán)形篩網上粘附的固相吹掃，達到清潔篩網的目的;氣液分離器設置在裝置的左側或右側，并與真空盤連接，其內部設置了二次過濾器和空氣過濾器;氣液分離器的上部氣體出口與真空泵的入口相連接。

滾動負壓篩在工作時，驅動電機帶動驅動軸旋轉，帶動環(huán)形履帶和篩網做循環(huán)運動，上部履帶和篩網的運動速度方向如圖2中的實心水平箭頭;待分離的鉆井液從進料斗后，沿篩網寬度方向分散開來并流入上部環(huán)形篩網上，其中的液相一部分隨同篩網向前運動，一部分與小于臨界尺寸的固相在真空的作用下透過篩網，大于臨界尺寸的固相隨同篩網向前運動并逐漸從鉆井液中分離出來;微幅振動作用下，分離出來的固相從篩網上剝脫，并從驅動軸一端脫離篩網自由落入下部固相收集裝置（篩面上的固相運動路線如圖2篩網上部和驅動軸端下部實心箭頭所示）;粘附在篩網上的固相或卡在網眼中的臨界顆粒，隨著篩網運動到氣刀位置時，在高速空氣流的沖刷作用下從篩網上脫落，使篩網重新進入固液分離時得到清潔而具有較高的透篩率;氣刀沖刷脫落的固相落入分離裝置的底板上，通過刮泥器循環(huán)作用將底板上的固相刮送到下部固相收集裝置（固相的運動路線如底板上實心箭頭所示）;由于真空的作用，鉆井液透過篩網時同時伴隨大量的空氣一同進入了真空盤（圖2中的空心箭頭所示），再進入氣液分離器，在重力和真空的共同作用下，液相流入氣液分離器下部并從出口排出，氣體分離出來從氣液分離器上部進入真空泵，然后排出到大氣環(huán)境中;由于氣液分離器上部設置的空氣過濾器，對分離出的氣體中的微小液滴進行了過濾，避免了影響安全的油霧被排放到空氣中;氣液分離器中的二次過濾器用于收集透過篩網的鉆井液中的較大顆粒固相，以監(jiān)測篩網是否發(fā)生破損并及時報警。

2 主要技術參數(shù)和特點

2.1 主要技術參數(shù)

分離面積2.66 m2，振動頻率100 Hz，振動強度≤1g，質量1 713 kg，長×寬×高為2 716 mm×2 171 mm×1 797 mm，壓縮空氣額定壓力0.6～0.8 MPa，壓縮空氣消耗量5.15 m3/min（0.6 MPa時），適用篩網目數(shù)≤320目，功率8 kW，額定處理量180 m3/h，真空度≤0.02 MPa，噪音≤70 dB。

2.2 主要技術特點

1） 利用真空將含有固相和液相的鉆井巖屑進行機械分離，分離效率高，鉆井液回收率高，排出鉆屑的含液率低，鉆井廢棄物少，同時對鉆井液性能影響小。

2） 高頻微幅低強度振動，工作噪音低，巖屑二次破碎幾率小。

3） 鉆井液在封閉結構中完成固液和氣液分離，沒有鉆井液蒸汽蒸發(fā)的污染。

4） 氣刀連續(xù)清潔篩網，可以從篩網上及時清除殘余固相，徹底解決了篩網堵塞問題。

5） 空氣激振微振動技術，有助于在復雜情況下（大直徑井眼、高聚合物泥漿或篩網目數(shù)較大）的情況下確保鉆井巖屑的固液最大程度的分離。

6） 篩網更換快速便捷。

7） 篩網為柔性結構，周期性地承受彎曲變應力作用，壽命較短。

8） 壓縮空氣消耗量較大。

3 現(xiàn)場應用及結果

2019—2020年完成了30余口井的陸地鉆井滾動負壓篩的試驗與應用，威頁46平臺和陽101H10-3平臺典型應用的具體情況如下。

3.1 威頁46平臺

在1號泥漿罐原配置振動篩的位置，以2臺滾動負壓篩替代傳統(tǒng)振動篩，保留1臺傳統(tǒng)振動篩進行對比試驗，配置方案和現(xiàn)場安裝情況如圖3所示。運行過程中，主要使用滾動負壓篩，普通振動篩僅在對比試驗時使用，其它時間作為備用。試驗篩網目數(shù)200目。

圖4為威頁46-3井在不同井段深度，采集滾動負壓篩與傳統(tǒng)振動篩對比試驗時排出固廢體積含液率的柱狀圖。可以看出，傳統(tǒng)振動篩排出固廢的體積含液率都在41%以上，平均含液率54%，滾動負壓篩排出的固廢體積含液率都在35%以下，平均含液率24%。6次取樣檢測的結果表明：滾動負壓篩的含液率平均比普通振動篩降低44.9%，最大可降低50.77%，最少可降低36.58%。

表1為對威頁46-3井全井段使用滾動負壓篩的固廢量和泥漿用量的統(tǒng)計結果，可以看出，使用滾動負壓篩后，使用全井段可減少固廢983 m3，水基泥漿減少用量達463 m3，油基泥漿減少用量127 m3。

威頁46平臺威頁46-4井采用了傳統(tǒng)振動篩，其在油基泥漿井段消耗的泥漿和產生的固廢量如表2所示。

如果該井采用威頁46-3井配置方案的滾動負壓篩，并按威頁46-3井滾動負壓篩的固廢和泥漿損失減量的比例，僅在油基泥漿井段可減少泥漿損失127.05 m3，排出的鉆屑固廢減少量可達233 t。僅油基泥漿井段能降低各項成本￥172.61萬元。除去設備使用成本（按租賃計算），可實現(xiàn)約￥140多萬元的經濟效益。

通過對滾動負壓篩在油基泥漿時真空泵排出空氣（流量3 500 L/min）中的油霧含量進行檢測，結果如圖6所示。排出空氣油霧含量最大值為0.16 mg/m3，平均值僅為0.087 mg/m3，均遠小于環(huán)保和安全要求的標準值0.6 mg/m3。對于操作人員安全性和工作環(huán)境得到了巨大提高，鉆井井場的安全性得到了可靠保證。

3.2 陽101H10平臺

在該平臺的陽101H10-3井在四開井段（215.9 mm井眼）使用滾動負壓篩，101H10-1井四開井段（215.9 mm井眼）使用傳統(tǒng)振動篩，對比試驗井段均為油基泥漿，試驗結果如表3所示。

從表5可以看出，使用滾動負壓篩的陽101H10-3井每米進尺泥漿消耗量為0.084 m3/m，比使用傳統(tǒng)振動篩的陽101H10-1井減少了0.04 m3/m，每米進尺泥漿消耗量降低了32.25%，試驗井在使用油基泥漿的四開井段，減少泥漿消耗102 m3;排出巖屑的含液量從傳統(tǒng)振動篩的54%降低到12%，含液率降低了77.8%;每米進尺固廢實際產生量從傳統(tǒng)振動篩的306 kg/m降低到148 kg/m，降低率達到51.63%，試驗井在四開的油基泥漿極端直接減少固廢量402.9" t;篩下的鉆井液含砂量和有害固相含量也略有下降，泥漿的質量略有提升。

4 結論

滾動負壓篩是基于真空過濾原理從鉆井液中濾出固體，而不是依賴于超重力以分離泥漿和鉆屑，鉆屑在篩面上的二次破碎幾率小，分離后的鉆井液含砂量和有害固相含量有所降低，鉆井液的質量比傳統(tǒng)振動篩有所提升;排出鉆屑含液率低，泥漿隨鉆回收率高，泥漿再循環(huán)回到泥漿罐重新用于鉆井作業(yè)，減少了浪費，也極大地改善了工作環(huán)境;鉆屑含液率低，固廢產生量減少，固廢環(huán)保處理費用降低。試驗結果表明，滾動負壓篩在鉆井中具有較好的環(huán)保效益和經濟效益。但滾動負壓篩也表現(xiàn)出了一些不足之處，如整機結構復雜、一次性設備投入成本大、柔性篩網壽命短、壓縮空氣消耗大等。與國內已經在傳統(tǒng)振動篩的基礎上復合負壓作用研制成功的負壓振動篩[16-18]相比，二者的處理量、鉆井液回收和鉆屑含液量等技術性能指標相近，但國內研制的負壓振動篩能耗更低，易損件壽命更長，設備一次性投入更少。

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收稿日期： 2023-12-01

基金項目： 四川省科技計劃項目“沙漠鉆井液隨鉆高效回收關鍵裝備研究及應用”（2022YFQ0064）;中國石油天然氣集團公司工程技術科技統(tǒng)籌項目“新產品新工藝攻關與現(xiàn)場試驗”子課題“固控系統(tǒng)優(yōu)化與配套應用研究”（（2017T-003-004）。

作者簡介： 代 鋒（1984-），男，四川威遠人，高級工程師，碩士，主要從事頁巖氣鉆完井工程相關科研及管理工作。