廉曉龍

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

鉆井固控系統(tǒng)是鉆井快速鉆井和保護(hù)油氣層的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆井的重要環(huán)節(jié)。固控系統(tǒng)主要包括振動(dòng)篩、除氣除砂器、離心機(jī)等設(shè)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(zhì)情況也越來越復(fù)雜，也出現(xiàn)了一些新的開采技術(shù)和工藝，同時(shí)對(duì)鉆井的固控系統(tǒng)也要求越來越高[1]。目前我國(guó)固控系統(tǒng)存在篩分效果不好、易損件壽命較短、系統(tǒng)可靠性不高、鉆井液凈化效果低、系統(tǒng)較為復(fù)雜、設(shè)備費(fèi)用高等問題[2]，固控系統(tǒng)中固相顆粒對(duì)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(huì)隨之下降，如果要提高鉆井的速度，必須提高鉆井固控系統(tǒng)的性能，降低固含量。在鉆井用戶個(gè)性化需求日益增多的情況下，對(duì)固控系統(tǒng)的要求也轉(zhuǎn)為個(gè)性化、多樣化，既要求無污染，也要求能提高經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)外對(duì)固控系統(tǒng)研究起步較早，部分廠家可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整固控流程，進(jìn)而鉆井液的修正處理，將固控系統(tǒng)轉(zhuǎn)為綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)。國(guó)外有代表意義的公司有英國(guó)的Thomas Broadbent son 公司的多臺(tái)雙層雙聯(lián)直線振動(dòng)篩構(gòu)成的固控系統(tǒng)，美國(guó)SWACO 公司的FPS 密封固控系統(tǒng)，挪威GM公司推出的多臺(tái)振動(dòng)篩固控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)75 μm 以上的顆粒去除。美國(guó)Derrick 公司推出的超細(xì)目直線振動(dòng)篩可以使系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，形成兩級(jí)進(jìn)化系統(tǒng)，提高了可靠性[3-4]。國(guó)內(nèi)的固控系統(tǒng)在國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，以適應(yīng)各個(gè)油田的地質(zhì)情況。江漢機(jī)械所研制了NJ2P 型固控系統(tǒng)，在65B 鉆機(jī)上使用，寶雞石油機(jī)械有限公司的ZJ32A 型固控系統(tǒng)處理能力可達(dá)20 m3/h。國(guó)內(nèi)外的固控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)是以提高凈化裝置的性能，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備能耗，采取兩級(jí)固控系統(tǒng)代替多級(jí)固控。

1 復(fù)雜鉆井固控系統(tǒng)

直井是鉆井作業(yè)施工中最簡(jiǎn)單的情況，定向和水平井是屬于較為復(fù)雜的鉆井作業(yè)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(yè)中的固控系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)鉆井液的固液分離，使鉆井液能循環(huán)利用，是鉆井施工的凈化系統(tǒng)，目前復(fù)雜鉆井采用的是四級(jí)固控系統(tǒng)，一級(jí)固控振動(dòng)篩用于去除大顆粒，通過振動(dòng)篩出去鉆井液中的砂石和鉆屑，液體進(jìn)入二級(jí)固控，目的是除去砂子等粒度在50 μm 的顆粒。三級(jí)固控是除去粒度在（8～40）μm 的泥土顆粒，四級(jí)固控是用離心機(jī)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(tǒng)流程如圖1 所示，從中可以看出，復(fù)雜鉆井出來的泥漿首先進(jìn)過振動(dòng)篩，再進(jìn)入沉砂倉(cāng)除砂，經(jīng)過泥漿槽后進(jìn)入除氣倉(cāng)，經(jīng)過多次除砂后，進(jìn)入離心機(jī)倉(cāng)，最后將凈化后的鉆井液送至井口。

圖1 鉆井液固控系統(tǒng)流程

復(fù)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(xué)—機(jī)械分離等步驟。固相控制設(shè)備主要有振動(dòng)篩、旋流分離器和離心分離機(jī)等，振動(dòng)篩是固控系統(tǒng)中第一臺(tái)分離設(shè)備，具有分離快、效率高的特點(diǎn)，是其他固控設(shè)備的前提，振動(dòng)篩的性能取決于振動(dòng)形式、振動(dòng)功率和篩網(wǎng)參數(shù)的選擇。振動(dòng)形式有圓周式、橢圓時(shí)和直線式，振動(dòng)篩的振動(dòng)幅度越大，振動(dòng)效果越好，除砂的能力越強(qiáng)，但是幅度過大會(huì)對(duì)振動(dòng)篩的壽命造成影響，通常直線式運(yùn)動(dòng)的加速度是重力加速度的3～4 倍，圓周式運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。液體的切向速度越大，使旋流器的離心力也越大，使液體發(fā)生破裂，形成空氣核。垂直速度是液體在旋流器中停留時(shí)間的關(guān)鍵因素。旋流分離器的處理能力可從進(jìn)液和出液兩方面評(píng)價(jià)，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(fù)雜鉆井系統(tǒng)存在的問題

由于負(fù)責(zé)鉆井系統(tǒng)中的循環(huán)罐設(shè)計(jì)不合理，會(huì)造成鉆井液的攪拌系統(tǒng)的管線路徑不合理，線路上彎頭過多，管線中液體流動(dòng)受到的阻力大，造成流量降低，影響鉆井液的正常循環(huán)。鉆井液的固控設(shè)備電機(jī)與系統(tǒng)不匹配，電機(jī)耗能過高，固控設(shè)備老化，導(dǎo)致系統(tǒng)的效率低，造成固相控制的穩(wěn)定差。

3 復(fù)雜鉆井系統(tǒng)的優(yōu)化

設(shè)計(jì)采用除砂除泥一體機(jī)，降低除泥砂的級(jí)數(shù)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足復(fù)雜鉆井作業(yè)的施工要求。使用鉆井液除砂除泥一體化設(shè)備，減少了處理設(shè)備的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，維修養(yǎng)護(hù)起來也簡(jiǎn)便，優(yōu)化選擇振動(dòng)性能強(qiáng)的振動(dòng)篩，提升系統(tǒng)的凈化能力。

對(duì)于固控系統(tǒng)中管線設(shè)計(jì)的問題，選擇合理的管線走向，簡(jiǎn)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(fù)雜鉆井施工技術(shù)要求，避免了管線與罐底的沉淀物增多。

提高固控系統(tǒng)的可靠性，對(duì)可靠性進(jìn)行優(yōu)化，可以提高系統(tǒng)的使用壽命，提高系統(tǒng)的正常工作時(shí)間，系統(tǒng)的可靠性的基本特征是由可靠度、累積分布函數(shù)、故障率、平均壽命等構(gòu)成，采用計(jì)算機(jī)輔助故障樹分析系統(tǒng)CAFTA 軟件對(duì)固控系統(tǒng)進(jìn)行可靠性的分析，可提高固控系統(tǒng)的使用壽命。CAFTA 以故障樹為分析模型，建立故障樹的模型，進(jìn)行可靠性的模擬參數(shù)設(shè)定，然后通過事件失效數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出失效分布的參數(shù)，對(duì)分布參數(shù)進(jìn)行擬合，得到置信區(qū)間對(duì)應(yīng)的可靠度，通過可靠度的計(jì)算，可以優(yōu)化復(fù)雜鉆井作業(yè)固控系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

通過對(duì)復(fù)雜鉆井作業(yè)固控系統(tǒng)的介紹，分析不同情況下存在的問題，設(shè)計(jì)采用除砂除泥一體機(jī)，降低除泥砂的級(jí)數(shù)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇合理的管線的走向，簡(jiǎn)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(jì)算，可以優(yōu)化復(fù)雜鉆井作業(yè)固控系統(tǒng)。