固控設(shè)備簡介

為了盡可能地清除鉆井液中的所有"有害固相"，目前已廣泛應(yīng)用振動篩、除砂器、除泥器、清潔器、除氣器、離心機(jī)等固控設(shè)備。

國外在多年研究的基礎(chǔ)上，近年來已在海上成功地使用了"綜合自控鉆井液系統(tǒng)"(Integrated automation for a mud system)。其實用性和可靠性均已得到海上作業(yè)者的認(rèn)可。這一自控系統(tǒng)包括：固控設(shè)備自控監(jiān)視器(Automated monitoring of solids control equipent)、鉆井液處理劑自動加料器(Automated addition of mud chemicals)、主要鉆井液指標(biāo)連續(xù)監(jiān)視器(Continuous monitoring of key mud parameters)。三項主要部件均由中心監(jiān)視和綜合控制系統(tǒng)(Control monitoring and integrated process control)進(jìn)行調(diào)正、監(jiān)控、操作。

其功能：

1) 自動控制各類固控設(shè)備的開啟、運(yùn)轉(zhuǎn)，并自動分析固相 含量的組份。

2) 自動添加鉆井液藥品，自動控制加藥速度(如在一個循環(huán)周內(nèi)加入定量的藥品)，并能自動顯示出主要鉆井液性能的指標(biāo)。

3) 可及時提供壓井液，節(jié)省了為壓井而準(zhǔn)備的儲罐和鉆井液。這一綜合自控鉆井液系統(tǒng)的應(yīng)用不僅保證了鉆井液性能的平穩(wěn)、合格，也為海上作業(yè)特別是高溫高壓地區(qū)的海上作業(yè)提高了安全性。

1. 振動篩

振動篩使用的好壞直接影響下一級固控設(shè)備的效果。泵排量、篩網(wǎng)面積、固相濃度、鉆井液粘度等因素影響振動篩網(wǎng)的選擇以及分離的效果。應(yīng)盡可能選擇使用細(xì)的篩網(wǎng)。性能先進(jìn)的振動篩使用的...小篩網(wǎng)可達(dá)325目至460目。一般原則是以鉆井液覆蓋篩網(wǎng)面積的70～80為合適。除特殊情形外(如加入堵漏材料)，不允許返出鉆井液旁通振動篩循環(huán)。

篩網(wǎng)的目數(shù)是指從鋼絲的中心算起在縱向或橫向上每一英寸內(nèi)的孔眼數(shù)。API對篩網(wǎng)的標(biāo)記方法是：縱向和橫向上的目數(shù)，縱向和橫向上的開孔大小(微米) 以及開孔面積的百分?jǐn)?shù)。例如：API80×80(178×178,32.4)這樣的標(biāo)記表示：篩網(wǎng)是正方形80×80目，縱、橫兩方向上的開孔大小為178mm、開孔面積為32.4%。

海洋鉆井常見的篩網(wǎng)標(biāo)記和代號解釋如下：

S 正方形目數(shù)篩網(wǎng)

B 長方形目數(shù)篩網(wǎng)

BLS 雙層篩網(wǎng)

BXL 高強(qiáng)度篩網(wǎng)

注：以上代號的后面通常跟一個數(shù)字，代表篩網(wǎng)的目數(shù)。如S-80，既是"正方形80目篩"。BXL-200既是"200目篩"。而B是代表長方形篩網(wǎng)，其數(shù)目是縱橫兩方向目數(shù)的和，如B-120代表80×40篩目。

SWG 三聯(lián)篩網(wǎng)，不可修復(fù)

PWP 可修復(fù)的，底板支撐的平面篩網(wǎng)

SCG 特殊高強(qiáng)度篩網(wǎng)

PMD 金字塔型篩網(wǎng)

DX 特細(xì)篩網(wǎng)

HP 長方形孔高容量篩網(wǎng)

LMP 用于線性篩的穿孔底架篩網(wǎng)

2. 沉砂罐

沉砂罐或沉砂池為重力分離設(shè)備。罐底一般為45o斜坡以便排放和節(jié)省鉆井 液。鉆井液中的顆粒沉降速率遵循斯托克斯(Stoke's)定律：

V=20/9 ×ds2(ps-pm) ×g /M

式中：

V ______ 顆粒沉降速度，cm/s;

ds ______ 顆粒的直徑，cm;

ps、pm___ 分別為液相和固相密度，g/cm3;

m_______ 液相粘度，pa · s;

g_______ 重力加速度，cm/s2 。

3. 離心機(jī)分離裝置

離心機(jī)分離裝置包括水力旋流器(除砂器、除泥器、清潔器)和離心機(jī)。從斯托克斯定律中可看出，顆粒在液體中的沉降速度與重心加速度成正比，與固體顆粒直徑成正比，而與液體粘度成反比。離心機(jī)分離裝置通過提高定律中的加速度，從而提高固相顆粒的沉降速度。在固相設(shè)備的術(shù)語中, 常常提到"G"值, 它的物理意義是表示機(jī)器產(chǎn)生的離心加速度相當(dāng)于重力加速度的倍數(shù)。如G=6，表示固體顆粒在機(jī)器受到的力是自身總量的6倍。衡量振動篩的高頻與否實際也是敘述它產(chǎn)生的G值大小。離心機(jī)分離裝置是目前鉆井現(xiàn)場固控系統(tǒng)的重要組成部分，它們將鉆井液固相分離成"粗重"和"輕細(xì)"兩部分，可根據(jù)需要廢棄其中一部分而回收另一部分。

(1) 除砂器和除泥器

這是一種內(nèi)部沒有運(yùn)動部件的圓錐筒形裝置。鉆井液由上部的切線口進(jìn)入，在一定的流速條件下，這一切向力使鉆井液在筒內(nèi)呈螺旋運(yùn)動，像旋風(fēng)一樣，使大顆粒下沉，由底部排出，輕液由上部溢流口返回池中。一般把直徑為152.4~304.8mm(6~12英寸)的旋流器叫"除砂器"，把50.8~152.4mm(2~6英寸)的叫"除泥器"。為了滿足鉆井排量的要求，把4個、6個、8個、12個一齊組裝起來，它們的處理量 應(yīng)該是循環(huán)排量的125~150%。

旋流器的除固相能力以"分離點(diǎn)"表示，又叫"中分點(diǎn)"，或"分離效率百分?jǐn)?shù)"。其定義是指旋流器的分離效率為50%的固相顆粒的大小(以當(dāng)量直徑表示)。也就是該直徑的顆粒有50%從底流排出，而仍有50%保留在液體中。

一般情況下，旋流器的分離能力與旋流器的直徑有關(guān)。直徑愈大其分離的顆粒也越大。反之直徑愈小，其分離出的固相顆粒也愈小。如152.4~304.8mm(6~12英寸)的旋流器稱為"除砂器"，分離點(diǎn)約為40微米，把50.8~152.4mm(2~6英寸)的旋流器叫做"除泥器"，分離點(diǎn)約為15微米，均根據(jù)其分離能力而得名。有一種微型旋流器，其直徑只有50mm(2英寸)，分離效率達(dá)到7~5微米。

除砂器通常用于非加重鉆井液(也有專家建議在1.30~1.44g/cm3(SG)的加重鉆井液中使用，因為重晶石大部分顆粒在"泥"的范圍，在此密度范圍內(nèi)不會造成大量的重晶石損失)。在正常工作狀態(tài)下，其底流密度應(yīng)比進(jìn)口鉆井液密度高0.3~0.6g/cm3。還有一種判定方法，即如果進(jìn)口鉆井液的含砂量為6%左右，經(jīng)除砂器處理 后其溢流的含砂量應(yīng)為微量(<0.5%)。

除泥器用于非加重鉆井液。正常工作時，其底流的密度應(yīng)比進(jìn)口鉆井液密度高0.3~0.42g/cm3，且溢流的密度應(yīng)比進(jìn)口鉆井液密度稍低。

除砂器和除泥器的操作要點(diǎn)：

a. 傘狀排泄和串狀排泄的對比，要達(dá)到...好的固相清除，水力旋流器的底流口應(yīng)呈傘狀流，且伴有空氣從底流口吸入。傘狀流損耗的鉆井液與排出固體顆粒的表面積成正比。其清除的效率高而對內(nèi)壁和底流口的磨損輕。而串狀流表明鉆井液和固相顆粒在抵達(dá)流口之前就失去了相對運(yùn)動，底流口無空氣吸入，分離效率低，器壁和底流口磨損大，到達(dá)底流口較細(xì)的顆粒不從底流口而從溢流口排出。串狀排泄時底流的密度比傘狀底流的密度高。但不能以其密度來衡量旋流器清除固體的效率。應(yīng)從單位時間內(nèi)清除固體的重量來評價。

b. 旋流設(shè)備在一定的水壓頭下工作，而不是在一定的壓力下工作。一般要求有23~27m(75~90ft)的壓頭。工作壓力量是水壓頭乘上鉆井液密度。因此，鉆井液 密度越高，工作壓力應(yīng)越大。對于27m的水壓頭，壓力(MPa)=0.27×鉆井液密度。在通常情況下，離心泵要保持0.24~0.31MPa(35~45psi)的壓力。過大的壓力會加速 磨損且影響分離點(diǎn)。

c. 底流口有時會堵塞，可通過調(diào)節(jié)底流口或加以疏通。連續(xù)性的堵塞可能是前一級的固控裝置工作不好，導(dǎo)致固相含量過大?？墒孪日{(diào)大底流口及提高前一級固控裝置的效率。

(2) 清潔器

清潔器由除泥器與細(xì)網(wǎng)振動篩組成，篩網(wǎng)一般在140~200目(網(wǎng)孔104~74微米)之間，目的是回收部分通過旋流器排出的液體。

一般不建議清潔器用于非加重鉆井液。若在非加重鉆井液中使用清潔器，則可關(guān)掉振動篩而讓旋流器的底流全部排掉。

(3) 離心機(jī)

是利用重力加速度原理而研制成功的另一種結(jié)構(gòu)的清除細(xì)顆粒固相的設(shè)備，與旋流器結(jié)構(gòu)主要不同之點(diǎn)在于旋流器是利用高速度液流來產(chǎn)生離心力使固相分離，而離心機(jī)是利用外殼旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生離心力，分離固相顆粒。通稱第三級固控。該裝置是一筒形離心機(jī)。它由一高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒和安裝在筒內(nèi)能將粗顆粒排出，把較細(xì)的顆粒留在液體中的一螺旋輸送器組成。

其大概流程是將欲處理的鉆井液經(jīng)空心軸內(nèi)的管子進(jìn)入進(jìn)料室，從進(jìn)料口進(jìn)入分離室后，鉆井液被拋向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，形成液圈并加速到與轉(zhuǎn)鼓相近似的速度,使固、液相分離。重的和粗的顆粒會進(jìn)一步甩向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁并沉降進(jìn)入沉降區(qū)，再通過輸送器的刮板將沉降的顆粒推向脫水區(qū)而從底流口排出。由于鉆井液在離心機(jī)內(nèi)有一個滯留的時間(約30~50秒)，顆粒受到離心機(jī)擠壓和過濾, 因此排出的鉆屑比較干，只帶少量的吸附水。

離心機(jī)的規(guī)格以鼓的長度和...大直徑表示：有18×24英寸、14×22英寸、14×20英寸(直徑×長度)等規(guī)格。離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓以1500~3500轉(zhuǎn)/分(r/min)旋轉(zhuǎn)。螺旋輸送器一般以1:80的速差和轉(zhuǎn)鼓同向旋轉(zhuǎn)。一般可清除2~3微米的固相顆粒。

在現(xiàn)場組合應(yīng)用時，一般是根據(jù)離心機(jī)的處理量大小、離心機(jī)"G"的大小、分離點(diǎn)的大小、轉(zhuǎn)速等分成了三種類型：

a. 重晶石回收離心機(jī)：這類離心機(jī)的轉(zhuǎn)速在1800r/min左右，"G"值在700左右。低密度固相分離點(diǎn)在6~10微米，高密度固相分離點(diǎn)在4~10微米。這種離心機(jī) 主要是將重晶石粉回收至鉆井液體系中，而將一些低固相顆粒除掉。其處理量一般為38~151升/分(1/min)[10~40加侖/分(gal/min)]。

b. 大容量離心機(jī)：主要用來排除低密度的固相，轉(zhuǎn)速為1900~2200r/min，"G"值為800左右，分離點(diǎn)約為5~7微米(在未加重鉆井液中)，處理量為378~7561/min(100~200gal/min)。

c. 高速離心機(jī)：用做雙離心機(jī)組合使用時的第二臺離心機(jī)。主要用來清除未加重鉆井液中的低密度含量。這類離心機(jī)的規(guī)格是：轉(zhuǎn)速2500~3300r/min，"G" 值在1200~2100，分離點(diǎn)在2~5微米，處理量為151~4531/min(40~120gal/min)。

雙離心機(jī)組合應(yīng)用時，...一臺為重晶石回收離心機(jī)，將重晶石粉回收使用，其溢流排出的液體通過高速離心機(jī)(...二臺)將低固相顆粒排除，而將液相返回泥漿池中使用。

離心機(jī)的應(yīng)用使現(xiàn)場有手段除去相當(dāng)部分對鉆井液有顯著影響的細(xì)顆粒。但是離心機(jī)目前只能降低而不能完全替代必要的稀釋。在現(xiàn)場每日對塑性粘度、固相含量、MBT等性能進(jìn)行跟蹤測定可以反映出鉆井液中固相含量的變化，從而合理 地確定離心機(jī)的使用和稀釋量。不同鉆井液使用的固控設(shè)備見表7-2。

4. 綜合效果分析

通過對以上各種固控設(shè)備能力的分析，從理論上講，應(yīng)該是可以全部將有害固相排除掉了，然而在實際應(yīng)用過程中，能達(dá)到90%已是高效率的，一般只達(dá)到80~85%甚至更低。較好地綜合了各類固控設(shè)備的分離能力及有用固相重晶石粉和有害固相(低密度顆粒)的粒度分布，可看出，如果是用重晶石加重的鉆井液，用除砂器和除泥器就不合適了，而離心機(jī)則不論在使用何種鉆井液時都可以用以降低鉆井液中逐漸積累起來的低固相。

例如泰國Unocal Thailland公司在泰國灣鉆叢式井的固控設(shè)備，用于使用的是油基鉆井液，為防止跑泥漿(用除砂器之類)和減少污染，充分利用了離心機(jī)。其組合是三臺振動篩(60~80目篩布)和三臺高速振動篩(200目篩布)再加一或二臺高速 離心機(jī)(2900r/min)。另一組合是三臺高頻振動篩(用200目篩布)二臺高速離心機(jī)(3500r/min)。用這套組合可使鉆井液密度為13~14ppg(1.56~1.68g/cm3)，體積為500m3的鉆井液在36小時(h)內(nèi)下降密度至8.8ppg(1.056g/cm3)。目前又使用了如下的組合: 即2~3臺離心機(jī)并聯(lián)(低速離心機(jī))和2~3臺離心機(jī)(高頻)串聯(lián)。