泥浆、钻孔水力学和固相控制
研究重点：超深井超高温钻井液材料、体系及检测维护技术。主要研究课题：1）超高温（≥300℃）泥浆材料研究，包括造浆材料、降滤失剂、流变调节剂、高温封堵材料、润滑剂等；2）超高温（≥300℃）钻井液体系研究；3）超高温钻井液试验仪器研究，包括：超高温流变仪、超高温滚子加热炉及超高温高压失水仪、超高温高压堵漏试验装置、固化堵漏试验装置；4）超高温钻井液地面循环系统研究，包括：地面泥浆监测、泥浆温度控制技术等；5）钻井水力学与钻井泥浆携带岩屑能力的研究。
钻井液固相控制系统
3.2.1 国内超深井泥浆泵、固控设备基本情况3.2.1.1 泥浆泵1）四川劳玛斯特高胜石油钻采设备有限公司。泵型号：LGF-1300、LGF-1600。2）宝鸡石油机械有限责任公司。F-2200HL泥浆泵，主要配套9000m以上超深、特深井钻机以及海洋钻机。F-1300、F-1600泥浆泵，具有与LTV公司同类FB系列泵相同的制造技术要求和质量。3）青州石油机械厂。SL3NB-1600，QF-1300、QF-1600系列钻井泥浆泵为卧式三缸单作用活塞泵。4）胜利油田高原石油装备有限责任公司。泵型号：HL3ZB-1600、HL3ZB-1300、HL3ZB-1000。5）胜利山东长青石油液压机械有限公司。泵型号：3NB系列钻井泵、F系列钻井泵等，如：CQ3NB-1300。6）德州联合石油机械有限公司。泵型号：DTF-1600，DTF-1300等。现在石油一般用青州石油机械厂生产的3NB-1600较多。3.2.1.2 固控设备固控循环系统，它按照振动筛、除砂器、除泥器、除气器、离心机、剪切泵等五级净化设备配置而设计，它能够满足钻井液的循环、泥浆加重、剪切及特殊情况下的事故处理等工艺要求。1）天津大港油田集团中成机械制造有限公司。ZJ70/4500D钻机固控系统：振动筛型号GW-2；真空除气器型号ZCQ2/6；除砂器型号ZQJ300×2-1.6×0.6；除泥器型号ZQJ300×2-1.4×0.6；中速离心机型号LW450-1000-N1；砂泵型号；剪切泵型号 WJQ5"×6"-10"。2）华北石油管理局固控装备制造配套中心（华北石油太行钻头厂）。大港ZJ70D钻机钻井液固相控制系统：振动筛、除气器、除砂清洁器、除泥清洁器、离心机等五级净化设备。振动筛（美国）型号DERRICK 2E48—90F-3TA；除气器型号ZCQ1/4；除砂清洁器型号NCS300×2；组合式旋流器（1台）包括除砂器和除泥器，除泥清洁器型号ZCNQ-120×8；离心机（1台）（美国）型号BRANDT HS3400。3）中国石油化工股份有限公司华北分公司。四级净化设备配备，包括振动筛2台、除砂器1台、除泥器1台、离心机1台。振动筛型号ZS2×1.15×2/3P；除砂器型号NCJ-227；除泥器型号NJ-861；离心机型号LW355。4）其他生产厂家还有：唐山澳捷石油机械设备、唐山冠能机械设备有限公司、西安天瑞石油机械设备有限公司、宝鸡翌东石油机械有限公司、铂瑞特机械设备有限公司、唐山市通川石油钻采设备有限公司等。固控系统根据钻井要求配备，一般现在石油的五级固控系统就能满足万米超深井钻探的要求。3.2.2 常用的固相控制方法常用的固相控制方法包括机械清除、化学絮凝、沉淀除砂和稀释法。3.2.2.1 机械清除法通过机械设备来清除钻井液中的固相，常用的固控设备有振动筛、旋流除砂（泥）器和离心机等。3.2.2.2 化学絮凝法在钻井液中加入适量的絮凝剂（如部分水解聚丙烯酰胺），使细小的固相颗粒聚结成较大颗粒。其中包括全絮凝和选择性絮凝，全絮凝就是讲钻井液中全部固相。选择性絮凝则是保留泥浆中的有用固相（膨润土蒙脱石），絮凝掉泥浆中的无用固相（岩粉）。一般说来，选择性絮凝很难达到理想的效果。对于绳索取心来说，絮凝物呈紊状团块，密度小，沉降时间长，很多絮凝块可能又被送入孔内，为钻杆内壁提供了大量的结垢颗粒。3.2.2.3 沉淀除砂法就是通过现场沉淀池和循环槽，利用液流流速骤降，颗粒自重下降，清除掉钻井液中较大颗粒的岩屑。3.2.2.4 稀释法用清水或新的浆液直接稀释或替换一部分性能恶化的钻井液，使固相含量降低。稀释法虽然操作简单、见效快，但会使钻井液成本显著增加，替换出的钻井液的排放还可能会污染环境。3.2.3 钻井液固相控制系统的核心——钻井液固控离心机3.2.3.1 技术原理及计算钻井液离心机的工作原理及设计思想如下：离心机主要清除钻井液中大小为5～40μm的固相颗粒。离心机的工作原理如图3.1所示，主电动机通过滚筒上的皮带轮带动转鼓高速旋转，同时带动行星差速器外齿圈旋转；辅驱动电动机通过行星差速器中心轮带动螺旋推进器旋转。滚筒与推进器转向相同，但推进器转速比滚筒转速略低，使推进器与滚筒之间形成转速差。由于滚筒高速旋转，固相颗粒在离心力的作用下贴附于滚筒内壁，被推进器的叶片刮下并推到底流孔排出，经过分离的液相则由溢流孔排出，达到固液分离的目的。图3.1 钻井液离心机结构示意图3.2.3.2 离心机处理量与处理粒径的关系计算以柱形转鼓为例进行计算：固相重力沉降速度：vo=d2Δρg/18μ；固相在重力场中沉降速度：v=voFr，其中分离因数Fr=ω2r/g；图3.2 粒子在柱形转鼓中运行轨迹如图3.2所示，固相从自由液面至转鼓壁所需时间：科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）假定粒子在转鼓的轴向速度不变，则固相在转鼓轴向所走沉降区所需时间：科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）根据分离条件t1≤t2，可求得离心机的生产能力为：科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）将按级数展开，其中r2-r1=h为液层厚度，令，D=2r2变换上式得到科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）式中：∑称为当量沉积面积，又称为离心机能力指数。由于∑=FrA，而A与Fr均随r变化，因此取二者乘积的平均值：科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）根据上公式计算出的处理量偏大，需要乘以一个修正系数：科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）当离心机的结构参数确定的情况下上式可以转换为：科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）当上式计算出来的值小于流态临界值时（处理量随颗粒变化，理想状态），则离心机符合要求。当离心机处理量一定时，则的固相会被清除。影响钻井液离心机处理量与处理粒径的参数比较多，并且相互影响、相互制约。此处只是通过理论计算分析了离心机处理量与处理粒径之间的关系式，为设计确定离心机结构参数提供了一些理论原则。由于在整个钻井过程中，钻井液密度、黏度和固相含量是不断变化的，因此，离心机结构参数的优化，还有很多工作要做，这样才能使离心机发挥最佳工作性能，贴近钻井工艺的要求。3.2.3.3 速度关系计算行星齿轮差速器是离心机最重要的部件之一，保证主机通过差速传动实现螺旋推进器与滚筒的差转速，从而实现了对物料的分离和推料。图3.3是二级行星齿轮差速器的工作原理图。下面通过计算分析双电机驱动与单电机驱动两种模式下的转速差与差速比的关系。图3.3 二级行星齿轮差速器原理图（1）双电机驱动根据周转轮系传动比公式，可得科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）ω8=ω0，ω3=ω5=ω，ω4=ω7代入式（3.2），可得科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）将式（3.3）代入式（3.1），可得科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）式中：ω1为第一级太阳轮转速；ω0为第二级系杆与螺旋推进器的转速；ω为差速器第一、第二级内齿圈及滚筒的转速；z1，z3，z4，z6分别为第一级太阳轮、第一级内齿圈、第二级内齿圈和第二级太阳轮齿数；z5，z7分别为第二级内齿圈和第二级太阳轮齿数。当主驱动电动机未启动而辅驱动电动机启动时，则有传动比科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）若令Δω0=ω-ω0为滚筒转速与螺旋推进器转速的转速差，Δω1=ω-ω1为滚筒转速与差速器输入转速的转速差：则有科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）（2）单电机驱动电机驱动转鼓，并将原输入轴固定，即ω1=0。科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）可见单电机驱动离心机可通过改变驱动电动机的转速，来改变滚筒与螺旋推进器的转速差，从而改变固体颗粒排出速度。3.2.4 钻井液固相控制系统选型以天津大港油田集团中成机械制造有限公司生产的ZJ70/4500D钻机固控系统为例。3.2.4.1 概述ZJ70D钻机固控循环系统，它按照振动筛、除砂器、除泥器、真空除气器、中速离心机、剪切泵等五级净化设备配置而设计，它能够满足钻井液的循环、泥浆加重、剪切及特殊情况下的事故处理等工艺要求。该系统是综合了国内外钻井液循环净化系统优点的基础上，结合钻井工艺的实际需要而设计的新产品，它采用了许多成熟的新工艺、新技术，同时充分考虑了使用过程中的一些细节问题，具有设计合理、安装使用方便的特点。钻井液净化系统符合SY/T 6276、ISO/CD14690《石油天然气工业健康、安全与环境管理体系》，固控系统所有交流电机及控制电路符合防爆要求。工艺流程和设备符合API 13C及相关的标准和规范。该系统由于采用了集成模块化，装卸方便，既满足公路及铁路运输的要求，又满足吊车装卸也可用专用搬家车搬运，并能在井场内拖拉。3.2.4.2 主要技术参数（1）罐体数量钻井液循环罐6个；泥浆材料房1个；泥浆储备罐2个；原油储备罐1个；冷却水罐1个；补给罐1个（固控系统流程布置图见图3.4，平面布置图如图3.5所示）。图3.4 固控系统流程布置图图3.5 固控系统平面布置图（2）系统容积（表3.1）表3.1 固控系统容积（3）外形尺寸（表3.2）表3.2 固控系统外形尺寸（4）安装方式钻井液净化罐双排安装，即1号、2号、3号罐、4号罐为一排，直线排列；冷却水罐、5号、6号罐为一排，直线排列在井场内侧；泥浆材料房安装在4号罐、5号罐一端；泥浆储备罐跟4、5号罐摆在一条直线上；原油储备罐在3号罐后；补给罐放在1号罐前面。3.2.4.3 固控系统与钻机连接尺寸及主要配套设备（1）连接尺寸1）井口中心至1号罐侧壁的距离5m；2）井口中心至1号罐一侧罐壁的距离16m；3）井口中心至1号钻井泵中心距离22m；4）三台钻井泵（型号F-1600）的中心距4.5m。（2）泥浆净化设备及调配设备主要包括：振动筛、真空除气器、除砂清洁器、除泥清洁器、离心机、砂泵、灌注泵、加重系统、剪切混合系统。（3）主要配套设备（表3.3）表3.3 固控系统主要配套设备续表3.2.4.4 钻井液罐的组成及工作原理（1）一号罐一号罐为4个仓，分别为补给仓、沉砂仓、一号除气仓、二号除气仓（表3.4）。表3.4 一号罐组成及容积一号罐前仓为补给仓，沉砂仓底座放置一台11kW补给泵和一台30kW砂泵。补给泵布置1条吸入管路、1条输出管路，补给仓内的泥浆来自中压泥浆管线，可由加重泵提供，为净化处理后的泥浆，在起钻过程中可以用补给泵补给泥浆。下钻过程中泥浆从井口到分配器至补给仓管线流回补给仓。沉砂仓上部装有振动筛三台，一号除气仓上部装有真空除气器一台，真空除气器吸入一号除气仓泥浆，30kW砂泵吸入二号除气仓泥浆接喷射漏斗，除气器处理后的泥浆经过喷射漏斗排至二号除气仓。二号除气仓装有15kW搅拌器一台。补给仓、一号除气仓和二号除气仓各装有旋转式泥浆枪1套。（2）二号罐二号罐为3个仓，分别为除砂仓﹑除泥仓和离心机吸入仓（表3.5）。表3.5 二号罐组成及容积二号罐罐面装有除砂器、除泥器、离心机供液泵各1台和15kW卧式搅拌器3台、旋转式泥浆枪3套。罐右端（从井口方向看）底座装有除砂泵和除泥泵各1台，可分别向除砂器和除泥器供液。（3）三号罐三号罐分为2个仓，分别为净化仓和剪切药品仓（表3.6）。表3.6 三号罐组成及容积三号罐装有2台15kW卧式搅拌器、旋转式泥浆枪2台。罐面配有1个2.5m3药品罐。罐面装有1个泥浆化验房。（4）四号罐四号罐分为3个仓。分别为储备仓、重泥浆仓和剪切药品仓（表3.7）。表3.7 四号罐组成及容积四号罐储备仓和重泥浆仓装有15kW搅拌器1台、旋转式泥浆枪1台。剪切药品仓装有15kW搅拌器1台。罐面留有洗眼台的位置。（5）五号罐五号罐分为1个仓，为加重预混仓（表3.8）。表3.8 五号罐组成及容积五号罐加重预混仓装有15kW搅拌器2台、旋转式泥浆枪2台。罐左端（从井口方向看）底座装有55kW加重泵2台，罐面装有2套混合漩流装置，罐外地面装有地面加重直喷漏斗1套。（6）六号罐六号罐分1个仓，为钻井泵吸入仓（表3.9）。表3.9 6号罐组成及容积六号罐钻井泵吸入仓装有2台15kW卧式搅拌器，2套旋转式泥浆枪。（7）1号和2号泥浆储备罐组成及容积1号和2号泥浆储备罐均分为一个仓（表3.10）。表3.10 1号及2号泥浆储备罐组成及容积（8）原油储备罐组成的容积原油储备罐分为一个仓（表3.11）。表3.11 原油储备仓容积3.2.4.5 固控循环系统流程操作（1）工艺流程特点（图3.6）图3.6 固控循环系统流程1）工艺流程设计满足泥浆五级净化及泥浆调配要求；2）井口返出泥浆经净化设备处理及沉淀后，供钻井泵吸入，也可使用加重系统和剪切混合系统调配泥浆。3）三台钻井泵吸入口，钻井泵可吸入3号罐、4号罐、5号罐和6号罐各仓泥浆。4）加重系统可以从3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐任意仓吸入泥浆，并可将加重混合后的泥浆输送到上述罐任意仓中。5）剪切混合系统利用4号罐所分隔出的13.4m3剪切药品仓，进行药品混合，剪切混合后的药品可通过输送管线直接输送至3号罐上2.5m3药品罐，可通过泥浆槽加入2号罐、3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐各仓。6）各罐及各个仓之间有泥浆渡槽或连通管线连接，并装有可控制液面调节装置。7）3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐各仓泥浆的倒换可用加重泵实现。（2）工艺流程描述1）钻井液净化大循环。井口出来的泥浆通过管线可分别或同时输送到3台振动筛，经过振动筛处理后进入沉砂仓，从沉砂仓出来的泥浆经过泥浆渡槽进入除气仓，真空除气器除气后的泥浆经泥浆渡槽进入除砂仓，除砂泵吸入除砂仓的泥浆，将泥浆通过管线输送至除砂器，除砂器处理后的泥浆经过泥浆渡槽进入除泥仓，除泥泵吸入除泥仓中的泥浆，将泥浆通过管线输送至除泥器，除泥器处理后的泥浆经过泥浆渡槽进入中速离心机仓，中速离心机的供液泵吸入中速离心机仓中的泥浆，离心机处理后的泥浆经过泥浆渡槽进入净化仓，钻井泵可将其吸入并输送至井口。2）加重流程（参考附图ZJ70D泥浆循环及净化系统流程图）。5号罐为泥浆加重罐，设有两台加重泵。两台加重泵都可以吸入3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐各仓的泥浆，并通过旋流器漏斗加重后，经加重输送管线将加重后的泥浆送至3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐各个仓。在泥浆材料房装有地面加重直喷漏斗1个，3号罐、4号罐、5号罐、6号罐和泥浆储备罐也可通过地面加重漏斗进行加重。两台加重泵可实现互为备用，即有一台加重泵出现故障，则另一台通过转换吸入和输出阀门便可代替其工作（流程图中加重泵吸入阀1～9为加重泵吸入各仓的罐底阀，加重泵输送阀1～9为加重泵排入各仓阀门）。（3）钻井泵吸入流程钻井泵可吸入3号罐、4号罐、5号罐、6号罐各仓泥浆。无须调拨泵调拨（流程图中钻井泵吸入阀1～8为钻井泵吸入各仓的罐底阀）。（4）灌注流程每个钻井泵的左侧安放一台灌注泵可以直接从3号罐、4号罐、5号罐、6号罐各仓吸入泥浆，为3台钻井泵进行泥浆灌注。（5）剪切混合流程剪切泵从4号罐所分隔出的13.4m3剪切仓内吸入泥浆，可进行反复剪切混合，剪切混合后的药品可通过输送管线输送至3号罐上2.5m3药品罐，药品罐药品可通过泥浆槽加入2号罐、3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐各仓。（6）泥浆补给流程一号罐前仓为补给仓，补给仓前摆放一个补给罐，沉砂仓底座放置一台11kW补给泵（1号），补给罐中也安装11kW补给泵（2号）一台。补给泵配有吸入、输出管路，补给仓和补给罐内的泥浆来自中压泥浆管线，可由加重泵提供，为净化处理后的泥浆，在起钻过程中可以用补给泵补给泥浆。下钻过程中泥浆从井口到分配器至补给罐管线流回补给仓。1号补给泵可以从补给仓中将泥浆打到补给罐中，另外，在沉砂仓清砂前，1号补给泵可通过另一条通至沉砂仓的吸入管线，将沉砂仓中的泥浆倒至补给仓或补给罐。
