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固相控制
第七章固相控制
钻井液中的固相,按其作用可分成两类:
一类是“有用固相”,如膨润土、化学处理剂、加重剂等;另一类是“有害固相”,主要是钻井过程中进入钻井液中的钻屑。
有害固相的过度积累和增加将会对钻井液性能乃至钻井工程的安全、快速带来极大危害。
固相控制是钻井工程中的一个很重要的环节。
本节主要讨论和叙述机械方法的固相控制。
7.1固相分析
钻屑的混入情况,随所钻地层特性的变化而变化。
从密度上来分可分为“高密度的固相”和“低密度的固相”。
其中高密度固相多半是惰性物质,如石灰岩、花岗岩或重晶石等。
这类固相与钻井液中的液相基本不起反应,仅增加钻井液的密度。
难于清除的是低密度(1.6~2.6g/cm3)的固相,如膨润土类(大多数是钙膨润土)、页岩或粘泥类。
这类土质会在钻井液的液相中水化分散,再加上机械破碎,愈变愈细,表面积无限增大。
根据API(美国石油学会)的规定,将钻屑按粒度的大小分成了三类:
1)粘土(或胶体)类粒度小于2微米
2)泥渣类粒度为2~74微米
3)砂类(API砂)粒度大于74微米
注:
API砂:
即“含砂量”一词的分界尺寸。
在钻井液性能中所谓“含砂量”一词的含义就是指其含大于74微米颗粒的数量值。
通过多次的分析、检测,不论是在硬地层或软地层钻进时,通常的水基钻井液中固相粒度大多如下表7-1的分布状态。
从表7-1中可看出,钻井液中固相颗粒的粒度分布,过大的(大于2000微米)和特小的(小于2微米)颗粒都不多。
由于含砂量的概念是以74微米为界,则大于74微米的颗粒仅占3.7~25.9%。
也就是说即使是用200目的振动筛也只能筛除整个固相含量的1/4。
其余都是小于74微米的颗粒。
因此,仅以含砂量百分数的多少来检验钻井液中的固相含量的多少,显然已是很不够的了。
也正是这些小与74微米颗粒的固相存留在钻井液中给钻井液性能和钻井工程带来了严重的危害。
从图7-1可以形象地看出,这些占3/4数量的细颗粒用泥浆筛来筛除时,几乎是不可能的。
表7-1水基钻井液中的固相颗粒
分类
粒度大小,微米
重量百分比
筛目
分类
粒度大小,微米
重量百分比
筛目
>2000(粗砂)
0.8~2
10目
泥
44~74(细)
11.0~19.8
325目
砂
250~2000(中粗)
0.4~8.7
60目
2~44(超细)
56.0~70.0
74~250(中细)
2.5~15.2
200目
粘土
<2(胶体)
5.5~6.5
7.2稀释法
尽管目前固控设备已发展到比较完善,
但实际钻井中还常常不得不依靠稀释来
U.S.200
200目筛
维持
钻井液的性能。
所谓稀释是指向钻井液体系
中加水或较稀的流体,包括胶液或低粘、低
固相钻井液。
稀释公式如下:
U.S.325
Vm(Fm-Fa)
Vd=
Fa-Fd
式中:
Vd所需稀释液的量,m3;
Vm循环系统钻井液的量,m3;
Fm循环系统中的低密度固相百分数;
Fa期望达到的低密度固相百分数;
Fd稀释液中的低密度固相百分数。
7.3替换法
替换法是指用一部分“好浆”替换一部分“坏浆”。
替换法一般来说比稀释法经济。
替换法公式如下:
Vm(Fm-Fa)
Vd=
Fm-Fd
式中:
Vd是排放的钻井液量m3,也等于加入的稀释液量以保持循环总量不变。
其余代号含义与上式相同。
7.4固控设备简介
为了尽可能地清除钻井液中的所有“有害固相”,目前已广泛应用振动筛、除砂器、除泥器、清洁器、除气器、离心机等固控设备。
国外在多年研究的基础上,近年来已在海上成功地使用了“综合自控钻井液系统”(Integratedautomationforamudsystem)。
其实用性和可靠性均已得到海上作业者的认可。
这一自控系统包括:
固控设备自控监视器(Automatedmonitoringofsolidscontrolequipent)、钻井液处理剂自动加料器(Automatedadditionofmudchemicals)、主要钻井液指标连续监视器(Continuousmonitoringofkeymudparameters)。
三项主要部件均由中心监视和综合控制系统(Controlmonitoringandintegratedprocesscontrol)进行调正、监控、操作。
其功能:
1)自动控制各类固控设备的开启、运转,并自动分析固相含量的组份。
2)自动添加钻井液药品,自动控制加药速度(如在一个循环周内加入定量的药品),并能自动显示出主要钻井液性能的指标。
3)可及时提供压井液,节省了为压井而准备的储罐和钻井液。
这一综合自控钻井液系统的应用不仅保证了钻井液性能的平稳、合格,也为海上作业特别是高温高压地区的海上作业提高了安全性。
7.4.1振动筛
振动筛使用的好坏直接影响下一级固控设备的效果。
泵排量、筛网面积、固相浓度、钻井液粘度等因素影响振动筛网的选择以及分离的效果。
应尽可能选择使用细的筛网。
性能先进的振动筛使用的最小筛网可达325目至460目。
一般原则是以钻井液覆盖筛网面积的70~80为合适。
除特殊情形外(如加入堵漏材料),不允许返出钻井液旁通振动筛循环。
筛网的目数是指从钢丝的中心算起在纵向或横向上每一英寸内的孔眼数。
API对筛网的标记方法是:
纵向和横向上的目数,纵向和横向上的开孔大小(微米)以及开孔面积的百分数。
例如:
API80×80(178×178,32.4)这样的标记表示:
筛网是正方形80×80目,纵、横两方向上的开孔大小为178m、开孔面积为32.4%。
海洋钻井常见的筛网标记和代号解释如下:
S正方形目数筛网
B长方形目数筛网
BLS双层筛网
BXL高强度筛网
注:
以上代号的后面通常跟一个数字,代表筛网的目数。
如S-80,既是“正方形80目筛”。
BXL-200既是“200目筛”。
而B是代表长方形筛网,其数目是纵横两方向目数的和,如B-120代表80×40筛目。
SWG三联筛网,不可修复
PWP可修复的,底板支撑的平面筛网
SCG特殊高强度筛网
PMD金字塔型筛网
DX特细筛网
HP长方形孔高容量筛网
LMP用于线性筛的穿孔底架筛网
7.4.2沉砂罐
沉砂罐或沉砂池为重力分离设备。
罐底一般为45o斜坡以便排放和节省钻井液。
钻井液中的颗粒沉降速率遵循斯托克斯(Stoke's)定律:
20ds2(ps-pm)
V=××g
9
式中:
V______颗粒沉降速度,cm/s;
ds______颗粒的直径,cm;
ps、pm___分别为液相和固相密度,g/cm3;
_______液相粘度,pas;
g_______重力加速度,cm/s2。
7.4.3离心机分离装置
离心机分离装置包括水力旋流器(除砂器、除泥器、清洁器)和离心机。
从斯托克斯定律中可看出,颗粒在液体中的沉降速度与重心加速度成正比,与固体颗粒直径成正比,而与液体粘度成反比。
离心机分离装置通过提高定律中的加速度,从而提高固相颗粒的沉降速度。
在固相设备的术语中,常常提到“G”值,它的物理意义是表示机器产生的离心加速度相当于重力加速度的倍数。
如G=6,表示固体颗粒在机器受到的力是自身总量的6倍。
衡量振动筛的高频与否实际也是叙述它产生的G值大小。
离心机分离装置是目前钻井现场固控系统的重要组成部分,它们将钻井液固相分离成“粗重”和“轻细”两部分,可根据需要废弃其中一部分而回收另一部分。
(1)除砂器和除泥器
这是一种内部没有运动部件的圆锥筒形装置。
钻井液由上部的切线口进入,在一定的流速条件下,这一切向力使钻井液在筒内呈螺旋运动,像旋风一样,使大颗粒下沉,由底部排出,轻液由上部溢流口返回池中。
一般把直径为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”。
为了满足钻井排量的要求,把4个、6个、8个、12个一齐组装起来,它们的处理量应该是循环排量的125~150%。
旋流器的除固相能力以“分离点”表示,又叫“中分点”,或“分离效率百分数”。
其定义是指旋流器的分离效率为50%的固相颗粒的大小(以当量直径表示)。
也就是该直径的颗粒有50%从底流排出,而仍有50%保留在液体中。
一般情况下,旋流器的分离能力与旋流器的直径有关。
直径愈大其分离的颗粒也越大。
反之直径愈小,其分离出的固相颗粒也愈小。
如152.4~304.8mm(6~12英寸)的旋流器称为“除砂器”,分离点约为40微米,把50.8~152.4mm(2~6英寸)的旋流器叫做“除泥器”,分离点约为15微米,均根据其分离能力而得名。
有一种微型旋流器,其直径只有50mm(2英寸),分离效率达到7~5微米。
除砂器通常用于非加重钻井液(也有专家建议在1.30~1.44g/cm3(SG)的加重钻井液中使用,因为重晶石大部分颗粒在“泥”的范围,在此密度范围内不会造成大量的重晶石损失)。
在正常工作状态下,其底流密度应比进口钻井液密度高0.3~0.6g/cm3。
还有一种判定方法,即如果进口钻井液的含砂量为6%左右,经除砂器处理后其溢流的含砂量应为微量(<0.5%)。
除泥器用于非加重钻井液。
正常工作时,其底流的密度应比进口钻井液密度高0.3~0.42g/cm3,且溢流的密度应比进口钻井液密度稍低。
除砂器和除泥器的操作要点:
a.伞状排泄和串状排泄的对比
要达到最好的固相清除,水力旋流器的底流口应呈伞状流,且伴有空气从底流口吸入。
伞状流损耗的钻井液与排出固体颗粒的表面积成正比。
其清除的效率高而对内壁和底流口的磨损轻。
而串状流表明钻井液和固相颗粒在抵达流口之前就失去了相对运动,底流口无空气吸入,分离效率低,器壁和底流口磨损大,到达底流口较细的颗粒不从底流口而从溢流口排出。
串状排泄时底流的密度比伞状底流的密度高。
但不能以其密度来衡量旋流器清除固体的效率。
应从单位时间内清除固体的重量来评价。
b.旋流设备在一定的水压头下工作,而不是在一定的压力下工作。
一般要求有23~27m(75~90ft)的压头。
工作压力量是水压头乘上钻井液密度。
因此,钻井液密度越高,工作压力应越大。
对于27m的水压头,压力(MPa)=0.27×钻井液密度。
在通常情况下,离心泵要保持0.24~0.31MPa(35~45psi)的压力。
过大的压力会加速磨损且影响分离点。
c.底流口有时会堵塞,可通过调节底流口或加以疏通。
连续性的堵塞可能是前一级的固控装置工作不好,导致固相含量过大。
可事先调大底流口及提高前一级固控装置的效率。
(2)清洁器
清洁器由除泥器与细网振动筛组成,筛网一般在140~200目(网孔104~74微米)之间,目的是回收部分通过旋流器排出的液体。
一般不建议清洁器用于非加重钻井液。
若在非加重钻井液中使用清洁器,则可关掉振动筛而让旋流器的底流全部排掉。
(3)离心机
是利用重力加速度原理而研制成功的另一种结构的清除细颗粒固相的设备,与旋流器结构最主要不同之点在于旋流器是利用高速度液流来产生离心力使固相分离,而离心机是利用外壳旋转来产生离心力,分离固相颗粒。
通称第三级固控。
该装置是一筒形离心机。
它由一高速旋转的转筒和安装在筒内能将粗颗粒排出,把较细的颗粒留在液体中的一螺旋输送器组成。
其大概流程是将欲处理的钻井液经空心轴内的管子进入进料室,从进料口进入分离室后,钻井液被抛向转鼓内壁,形成液圈并加速到与转鼓相近似的速度,使固、液相分离。
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