超深井钻井液固控系统配套合理性探讨.pdf

第 3 5 卷 第 6期 2 0 1 3年 l 1月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LLI NG PR0DUCT I ON TECHN0L0GY Vo 1 ． 3 5 No ． 6 NO V ．2 0l 3 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 3 0 60 0 5 2 0 3 超深井钻井液固控 系统配套合理性探讨 张晓 东 何 石 苟 如 意 朱晓 凤 张 也 西南石油大学机 电工程 学院， 四川成都6 1 0 5 0 0 引用格式张晓东， 何石， 苟如意， 等 。 超深井钻井液固控系统配套合理性探讨 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 3 ， 3 5 6 5 2 ． 5 4 ， 9 0 ． 摘要深井、 超深井钻井时井下问题更为复杂， 这对钻井液性能提出了更高的要求。目前国内超深井固控 系统设计不太合 理， 技术性能较落后 ， 钻井液固相含量控制、 加重剂的回收及油基钻井液的处理效果达不到预期要求。通过分析钻井液 中固相 颗粒特性， 结合超深井地层特点以及国内油田现有固控设备的配置及使用问题， 探讨满足超深井要求的固控系统的合理配置。 优化后的 固控 系统提 高 了固控效 率， 可以 实现加 重剂、 钻 井液的双相回收及利 用。优化 思路 可以为油田固控 系统配置的合理性 改进提供 参考 和借鉴 。 关键词超深井；钻井液；固控系统；合理配置 中图分类号 T E 9 2 6 文献标识码 A M a t c h i ng r a t i o na l i t y di s c u s s i o n o f ul t r a - d e e p we l l d r i l l i ng flui d s o l i d c o n t r o l s y s t e m Z H A N G X i a o d o n g ， HE S h i ， G 0 U R u y i ， Z H U Xi a 0 f e n g ， Z H A NG Y e E l e c t r i c a l a n d Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n gC o l l e g e ， S o u t h w e s t P e t r o l e u mU n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t De e p a n d u l t r a d e e p we l l d r i l l i n g i s v e r y c o mmo n i n p e t r o l e u m i n d u s t r y , W i t h t h e d e e p e n i n g o f s t r a t a ， d o wn h o l e p r o b l e m s b e c o me mo r e c o mp l e x ，a n d s a f e t y a c c i d e n t s b e c o me mo r e f r e q u e nt， wh i c h p u t s f o r wa r d h i g h e r r e q u i r e me n t s f o r d r i l l i n g fl u i d q u a l i t y ． At p r e s e n t ， s o l i d c o ntr o l s y s t e m d e s i g n i s l a c k o f r a t i o n a l i t y , a n d t h e t e c h n i c a l p r o p e r t i e s h a v e f a l l e n b e h i n d ， ma k i n g i t u n a b l e t o r e a c h t h e d e s i r e d e f f e c t t h a t t h e d r i l l i n g fl u i d s o l i d c o n t r o l ， r e c y c l i n g o f we i g h t i n g a g e n t ， a n d t h e p r o c e s s i n g o f o i l b a s e d d r i l l i n g fl u i d ． By a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d r i l l i n g fl u i d s o l i d p h a s e p a rt i c l e s ， c o mb i n e d wi t h u l t r a d e e p s tra t a c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e e x i s t i n g s o l i d c o n tr o l e q u i p me n t c o n fi g u r i o n a n d t h e u s i n g p r o b l e m i n d o me s t i c o i l fi e l d s ， t h e r i o n a l a l l o c a t i o n o f s o l i d c o n t r o l s y s t e m s i s f y i n g the u l tra d e e p we l l r e q u i r e me n t s wa s d i s c u s s e d ． T h e o p t i mi z e d s o l i d c o n tr o l s y s t e m i n c r e a s e d t h e s o l i d c o ntr o l e ffi c i e n c y , a n d a c h i e v e d t h e b i d i r e c t i o n a l r e c o v e r y o f we i g h t i n g a g e nt a n d dri l l i n g fl u i d ． Th e i d e a p r o v i d e s r e f e r e n c e s f o r the r a t i o n a l i ty i mp r o v e me n t o f s o l i d c o n t r o l s y s t e m c o n fig u r a t i o n ． Ke y wo r d s u l t r a d e e p we l l ； d r i l l i n g fl u i d s ； s o l i d c o n t r o l s y s t e m ； r a t i o n a l a l l o c a t i o n 随着钻井新技术 、 新工艺 的快速发展 ， 深井、 超 深井的安全 、 高效 、 低成本钻井成 为必然趋势， 钻井 液性能 的高标准是钻井顺利实施的前提和保证 1 o 为 了平衡地层压力 ， 超深井钻井液 中普遍使用加重 剂， 所占固相体积分数大于 5 0 ％， 其中的固相添加剂 费用占钻井液总费用的7 5 ％以上 J ， 急剧增加了钻 井液的成本 。钻井液 中加重剂的增加 ， 使得钻井液 的黏度 、 切力增大 ， 导致钻井液性 能控制难度增加。 对加重剂 的高效 回收 ， 既是保证钻井液性能 的基本 前提， 也是控制钻井液成本 的有效途径。 目前超深 井 固控设备使用效果不太理想 ， 对 固控 系统 的优化 是提高固控效率、 降低固控综合成本的有效措施 J ， 笔者在 国内外学者研究 的基础上 ， 对超深井钻井液 固控系统配套的合理性进行研究 ， 提出的优化 固控 基金项 目石油天然气装备教育部重点 实验室 西南石 油大学 基金 项 目 “ 高密度钻井液 固控 系统新技 术” 编号 S T z J z s 2 0 1 2 O 2 O 5 。 作者简介张晓东， 1 9 5 9 年生。1 9 9 5 年毕业于北京科技大学矿山机械专业， 获工学硕士学位， 现从事石油钻采设备新技术、 现代设计理论与 方法的教 学和井下动力钻具及井下工具的研发工作 ， 教授 、 博士生导师。电话 0 2 8 8 3 0 3 2 7 4 0 。E - ma i l z x d 1 2 3 4 2 0 1 2 6 ． t o m。 张晓东等 超深井钻井液 固控 系统配套合理性探讨 5 3 系统具有显著的经济效益和环保效果 。 1 钻井液体 系固相颗粒及地层特点分析 1 ． 1 钻井液体 系固相颗粒分析 钻井液 中的有用 固相主要包括膨润土 、 固相加 重剂及添加剂等。要保 留有用固相 ， 清除有害固相 ， 需要针对钻井液中的固相含量及粒度分布特点选择 合适 的固控设备 j 。因此 ， 设计合理的固控工艺流 程是实现有害固相有效清除、 有用固相高效回收的 基本前提 。 在 4 5 0 0 ～ 9 0 0 0 m 的深井和超深井钻井过程中， 钻井液中粒径分布 1 0 ～ 1 0 0 1a m 的重晶石 占据重晶石 总量 的 8 0 ％ 以上 ；粒径分 布 1 0 ～ 1 0 0岬 的赤铁 矿 占据 赤铁矿总 量的 8 5 ％ 左右 ；膨 润土粒径 主要分 布在 0 ．0 1 ～ 1 岫 范围内。固控系统中需要特别注意 回收粒径分布在 1 0 ～ 1 0 0“ m 的加重剂。 根据粒径 的不同选择不 同固控设备， 在粒径 5 4 0 8 0 0“ m区间选用 3 0 ～ 5 0目振动筛， 在 1 4 0 ～ 5 4 0 区间选 用 8 0 ～ 1 0 0目振 动筛 ， 在 4 0 ～ 1 4 0岬 区间 选用除砂器 ， 7 4 0岬 区间选用除泥器 J ， 余下部分 选用离心机。这样的匹配无论是各种设备所能分离 固相粒度 的范围， 还是各种设备的处理 能力 ， 都与钻 井液固相含量和粒度分布情况相适应， 工作负荷也 比较均衡。 1 ． 2 地层特点分析 以国内某油 田 6 0 0 0 1 1 1 及 7 0 0 0 1 1 1 超深井为例 ， 分析超深井地层特点 、 钻井液中钻屑粒径分布及钻 井液使用体系， 为深井、 超深井固控系统的配置和设 计提供参照 表 1 、 2 。 由表 1和表 2可知 ， 随着 地层 深度 的增 加 ， 钻 井液密 度也相 应增 大 ， 最 高达 到 2 ． 3 5 g ／ c m 左右 ， 在 6 0 0 0 r n及 以上的超深井 中使用了加重油基钻井 液 ， 提高 了润滑及携带岩屑的能力 ， 以稳定井壁、 平 衡井底地层压力。 表 1 6 0 0 0m超深井钻井液参数 开次 井段 ／ m 地层岩性 钻 井 g． 液 cm 密 -3 度 表 2 7 0 0 0 m超深井钻井液参数 分析不同开段的钻屑粒径及其特点。在一开及 二开上部井段 ， 地层较浅 ， 大部分 固相颗粒粒径集 中 在 3 0 3 0 0 m 内， 其 中大 于 2 0 0 的颗粒 占 8 0 ％ 以上， 大粒径固相颗粒易造成钻头及钻柱的磨损， 降 低机械钻速 ；在二开中下部井段 ， 钻屑多以粗砂粒、 细砂粒 、 泥粒等形式 存在于钻井 液 中， 由于泥粒较 多 ， 可能导致形成滤饼 ， 容易引起压差卡钻 ；在三开 井段 ， 钻屑颗粒主要 以砂粒 、 泥粒以及黏土颗粒 的形 式存在于钻井液中， 造成储层损害和井眼不稳定， 钻 井液中重晶石含量高， 密度较大；在四开及以下井 段 ， 大部分钻屑颗粒为泥粒和黏土颗粒 ， 黏土颗粒使 钻井液黏度增大， 导致流动阻力大， 有效功率降低， 钻速减小 ， 还有可能发生泥包钻头 ， 增大了压力变化 幅度 ， 易引起喷、 漏 、 塌 、 卡等事故。 超深井 固控系统需要高效回收成本较高的加重 剂 ， 同时处理并 回收油基钻井液 ， 并且有效除去各项 有害 固相颗粒 ， 保证钻井过程的安全、 顺利进行 。这 对超深井固控系统性能提出了相对较高的要求。 2 油田现场固控系统问题分析 目前 国内油 田现场使用 的四级 固控系统 本文 讨论 的四级固控不包括除气器 并没有达到预期效 果 ， 主要存在以下问题 1 振动筛为全排量处理设备， 单台处理量达不 到最大井底返 出量 时易造成跑浆现象 ， 同时处理过 程 中飞溅 情况严重 ；振动筛筛 网容易发 生局部破 损 ， 导致分离效率较差 ；大颗粒钻 屑通过振动筛后 为除砂器、 除泥器及离心机等设备 ， 增加了额外负荷 。 2 除砂器、 除泥器设备清除固相范围和振动筛、 离心机部分重合， 导致整体固控效率过低；现场固 控系统功率 消耗约为 3 4 2 ～ 3 7 0 k W， 除砂器 、 除泥器 的功耗约为 9 0 ～ 1 5 0 k W， 功率消耗偏高， 导致了钻井 成本的增加；除砂器、 除泥器设备故障率高， 容易发 生堵、 漏、 转鼓破坏等失效。 5 4 石油钻采工艺2 0 1 3年 1 1月 第 3 5卷 第 6期 3 离心机现场配置不合理 ， 离心机组合转速相 差较小 ， 使用效果不佳 ；清除 固相 中的重 晶石含量 较高 ， 导致重晶石 的浪费 ；钻井液 中超细有害 固相 颗粒清除不够充分 ， 使钻井液黏度在循环过程 中不 断增大 ， 影响整个 固控循环系统 以及钻井过程 的正 常运转 ；离心机操作 不够规范 、 进 口流量控制不太 合理， 导致离心机故障率偏高。 3 超深井固控系统合理配置研究分析 当前固控工艺流程缺乏针对性 ， 随着不同地 层 、 不同钻井参数的变化 ， 固控工艺流程也应该 根据 实际情况做针对性 的调整 ， 以最合理 的方式实现 固 控系统的清除、 回收功能 。 3 ． 1 固控系统优化设计 四级固控系统是 目前最常见 的固控系统 J 。对 该 系统进行优化设计 ， 提 出振动筛一离心机为基础 的二级 固控系统。此系统中， 除砂器 、 除泥器替换为 除砂除泥一体机， 底部增加底流筛， 使用时既可以除 去大颗粒的无用 固相 ， 也可 以回收重 晶石颗粒及钻 井液。正常工作状态下， 除砂除泥一体机作为备用 设备 ， 系统并不使用。当井 口返 出量较大 ， 或振动筛 、 离心机发生故障时， 除砂除泥一体机作为备用设备 进行钻井液处理 ， 使整个固控循环过程连续不中断 ， 达到了整个 固控系统功耗低 、 模块化程度高以及可 靠性高的要求 图 1 o 振动筛⋯ 振动筛 ⋯ 振动筛 ⋯ 振动筛 I l j l l 振动筛 L 一 振动筛 底流 十 旦_ } 卜J 孺 除 砂 除 泥 一 体 机 后 的 液 相 l 除 砂 除 泥 一 体 机 I 含 自由水 的固相 干燥型 振动筛 一 废弃固 除去的固相 图 1 优 化后 的二级 固控 系统工 艺流程图 如图 1 所示 ， 从井 口返出的钻井液经过气液分 离器后， 进入并联多层振动筛组合进行处理， 根据实 际情况并联 3 ～ 5台， 单台振动筛性能及筛网目数需 要根据不 同开段井 口的钻井液返 出量 、 钻井液颗粒 特点进行配置， 如果返 出钻井液颗粒湿度较高 ， 必要 时可以使用干燥型振动筛。 3 ． 2 优化后 固控系统适应性分析 1 在一开井段， 钻屑多为大颗粒， 返 出钻井液排 量较大， 这期 间仅使用并联振动筛组就可 以达到清 除大颗粒岩屑的 目的。振动筛所采用的筛 网目数可 以选择 8 0 ～ 1 0 0目， 其分离粒径大于 1 6 5 I． t m， 振动筛 临界分离粒径为 1 8 0岬 ， 最小分离粒径为 1 0 0 I． t m， 既满足了钻井液 的处理量， 又清除了大颗粒钻屑 ， 废 弃的钻屑颗粒直接排人废弃固相池中。 2 在二开中下部井段 ， 采取并联振动筛组及 中 速离心机配合使用 ， 除砂除泥一体机作为备用设备。 此时振动筛筛网选用 1 2 0目以上， 配合中速离心机 或除砂 除泥一体机除去钻井液 中较小 固相颗粒 ， 避 免其循环至井底重复磨损 为超细颗粒 ， 从 而保证设 备正常运转， 延长设备使用寿命， 提高整个固控系统 安全系数。 3 在三开井段 ， 采取并联振动筛组及 中、 高速离 心机组合配合使用。在此井段中， 钻井液密度高， 钻 井液 中重晶石含量高 ， 此时对钻井液 中超细固相颗 粒清除及重晶石 回收要求较高， 因此需要开动中速 离心机 回收钻井液 中的重晶石 ；开动高速离心机处 理 中速离心机的溢流 ， 除去钻井液中的超细颗粒 ， 回 收贵重油基钻井液 ， 返 回进入活化钻井液体系 ， 进行 循环利用。 4 在 四开井段采用的组合与三开井段类似 。四 开井段 的钻屑多为黏土颗粒及砂 ， 对钻井液黏度影 响很大。中、 高速离心机需要转速配合 ， 并根据井底 返回钻井液特点， 选择 间断或连续地使用离心机组 合 ， 清除钻井液中的超细有害 固相 ， 回收重晶石及油 基钻井液。其 中， 钻井液离心机组合应该采用变频 控制 ， 在钻井液黏度较 高时， 控制其进 口流量 ， 相应 地提高转速 ， 避免离心机堵塞及故障的发生。在控 制流量时， 根据要求调节变频离心机转速 ， 使其达到 分离回收最高效率点 ， 高效 回收重 晶石 ， 水基 、 油基 钻井液进入活化钻井液体系。 整个 固控系统工艺流程都在振动筛一离心机二 级固控系统基础上进行优化调整。除砂除泥一体机 配合底流筛 ， 既能参 与到固控系统中配合各级 固控 系统运转， 又能在井 口钻井液返 出量过大 、 振动筛或 离心机发生故障时作为备用设备投入使用 ；针对水 下转第 9 0页 石油钻采工艺 2 0 1 3年 1 1月 第 3 5卷 第 6期 式井底温度场 、 黏度场显著优于单纯注蒸汽方式 ， 可 以明显延长蒸汽吞吐生产周期 。 3 现场 1 2口井开展 了稠油复合吞吐技术试验 ， 具有 良好增产效果 ， 3个月 内累计增油 3 0 2 9 t 。建议 后期在此井区推广应用该项技术。 参考文献 [ 2 ] [ 3] [ 4] 黄伟强， 王利华， 陈忠强， 等 ． 复合蒸汽吞吐提高稠油采 收率试验 [ J ]． 新疆石油地质， 2 0 1 0 ， 3 1 1 6 9 7 1 ． 黄伟强， 郑爱萍， 王利华， 等 ． 克拉玛依油田复合吞吐改 善稠油热采开发效果试验研究 [ J ]． 石油地质与工程 ， 2 0 0 8 ， 2 2 6 2 0 2 3 ． 李睿姗， 何建华， 唐银明， 等 ． 稠油油藏氮气辅助蒸汽增 产机理试验研 究 [ J ]． 石油天然气学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 1 7 2． 75 ． SUN J i a nf a ng，LI Zh e nq ua n ，W U G u a ng hu a n． Ad v a n c e me n t a n d a p p l i c a t i o n o f t h e r ma l r e c o v e r y t e c h n o l o g y i n h e a v y o i l r e s e r v o i r i n S h e n g l i p e t r o l e u m p r o v i n c e l R J． Ba n g k o k T h a i l a n d ，I n t e r n a t i o n a l P e t r o l e u m T e c h n o l o g y Co n f e r e n c e ， 2 0 1 1 ． [ 5 ] 王金铸， 王学忠， 刘凯， 等 ． 春风油田排 6 0 1区块浅层超 稠油 H D NS技术先导试验效果评价 [ J ] ． 特种油气藏， 2 0 1 1 ， 1 8 4 5 9 ． 6 2 ． 1 6 J X I E H u i z h u a n ， Z H AN G F u s h e n g ， DO NG L i j i a n ． S t u d y a n d a p p l i c a t i o n o f t h e v i s c o s i t y r e d u c e r u s e d i n p r o d u c t i o n o f t h e v i s c o u s c r u d e o i l [ R]． S P E 6 5 3 8 2 ， 2 0 0 1 ． 1 7 J Z H AN G F u s h e n g ， O U Y AN G J i a n ， WU Mu x i ． E n h anc i n g wa t e r f l o o d i n g e f f e c t i v e n e s s o f t h e h e a v y o i l r e s e r v o i r u s i n g t h e v i s c o s i ty r e d u c e r l R]． S P E 1 3 3 2 1 4 ， 2 0 1 0 ． [ 8 ] 高永荣， 刘尚奇， 沈德煌， 等 ． 超稠油氮气、 溶剂辅助蒸 汽吞吐开采技术研究[ J ] ． 石油勘探与开发， 2 0 0 3 ， 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