加重钻井液快速混配设备的研制.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 3年 第 4 1卷第 1期 ●钻井技术与装备 加重钻 井液快 速混配设 备的研 制 刘 燕 余旭阳 秦 赘 黄宇飞 黄军普 江汉石油管理局第四机械厂 摘要 气井在钻开储层时，极易发生井喷事故 ，采用传 统的加重钻井液混配方式，作业效率 满足不 了现场使用要求 ，采用大量储备加重钻井液方式，又可能造成 巨大的浪费。为此，开展 了 加重钻井液混配设备 的技术研 究。混配设备主要 由橇架、拖拉 多混合器、上灰装置 、混合罐、二 次循环及 密度检测装置等组成。现场试验及应用 中，该设备工作性能稳定 ，运 转 良好；能快速调 节钻井液密度 ，混浆均匀，作业质量好，作业效率高 ，能够满足各种不 同作业工况 的要求，较之 其他加重设备具有明显的性能优势。 关键词 压井；加重钻井液 ；快速混配；橇装；在线检测 中图分类号 T E 9 2 6 文献标识码A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 0 7 De v e l o p m e n t o f t h e Bl e nd i n g Eq ui p m e n t f o r W e i g ht e d Dr i l l i n g Fl ui d L i u Y a n Y u X u y a n g Q i n Y u n Hu a n g Y u f e i Hu a n g J u n p u s J P e t r o l e u m Ma c h i n e r y C o ． ， J i a n g h a n P e t r o l e u m A d m i n i s t r a t i o n Ab s t r a c t W h e n t h e r e s e r v o i r i s d r i l l e d o p e n i n g a s we l l s ， i t i s v e r y l i k e l y f o r b l o wo u t a c c i d e n t s t o t a k e p l a c e ． Ad o p t i o n o f t h e t r a d i t i o n a l b l e n d i n g me t h o d o f we i g h t e d d r i l l i n g fl u i d c a n n o t s a t i s f y t h e fi e l d a p p l i c a t i o n r e - q u i r e me n t i n t e r ms o f o pe r a t i n g e ffi c i e n c y ．I f a v a s t bu l k o f we i g h t e d dr i l l i n g flu i d i s s t o r e d f o r u s e，t o o muc h wa s t e wi l l b e c a u s e d ． T o s o l v e t h e p r o b l e m t h e t e c h n o l o g i c a l s t u d y o f t h e b l e n d i n g e q u i p me n t for we i g h t e d d ril l i n g fl u i d wa s c o nd u c t e d ． Th e e q u i p me n t ma i n l y c o n s i s t s o f s k i d r a c k，d r a g g i n g mi x e r ，s l u r r y f e e di n g d e v i c e，mi x i n g d r u m ， s e c o nd a r y c i r c u l a t i o n a n d d e n s i t y c h e c ki n g d e v i c e s ． I n t h e fie l d t e s t a n d a p p l i c a t i o n t he e q ui pme n t i s s t a b l e i n pe r f o r ma n c e a n d d e s i r a bl e i n o p e r a t i o n ． I t c a n a c h i e v e a f a s t r e g u l a t i o n o f fl ui d d e n s i t y， e v e n mi x i n g， g o o d o p e r a t i n g q ua l i t y a n d h i g h o p e r a t i ng e ffi c i e n c y ． I t c a n s a t i s f y t h e r e q u i r e me n t o f d i f f e r e n t o p e r a t i ng c o n d i t i o ns ． Ke y wo r ds we l l k i l l i n g； we i g h t e d d ril l i n g flu i d； f a s t b l e n d i n g； s k i d mo u n t e d； o n l i n e d e t e c t i o n 0 引 言 在气井钻开储层时，极易发生井喷事故 ，采用 加重钻井液快速压井是确保钻井作业安全的必备手 段 。由于应急钻井液需求量大 ，国内目前还没有成 熟的设备能够满足现场快速混配的需求，为了确保 作业安全 ，大批量加重钻井液提前储备成为必备手 段。元坝地区是中石化川 I 东北天然气资源继普光气 田开发后 又一重 要勘探 区域 ，该区域地质情况 复 杂 ，平均井深 6 9 1 4 ． 2 0 m，钻井施工面临的难题众 多 ，喷漏同存就是其中之一。因此 ，按 中石化川东 北作业要求 ，每 口井均要储备 1 0 0 0 m 左 右的加 重钻井液。储备钻井液的配制均采用钻机 固控系统 钻井液配 液 装 置 进行 混 配 ，效 率 低 ，劳 动 强 度 大 J 。如果储备 的钻井 液在钻 井过程 中没有 使 用 ，完钻后钻井液的弃用处理既造成巨大浪费 ，也 带来一定的污染问题。因此 ，急需研制一种可靠性 高、混配速度快 、混合均匀 、密度可控的加重钻井 液连续快速混配设备。江汉石油管理局第 四机械厂 于 2 0 1 1年成功研制 出加重 钻井液快速混配 设备 ， 并进行了现场试验与应用。 基金项 目中国石油化 工集团公 司石油工程技术先导试验项 目 “ 加重泥浆快速混配设备研制 ” S G O 0 5 0 。 2 0 1 3年 第4 1 卷第 1 期 刘 燕等加重钻井液快速混配设备的研制 1 技术分析 1 ． 1 总体结构 研 制的快速加重钻井液混配设备为橇装结构 ， 所有设备均安装在石油橇上 见 图 1 ，包括橇架 、 混合罐 、搅拌器 、拖拉 多混合器 、上灰连接装置 、 钻井液二次循环及密度检测装置 、排 出系统和电控 系统等 。该设备具有下灰能力大 、加重速度快和混 浆效果好等特点 。 图 1 加 重混 配橇 结 构 示 意 图 F i g ． 1 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f w e i g h t e d mu d b l e n d i n g s k i d 1 一橇架 ；2 --混合罐 ；3 --搅拌器 ；4 一拖 拉多混合器 ；5 --上灰连 接装置 ； 6 一喷射系统 ； 7 一 二次循环及密度检测装置 ； 8 一 排出系统。 1 ． 2 工 作原 理 储存在灰罐里的粉状加重剂通过压缩空气沿管 线输送到拖 拉 多混合器 ，基 础钻 井液 或水 在喷射泵加压后形成高速流体进入拖拉多混合器 ， 高速流体在拖拉多混合器内产生涡流形成真空 ，吸 人粉状加重剂与高速流体进行混合。基浆 或水 的大小通过砂泵排 出口的蝶阀控制 ，加重剂添加 的 速度通过拖拉多混合器上端 的灰 口蝶阀来控制。混 合后的钻井液在钻井液槽中经搅拌器叶片进一步搅 拌混合 ，二次循环砂泵实现钻井液的二次混合甚至 多次混合。钻井液密度计安装在循环管路上 ，能实 时显示混配中的钻井液密度 。作业时根据密度计显 示的钻井液密度调整进液或供灰量的大小 ，以达到 混配密度符合要求的加重钻井液。排出系统主要将 混配好的钻井液排出至罐或钻井泵的吸人 口，以使 混配好的钻井液能通过钻井泵泵入井 内。 1 ． 3 主要技术参数 处 理量 2 4 0 I n ／ h ； 工作压 力0 ． 2 5～ 0 ． 4 0 MP a ； 配料速度 5 0 0～1 5 0 0 k g J m i n ； 配液密度 ≤2 ． 8 g ／ c m 。 2 关键设备及功能 2 ． 1 橇 架 橇架为整套设备提供安装基础 ，采用矩形框架 结构，满足整套设备的吊装要求。 2 ． 2 混浆罐 混浆罐采用带有双搅拌器的锥形弧底结构的混 合罐 ，容积大 达到 6 In ，使密度。贝 4 量更及时、 准确 ，钻井液更加均匀 、密度更稳定 ；罐体设有钻 井液排污管汇 ，作业完成后清理方便 ；钻井液管汇 采用并联离心泵设计 ，排 出泵 和循 环泵可互为备 用 ，提高了整机的可靠性。 2 ． 3 拖拉多混合器 拖拉多混合器 见 图2 主要是采用旋流泵和 射流泵原理 ，将 2种泵结合在一起 ，能有效增加接 触面积 ，混 浆稳定均匀 ，同时将排 出 口设计为立 式，并增加漩流式结构，使其排出性能大大加强。 其主要 由加 重料输送接 口、涡轮旋流式 基浆喷射 器 、快换式接头及 内旋式排出管组成 。 加 重料 入 口 基浆 入 口 固液螺旋混合管道 图 2拖拉 多混 合 器 结 构 示意 图 F i g ． 2 S t r u c t u r d i a g r a m o f d r a g g i n g mi x e r 拖拉多混合器较传统通过射流漏斗混合 的效率 高 了许多。为了延长基浆与重晶石粉的接触混合时 间，增强混合效果 ，在混合器 内部能够快速完成加 重剂与基浆的混合 ，在固液混合的直管 内壁设计了 螺旋槽，混合器内腔采用三通道的同时通过喷射的 方式使加重剂和基浆混合，大大提高混浆效率。 2 ． 4上灰装置 上灰装置 由三叉管 、控灰 蝶阀及 连接管线组 成。连接 口设计为快速安装的由壬式 ；在上灰装置 中配置有控灰蝶阀 ，通过调节该蝶阀的开度 ，以控 制进入拖拉多混合器 内加重剂的流量 ，从而调整混 一 2 6一 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1 卷第 1 期 配的加重钻井液密度。为了确保加重剂流动稳定及 均匀 ，连接管线采用大半径弯头连接。 2 ． 5 喷射 装 置 喷射装置用于吸入基浆 ，使基浆具有一定的流 速进入拖拉多混合器 ，形成旋流 ，使基浆和加重剂 能较好的混合。该装置主要 由电机 、砂泵 、流量控 制阀及连接管线组成。砂 泵从钻井液罐 内吸人基 浆 ，加压后从砂泵排出 口排 出至连接管线内，在管 线上安装有流量控制阀 ，通过流量控制阀，可调节 进入拖拉多混合器基浆的流量和压力 ，从而可以调 节混浆的密度及混浆的能力 。 2 ． 6 二次循环及密度检测装置 二次循环及密度检测装置用于将混合罐内混好 的加重浆再次加压至拖拉多混合器进行再次混合 ， 能在线检测密度。该装置主要 由循环泵 、蝶阀 、密 度计及连接管线组成。循环泵 自混合罐内吸入初混 的加重浆 ，加压后排出，排出分为 2路 ，一路进入 拖拉多混合器进行再次混合 ，以使加重浆混合更加 均匀；一路通过密度计进行在线密度检测后返回至 混合罐 内。该系统 中的砂泵还可以和排 出泵互为备 用 。密度计为非放射源密度计 ，由密度传感器和密 度变送器组成 。密度传感器安装在混浆二次循环管 线上 ，它将实时检测到的密度信号传送给密度变送 器 ，密度变送器可实时显示 当前密度值 。密度计具 有连续测量密度 、粘度以及 自我诊断等功能。仪表 及附件的精度不受环境和安装位置的影响 ，生产过 程中的正常振动不会影响测量精度。 2 ． 7 排出装置 排出装置用于将混合罐内混好的加重浆排出至 钻井液罐或钻井泵 的吸入 口，既可以起到排 出作 用 ，还可 以作 为钻 井泵 的灌注泵使 用。主要 由砂 泵 、蝶阀和连接管线组成 。该装置的砂泵和二次循 环及密度检测装置的砂泵互为备用 ，在对加重钻井 液的均匀度要求不高的情况下 ，可 以不使用二次循 环泵 ，将排 出的加重浆 中的一部 分分流至密度检 测 ，不再进入拖拉多混合器进行二次混合。这样既 增加 了系统的稳定性 ，还可以减少 电能的消耗。 3 现场试验及应用情况 2 0 1 1年 1 2月 ，加重钻井液快速混配设备在江 汉油 田进行 了T业性试验 ，试验设计混配加重钻井 液 6 0 m ，基浆密度 1 ． 1 0 g ／ c m ，加重后钻井液密 度要求 1 ． 9 0 g ／ c m ，加入重 晶石粉 4 8 t ，设备连续 工作时间 1 5 ra i n 。完成加重钻井液 的混配工作后 ， 密度计显示 1 ． 8 9～1 ． 9 1 g ／ c m ，从作业数据及情况 来看 ，作业效果 比较理想 ，混浆质量和效率较之普 通同控设备大为提高 ，混浆均匀 ，钻井液密度误差 仅为 0 ． 0 2 4 g ／ c m 。 2 0 1 2年 2月 ，该设备 在江汉油 田建南 区块进 行了现场应用 ，此次应用为调配基浆 ，混配量 3 2 0 m ，基浆 密度 1 ． 1 0 g ／ o re ，调配好 的密度要求 为 1 ． 2 5 g ／ e ra ，加入调配剂 4 8 t ，经过 1 ． 5 h的连续 工作 ，完成 了该次调配钻井 液的工作 ，作业 过程 中，密度计显示为 1 ． 2 4～1 ． 2 6 g ／ c m ，显示值与密 度秤 测 量结 果有 0 ． 0 3 g ／ c m 的误 差 ，但 差值 很 稳 定 。 现场试验及应用 中，该设备工作性能稳定 ，运 转良好 ；能快速调节钻井液密度，混浆均匀 ，作业 质量好 ，作业效率高 ，能够满足各种不同作业工况 的要求 ，较之其他加重设备具有明显 的性能优势。 4 结束语 现场试验和应用结果表明，加重钻井液快速混 配设备 布局合 理 ，操作方便 ，作业压力 高 ，排 量 大 ，混浆能力强 ，混合密度均匀 ，极大地提高了钻 井液加重的速度 ，整机性能先进 ，工作可靠 ；配套 的密度在线检测替代以往的人工计量 ，不但减轻劳 动强度 ，准确度也得到提高 ，使得现场反馈时间大 幅度缩短 ；既减少 了钻井 现场加重钻井液 的储存 量 ，也减轻了配置钻井液 的劳动强度 和环境污染 ， 具有明显的经济效益和社会效益 。 参考文献 [ 1 ] 柴占文，牟长清，侯召坡，等 ． 4 0 0 0 m低温车载钻 机固控系 统 的研 制 [ J ]．石 油机 械，2 0 1 1 ，3 9 1 0 5 7 6 0 ，6 3 ． [ 2 ] 许锦华，胡小刚，牟长清，等 ．新型钻机同控系统 [ J ]．石油机械 ，2 0 1 0 ，3 8 3 3 4 3 7 ． [ 3 ] 白旭东 ．钻井液加重装置的研制 [ J ]．机械工程 师 ，2 0 1 0 ，4 2 3 1 2 91 3 0 ． 第一作者简介 刘燕 ，工程 师 ，生于 1 9 7 8年 ，2 0 0 1 年毕业于西南石油学院机械设计制造及其 自动化专业，现 从事石油机械研制工作。地址 4 3 4 0 2 4 湖北省荆州市 。电 话 0 7 1 6 8 4 2 9 5 6 7 。Em a i l l i u y a n s w p i 1 2 6 ． c o m。 收稿 日期 2 0 1 20 9 0 5 本文编辑刘峰