泥浆固相含量对钻井的影响及控制方法

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1、中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目： 泥浆固相含量对钻井的影响及控制方法 年级专业： 中原油田2008秋季石油工程专升本 学生姓名： 丁 波 学 号： 0860316073 指导教师： 史玉才 职 称： 副教授 导师单位： 中国石油大学（华东）石油工程学院 中国石油大学培训学院论文完成时间： 2009 年 01 月 10 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 丁波 1设计(论文)题目： 泥浆固相含量对钻井的影响及控制方法 2学生完成设计(论文)期限： 2010 年 01 月 20 日3设计(论文)课题要求： 结合钻井现场，调研分析泥浆固相含量对钻

2、井的影响、各种固相控制方法、常用固控设备及其工作原理。 4实验（上机、调研）部分要求内容： 注意收集典型的现场应用实例，取全取准现场资料。 5文献查阅要求： 查阅相关文献不少于5篇，重点是最近5年的相关著作及科技论文，最好能够包含1篇外文文献。 6发出日期： 年 月 日 7学员完成日期： 年 月 日指导教师签名： 学 生 签 名： 注：1、任务书应附于完成的设计（论文）中，并与设计（论文）一并提交答辩委员会；2、除任务书外，学生应从指导教师处领取整个设计（论文）期间的工作进度日程安排表（包括各阶段的工作量及完成日期）；3、 任务书须由指导教师填写。审批意见： 系主任签名： 年 月 日中国石油大

3、学（华东）现代远程教育毕业论文摘 要泥浆固相控制系统是石油钻井设备中的主要设备之一。在对钻井质量要求日趋提高的现代钻井工艺中，泥浆净化的质量直接影响钻井质量和钻井成本，高质量的泥浆固控系统在钻井工程中起着必不可少的作用。固控系统根据钻井需要配有振动筛、除砂器，除泥器、离心机等不同形式和级别的净化设备，泥浆固控系统的作用是对钻井液进行循环、净化，保证泥浆的密度、粘度等参数满足钻井工艺的要求。关键词：固相控制；固控设备；泥浆；振动筛；旋流分离器；离心机目 录第1章 前言1第2章 泥浆的分类和作用32.1 泥浆的分类32.2 泥浆的作用42.3 泥浆中固相分类5第3章 高固相含量对钻井的影响73.1

4、 高固相含量的危害73.2 固相含量对钻井的影响73.2.1 固相含量对钻井速度的影响83.2.2 固相类型对钻井速度的影响83.3 泥浆固相对油气层的损害9第4章 固相控制方法及设备114.1 固相控制方法114.1.1 大池子沉淀114.1.2 清水稀释114.1.3 替换部分泥浆114.1.4 利用机械设备清处固相114.1.5 化学絮凝114.2 泥浆固控设备134.2.1 振动筛134.2.2 除砂器、除泥器164.2.3 离心机20第5章 结论26参考文献28致谢2929第1章 前言钻井是油气田勘探开发的重要手段。是从地面向地层深处钻出一条具有一定直径直达油气层的孔道，实质上就是不

5、断破碎岩石，并设法把岩屑不断的清除以保证钻进的持续进行。因此开辟破碎岩石、清除岩屑的新途径，积极探索和实验的钻井方法即是钻井科学研究的核心。当前钻井工程中占主导地位的钻井方法仍然是旋转钻进、泥浆循环排屑法。当然，钻井工艺技术水平也在的不断提高，钻井科学研究的广度和深度都不断加强，对各项钻井技术都提出了更高的要求，钻井新工艺技术也不断涌现。在通常采用的旋转钻进、泥浆循环排屑钻井方法中，泥浆具有冷却和冲洗钻头、清扫井底岩屑、携带和悬浮岩屑、稳定井壁、控制地层压力等多方面的作用，因此，人们常常把钻井液比喻成钻井的血液。泥浆工艺技术是现代钻井工艺的重要组成部分，特别是随着钻井新工艺新记住的发展，对泥浆

6、性能控制要求的日益提高。实践证明，泥浆性能的好坏，使用，维护和处理是否得当，直接关系着钻井机械钻速、钻头寿命、井下问题、地面设备磨损(特别是泥浆泵磨损)、泥浆费用以及整个钻井综合成本。钻井固相为泥浆中所含的固体成分，其体积或质量百分比即为我们通常所说的钻井液固相含量。钻井固相按其作用可分为两类：有用固相和有害固相。正因为钻井液固相含量及颗粒大小与钻井综合成本有着如此重要的关系，钻井液固相控制才在钻井工程中显得至关重要。泥浆固相控制就是要清除泥浆中的有害固相，保存有用固相。以满足钻井工艺对泥浆性能的要求。通常将泥浆固相控制简称为固控，泥浆固相控制系统是所有用于泥浆固相控制设备的总称。现代泥浆固相

7、控制是现代钻井的重要手段，是直接影响安全、优质、快速钻井和保护油气层的重要因素，也是钻井工艺进入科学阶段的重要标志。具体来说，泥浆固相控制具有以下重要作用：防止油气通道堵塞、破坏，降低钻井扭矩和摩阻、降低环空抽吸压力波动、降低压差卡钻的可能性、提高钻井速度，延长钻头寿命，减轻设备磨损、提高泥浆循环系统易损件的寿命，增加井眼稳定性，改善井下导管条件，减轻环境污染，维持和调整泥浆的使用性能，减少钻井的费用等。固相控制的方法很多常用的有大池子沉淀、稀释法、替代法、机械法、化学絮凝法五种。稀释法是用清水或其他较稀的液体来稀释泥浆：替代法是利用清水或性能符合要求的泥浆来替代出一部分固相较高的泥浆，从而减

8、轻总的固相含量：机械法是通过振动筛、除砂器、除泥器、离心机等机械设备，利用筛分、离心分离、中立分离等原理，将泥浆中的固相成分按颗粒、密度大小不同而分离开，根据需要进行取舍，以达到控制固相的目的。化学方法是利用不分散体系泥浆来控制钻屑，使之不分散或絮凝，他常常是机械或其他方法的补充。其中由于机械法固控效果好，成本低，且尚无新的固控方法可以替代，故在钻井施工中被普遍采用。第2章 泥浆的分类和作用2.1 泥浆的分类泥浆是粘土颗粒分散在水中而构成的。粘土颗粒是分散体，水是分散介质(或称分散相)，泥浆就是以粘土分散体，水为分散介质的分散体系。通常我们把洗井液惯称为泥浆，这样构成泥浆的分散体就不止是粘土颗

9、粒，而分散介质也不止是水了。以分散和分散介质不同来划分泥浆的分类和组成(见表2-1)。表2-1 泥浆的分类类型组成分散体分散介质水基泥浆淡水泥浆粘土淡水钙处理泥浆粘土水中钙离子浓度大于80毫克/每升盐水泥浆粘土水中含盐量大于1%饱和盐水泥浆粘土饱和盐水低固相泥浆粘土含量少于7%淡水或矿化水油基泥浆沥青、烟黑、亲油粘土柴油或原油乳化泥浆水包油型(混油泥浆)粘土、油滴淡水或矿化水油包水型水、粘土柴油或原油注：上表均系指一般比重的泥浆。若重泥浆，则分散体里还有加重剂颗粒。目前普遍使用的是水基泥浆和混油泥浆。油基泥浆在钻开油层取心钻进时使用，目的是为了消除泥浆对含油岩心的影响。油包水型的泥浆主要是用于

10、超深井、钻易垮塌的页岩层和低压油、气层，它具有抗高温、防垮塌、不腐蚀钢材和较小损害油、气层等优点，是一种良好的洗井液。2.2 泥浆的作用洗井是钻井过程中不可缺少的一个环节。有人把泥浆比作钻井的血液。泥浆停止循环时，钻井工作就不能继续进行。随着钻井生产的发展和泥浆技术水平的提高，人们对于泥浆在钻井中的作用和意义的认识也在逐步的提高。目前，大家公认泥浆是关系钻井成败的主要因素之一。泥浆的作用和地位更加突出，泥浆也更加受到普遍的重视了。泥浆的主要功用如下：(1)携带和悬浮钻屑。泥浆的一个基本功用，就是要把钻头破碎的岩屑从井底带出井眼，保持井眼净化。当接单根或临时停止循环时，泥浆又能把井眼内的钻屑悬浮

11、住，不至于很快下沉，防止尘沙卡钻。这就要求泥浆具有适当的粘度和流变性能。(2)稳定井壁：井壁稳定，井眼规则是优质快速钻井的重要基础条件，也是泥浆措施的基本立足点。泥浆的组成必须对钻遇的泥页岩的水化膨胀和分散具有较强的抑制作用，同时，泥浆的滤失性能应有利于在井壁上形成薄而韧、摩擦系数小的泥饼。(3)冷却和冲洗钻头，清扫井底岩屑。如果泥浆液柱压力大于地层流体压力，这个压力差将把钻头破碎的岩屑紧紧地吸在井底，同时泥浆固相颗粒还可能在井底形成泥饼。如果泥浆液流不能及时清扫井底岩屑，保持井底净化，就造成重复切削，降低井底钻头的破碎效率。井底净化直接影响机械钻速和钻头进尺，因而十分重要。影响井底净化的因素

12、较多，从泥浆本身来说，比重轻，剪切稀释能力大，固相含量少，最初瞬时失水大等，有利于保持井底净化。(4)泥浆比重能在较大范围内调节，以建立与地层压力相平衡的液柱压力，防止喷、漏、塌、卡等井下复杂情况。平衡压力钻井部仅仅是一种防喷、漏的措施，它对井底净化，提高钻速，以及减小泥浆对油层的侵害，提高油井产量等方面，仍然具有重要的意义。2.3 泥浆中固相分类不能简单地把泥浆中的固体看成是没什么区别的，如进行深入的分析则会发现，这些固体的成分、性质、颗粒的大小和在泥浆中的作用极为不同，这些固体可能是粘土，也可能是砂或岩屑，其颗粒直径可能大至几毫米或小至1以下，它们对钻井速度、泥浆性能和井下地层的影响也有很

13、大的差别。根据泥浆中固体的性质可将其区分为两大类。(1)活性固体：这些固体在水中水化分散，它们的物理化学性质受水中的离子和泥浆处理剂的影响，这些固体如粘土和以粘土为主要成分的岩屑。(2)惰性固体：这些固体不溶于水，在水中也不水化分散，如重晶石、石灰石、砂等。根据固体对泥浆性能的影响和它们对泥浆、对钻井的作用来看，泥浆中的固体又可分为：(1)有用固体：包括膨润土(颗粒一般小于2)、重晶石等加重料和一些泥浆处理剂。(2)有害固体：(或称无用团体)是指岩屑、劣质粘土和砂粒，它们的颗粒直径皆大于10。各种不同的固体其颗粒直径范围如下：胶体颗粒 02泥 质 274砂 粒 74常用的重晶石为95%通过20

14、0号筛，即大部分颗粒处于274范围内在钻进过程中地层岩石不断地被钻头破碎，钻屑进入泥浆，而它们大部分是有害固体，如这些钻屑未能及时地在泥浆返至地面后立即从泥浆中清除，其中的泥页岩和粘土将不断地分散成小的颗粒，使泥浆的总固体含量和泥浆中胶体颗粒的含量升高。因此要保持泥浆固相含量低和胶体含量低必须解决以下问题：(1)使钻头钻碎的岩屑和粘土，在井内由井底带至地面的整个过程中不水化、不分散。(2)使钻屑尽快地由井底返至地面，迅速地从泥浆中清除出去。(3)使泥浆中维持适当数量的小于2的肢体颗粒。胶体颗粒是使泥浆具有必要的良好性能的基础，然而如胶体含量过高又会使钻速降低。因此，要在维持良好的泥浆性能的前提

15、下，尽可能降低泥浆中胶体颗粒的含量。总之，为了提高钻井速度、保证井下安全和维持泥浆良好性能，不仅要保持泥浆低固相含量，而且要尽可能降低泥浆中小于2的胶体颗粒的数量(保持在1.52.5最好)。第3章 高固相含量对钻井的影响3.1 高固相含量的危害长期钻井实践得出，泥浆中固相含量的多少以及这些固体的性质和类型对于钻井速度和井下安全是一个要害问题。使用钠基细分散泥浆以及钙处理泥浆、盐水泥浆等祖分散泥浆时，被钻碎的泥页岩的岩屑不断水化分散，使泥浆中固体的含量越来越高。而这些固体的水化分散作用一直不断地进行着，颗粒变得越来越细小，使泥浆中胶体颗粒增加。其结果使钻井速度大大降低，使泥浆性能极不稳定，出现许

16、多井下复杂情况，并会使油、气层受到损害。分散泥浆固相含量高，颗粒细小，有许多危害，表现为：(1)泥浆固相含量高比重高、机械钻速降低，钻头寿命缩短，使钻井速度下降。(2)泥浆固相含量高，泥浆今大量的钻屑和砂子不易清除，泥饼渗透率高，失水量大，使泥浆滤液和细粘土颗粒侵入油、气层，破坏了生产层的渗透串和生产能力。(3)泥饼厚，质地松散，摩擦系数高，失水量大，造成地层膨胀、缩径、剥落坍塌，导致起下钻遇阻遇卡，易发生粘附卡钻和井塌卡钻。(4)固井质量不好。(5)含砂量高，钻头、钻具和机械设备严重磨损、先期报废，使钻井不能顺利进行。(6)资料不准确，砂样混杂，电测不顺利，电测资料不准确。(7)泥浆性能不稳

17、定，粘度、切力高，流动性不好，易发生粘土侵和化学污染。(8)耗费大量的水、泥浆处理剂和原材料，使泥浆成本和钻井成本提高。3.2 固相含量对钻井的影响多年以来，人们千方百计地想把井打快，因为井打得快就可以使钻井成本降低，还能避免许多井下复杂情况，使油田尽早投入开发和开采。但是，提高钻井速度的努力过去多集中于研制高效钻头和改进钻井工艺方面。五十年代后期开始发现泥浆固相含量高给钻井带来的一系列危害，并对泥浆中的固相进行了许多研究工作。人们注意到，清水钻速最快，而水中一旦进入了固体粒子(粘土颗粒)钻速就显著下降，而且怎么也达不到清水钻速那么高。人们通过大量研究工作总结出泥浆固相含量对钻速影响的三条规律

18、。3.2.1 固相含量对钻井速度的影响 钻速随固相含量升高而下降，如设清水钻速为100，固相含量升高至7%时钻速降为50%，即降为原来的一半。从统计得出固相含量每降低1%，钻速至少可以提高10%(如图3-1)。 图3-1 泥浆中固相含量与钻速的关系从图3-1还可以看出，在不同的固相含量范围，钻速随固相含量的降低而升高的幅度不同。泥浆固相含量在7%(约相当于密度为1.08)以下时，钻速提高很快；而超过7%时，降低固相含量提高钻速的效果就不明显。3.2.2 固相类型对钻井速度的影响实践证明，泥浆中固相类型对钻速影响差异较大。砂子、重晶石等惰性固相对钻速影响较小，钻屑、低造浆率的劣质土的影响居中，而

19、高造浆率粘土的影响最大。当泥浆中固相含量相同时，颗粒尺寸不一样对钻速影响不同，小于1的溶胶颗粒对钻速影响最大。实验得出，小于1颗粒对钻速影响为大于1颗粒的13倍。这从固相含量相同分散泥浆和不分散泥浆的钻速差别很大而得到证实(如图3-2)。图3-2 泥浆中固相含量相同是泥浆类型对钻速的影响3.3 泥浆固相对油气层的损害固相损害是指固相颗粒在油气层的渗流通道中造成堵塞而使渗透率下降的现象。入井流体中含有多种固相颗粒。有的固相颗粒是为了达到某一目的而加入的，如加重剂、桥堵剂和压裂支撑等；有的因相颗粒是无意混入而又不易除去的，如岩屑、杂质和铁锈等。外来固相堵塞损害的机理是当井筒中流体的液柱压力大于油气

20、层孔隙压力时，固相颗粒就会随液相一起被压入油气层，从而缩小油气层孔道半径，甚至堵死孔喉，造成油气层损害。影响固相损害的内因是储集层孔喉的尺寸与分布、裂缝的宽度与分布情况。一般认为，渗透性好的油气层，尤其是裂缝性油气层，外来固相颗粒侵入油气层的深度和所造成的损害程度相对较大。影响固相损害的外因有以下三点：(1)固相颗粒的浓度。工作液中固相颗粒的浓度越大，固相堵塞就越严重。实践表明。射孔液中合同相颗粒1%2%就可把炮眼堵死。(2)施工作业参数。最主要的参数包括压差、剪切速率和作业时间等。显然，压差越大，作业时间越长，造成的固相损害就越严重。(3)固相颗粒的尺寸、分布及其与孔喉尺寸的匹配关系。一般认

21、为，如果颗粒直径与孔喉直径的比值大于，则颗粒是不易进入储集层的，这时会在井壁上形成泥饼；如果颗粒直径与孔喉直径的比值在之间，则会造成浅部堵塞；如果颗粒直径小于孔喉直径的，则颗粒会进入储层深处。根据这一原理，可选择适当粒径、适当浓度的含固相颗粒的工作液，并施以适当的压差等，这样就会在短时间内在井壁附近很小的范围造成严重堵塞而形成一个屏蔽带。由于屏蔽带的存在，阻止了固相颗粒以及滤液的进一步侵入，从而达到保护油气层的目的。当需要时，可用射孔或溶蚀等措施来除去屏蔽带。第4章 固相控制方法及设备4.1 固相控制方法4.1.1 大池子沉淀这种方法现场使用较为普遍。固体与液体存在目睹差，经过一定时间后，岩屑

22、会在中立作用下从泥浆中沉降分离出来。如果在情况允许的条件下，向泥浆中加入高分子絮凝剂，那么泥浆中的岩屑和劣质粘土就不分散并絮凝成团簇絮凝状，而加快固体颗粒的沉降速度。沉降法对清水钻进，特别是对不分散无固相泥浆(聚丙烯酰胺溶液)是很有效的。但是，当泥浆粘度稍大(如大于20)特别是具有切力时，颗粒下沉速度便显著变慢，在它们尚未下沉至池底就被冲离大池子进入泥浆槽和上水池，而起不到清除固相的作用。4.1.2 清水稀释当泥浆粘度切力较高时，单靠在大池子中自然沉淀得不到好的效果。这是可以加清水稀释泥浆。当水加入泥浆后，泥浆体积变大，固体含量相对降低。然而清水的加图会使泥浆的性能改变，为了保证原来的性能，还

23、需要加入适量的处理剂。同时要放掉大量泥浆。这种方法既造成浪费，有不安全，尽量不用。4.1.3 替换部分泥浆用清水或固相含量低的泥浆替换出一定体积的固相含量较高的泥浆，从而达到降低泥浆固相含量的目的。与稀释法比替换法可以减少清水和处理剂的用量，对原有泥浆性能影响也较小。但也不是清处固相的好方法。4.1.4 利用机械设备清处固相通常用于泥浆固相分离的设备有振动筛、旋流分离器、离心机三大类。根据清除固相颗粒尺寸不同，旋流分离器又分为除砂器、除泥器。4.1.5 化学絮凝60年代末期国外将聚合物絮凝剂引入泥浆中，不分散低固相聚合物优质泥浆得到应用，从而使钻井速度大幅度提高。国内自1974年开始研制和试验

24、该类泥浆及其用剂，在全国各油田推广应用，已成为喷射钻井技术中不可缺少的必要条件。下面简要介绍有机聚合物絮凝剂。(1)聚合物絮凝剂的类型根据聚合物絮凝剂与泥浆中固相作用的情况，分为下列两种：a.全絮凝剂：聚合物能使泥浆中所有的固相(包括膨润土、钻屑等)都发生絮凝沉淀，这种聚合物称全絮凝剂，如聚丙烯酰胺属此种类型。b.选择性絮凝剂：只絮凝钻屑和劣质土，而不絮凝膨润土的聚合物絮凝剂，如合适水解度的部分水解聚丙烯酰胺。常用的有机聚合物絮凝剂有聚丙烯酰胺(PAM)、部分水解聚丙烯酰胺(PHP)、80A-51、醋酸乙烯酯顺丁烯二酸酐共聚物(VAMA)。(2)有机聚合物絮凝剂的作用机理有机聚合物絮凝剂对泥浆

25、中固体颗粒的絮凝作用分三个步骤。吸附：通过分子链上的吸附基团(如羟基-OH、酰胺基-CONH)与粘土表面的氧原子或氢氧原子之间形成氢键而发生吸附，同时通过分子链上的离子化基团(如羧钠基-COONa)还可以与粘土颗粒断键边缘产生静电吸附。架桥：由于絮凝剂的分子链较长，分子链上有多个吸附基团，所以一条长链上可以同时吸附多个粘土颗粒，这一作用过程就是长链分子在粘土颗粒问的架桥作用。形成团块，在重力作用下下沉：当架桥作用完成后，聚合物分子链本身及其链段发生旋转和运动(称之痉挛)，将小的粘土颗粒聚集到一块，形成絮凝团块，在重力作用下絮凝团块下沉，从泥浆中除去。(3)聚合物絮凝剂的加量要想达到好的絮凝效果

26、，絮凝剂的加量一定要合适。理论和实验证明，只有当絮凝剂的加量为泥浆中固相饱和吸附量的二分之一时，才能达到最佳絮凝效果。4.2 泥浆固控设备4.2.1 振动筛振动筛是固控系统中最重要的净化设备，作为泥浆的第一级净化，其作用是将从井口返出的泥浆中大于70的较大颗粒除去，并且不产生破碎，以便下一级净化设备对泥浆进一步净化。振动筛性能的优劣除直接影响第一级处理的质量外，对下级净化处理设备性能的发挥也有很大的影响。(1)振动筛的性能分析振动筛按结构可分为矩形振动筛和圆形振动筛，目前矩形振动筛使用最广，它的主要特点是整个筛箱呈矩形，通过隔振弹簧安装在矩形底座上，筛箱的运动呈二维平面运动。而圆形振动筛主要用

27、于泥浆清洁器中旋流器底流下的细目振动筛，它的主要特点是整个筛箱呈圆形，激振器垂直安装，筛箱的运动呈三维空问振动。图4-1为普通振动筛的工作原理简图。图4-1 振动筛工作原理图振动筛主要由电机、筛框、筛网、主轴、偏心块、轴承和隔振弹簧几部分组成，除电机和偏心块以外的振动部件通常称为筛箱，筛网固定在筛框之上。电机通过皮带轮带动由偏心块(偏心轴)等部件构成的激振器旋转，迫使筛框在垂直纵平面内做谐振动或准谐振动。待处理的泥浆固相颗粒进入筛面，在筛面上做抛掷运动，小于筛孔的颗粒和液相通过筛孔被泥浆罐集收，大于筛孔的颗粒从筛网出口排出，从而达到筛分的目的。振动筛是一种过滤性的机械分离设备，相对于其它机械分

28、离设备，其单位成本所能获得的固体排除量最大，是一种经济、高效率的分离设备。振动筛是现代钻井作业中必不可少的设备，它利用筛网回收泥浆中的液相，并将大小不等的固相颗粒分类去除，在固相控制设备中，从井底返回的泥浆，首先通过振动筛，去除较大的固相颗粒，如果它发生故障，后面的固控设备就无法正常工作。振动筛筛网网目的大小一般根据钻井作业的需要而选择，粗筛网为1820目，较细筛网一般为5080目，也有采用200目，甚至更细的网目。细筛网一般作为二级串联使用，未净化的泥浆先经过粗筛网，经过过滤处理后再经过细网目的筛网，以去除更细小的固相颗粒。筛网振动频率对清除固相颗粒的效果影响较大，筛网振动频率一般为1200

29、2500，增加振动筛的筛网频率可以使泥浆与筛网的接触机会增加，细砂不易沉积在筛网上，可以使筛网的通过能力增加，提高分离效果。筛面倾角的大小取决于振动筛的处理量和筛除效果，当振动筛的其它参数确定以后，筛面倾角越大，则处理量越小；筛面倾角越小，则处理量越大，一般振动筛的筛面倾角为。(2)振动筛的选用振动筛的使用性能主要反映在处理能力、工作的稳定性、寿命的长短和操作的灵活性等几方面，振动筛的处理能力与振动筛的结构、运动轨迹、振动频率、振动强度、筛网面积和筛网的目数有关系。目前较为先进的振动筛一般多是高速、线性、细目、多层的振动筛，能够较好地满足钻井工程的要求。振动筛分离钻屑的能力由它的主要工作部件筛

30、网决定，所以某种振动筛的性能好坏，从现场使用者的角度来看，很大程度上是由该筛实用筛网目数、筛网的面积决定的。如图4-2是振动筛网分离曲线图。图4-2 分离曲线图从图4-2中可以看出，振动筛筛网的目数不同，筛分的固相颗粒的粒径也是不同的。30目筛网的筛分颗粒的最小粒径为540，50目筛网的筛分颗粒的最小粒径为280，60目筛网的筛分颗粒的最小粒径为230，200目筛网的筛分颗粒的最小粒径为170，120目筛网的筛分颗粒的最小粒径为110，200目筛网的筛分颗粒的最小粒径为74，325目筛网的筛分颗粒的最小粒径可达到44。根据新型泥浆固控系统(即ZYK-160型泥浆固控系统)的设计要求，配备的泥浆

31、振动筛的固相分离粒径最小为74的要求，振动筛应能安装200目的筛网。在选用振动筛时，泥浆的许可处理量是一项重要的参数。为了使振动筛与钻机匹配，就必须考虑泥浆泵的最大排量及钻进中产生的钻屑量，即： (4-1)式中：振动筛处理量，； 泥浆泵最大排量，： 钻进中的钻屑量，。由于不同钻机的机械钻速差异较大，单位时间内的钻屑量相对泵排量较小，振动筛一般采用双联组成。故可将上式改写为： (4-2)对于双联式振动筛，更换筛网时，必有一单筛停止工作，另一单筛必须能够承担处理全部泥浆的任务，故对于双联筛，式中系数。考虑到适当的安全系数，以免因振动筛的处理量不足造成跑浆，选取。表4-l为目前钻井队在用的钻井泵型号

32、及排量情况对照表。表4-1 钻井泵的排量表钻井泵型 号单泵排量Q泵()双泵排量()所需振动筛处理量Q筛()F-1000(3NB-1000)38(170钢套)76114F-1300(3NB-1300)46.6(180钢套)93.2139.8F-1600(3NB-1600)51.9(190钢套)103.8155.7中深井钻机配备的钻井泵主要为1300型钻井泵，配备数量为2台，见表4-1可知，新型泥浆固控系统需配备2台振动筛，所需振动筛的处理量约为140，单个振动筛的处理量为70。4.2.2 除砂器、除泥器除砂器，就是用于清除泥浆中砂子颗粒的一种分离设备。除泥器，就是用于清除泥浆中粘泥颗粒的一种分离

33、设备。除砂器与除泥器的工作原理是一样的，都是由一组水力旋流器和一个处理旋流器底流并回收泥浆的小型超细网目振动筛组成。除砂器主要适用于加重的水基泥浆，其有效分离粒径为4474，若用于处理油基泥浆时，有效分离粒径会减小到70。除泥器主要适用于固体含量较低的非加重水基泥浆，有效分离粒径为840，若用于处理油基泥浆时，有效分离粒径则增大为4050。目前生产的旋流器主要有2、4、5、6、8、10、12等七种规格，考虑到法定计量单位和现场使用的情况，一般将上述英制规格换算并圆整为50、100、125、150、200、250、300等规格。(1)除砂器、除泥器的性能分析除砂器、除泥器的结构均为平衡式水力旋流

34、器，结构原理如图4-3所示。上部是一个圆筒形，内径即为旋流器的名义尺寸。圆筒的一侧有一切向入口，即进浆口，筒的中心有一涡流导管，伸出器顶，为溢流口，下部为圆锥形，底部开口为底流口，底流口直径大小可调。液流从进液口切向进入后，由于离心力的作用，密度大的颗粒被甩向外壁，沿旋流器内壁螺旋下行流向底流口，而净化后密度小的液体则反向螺旋上行经涡流导管流出溢流口，液流中的固体颗粒沿内壁下行，从底流口排出。旋流器的名义尺寸越大，所除掉的固体颗粒越粗，所需要的工作压力越小，泥浆的处理量越大。 图4-3 旋流器结构示意图1-溢流；2-进口管；3-涡流导管；4-涡流；5-进口腔；6-底流除砂器、除泥器在固控工艺流

35、程中位于振动筛之后，它们的主要用途是将通过振动筛后还混在钻液体系中的更微小的固相颗粒清除出来。除砂器、除泥器的核心部件水力旋流器是根据离心沉降分离原理设计的固液分离设备，它分离固相的能力与本身的结构参数、进浆压力和泥浆特性有关。旋流体内径越小，能分离出的固相颗粒越细。习惯上称内径大于150的，只能分离较粗砂粒的旋流器为除砂器，内径150至70的，能分离较细固相颗粒的旋流器为除泥器。水力旋流器的直径、进料口尺寸及进料管形状、流通形式、溢流口尺寸及溢流管插入深度、底流口尺寸等都是影响旋流器工作特性的重要因素。旋流器的处理量与自身直径的平方成正比，溢流中的固相粒也随直径的增大而增大。溢流管插入过深或

36、过浅都会使溢流中固相粒径增大。底流口尺寸过大或过小对底流的排出均不利。目前国内外除砂器、除泥器的处理量大致相同，都在150200左右，而其固相分离能力主要由旋流器的直径决定。如图4-4反映了目前国内外除砂器、除泥器使用的旋器分离固相颗粒的性能。图4-4 固相分离曲线图从图4-4中可以看出，旋流器处理固相颗粒的曲线比较平缓，即使使用很小口径的旋流器也很难将很大直径的固相颗粒100%的清除干净，这就是旋流器无法代替振动筛和离心机的原因。从现场使用反映来看，除砂器、除泥器是固控工艺中使用效率最低的固控设备。主要原因是除砂器、除泥器分离固相的范围不稳定，分离效果不如振动筛和离心机明显，在某些情况下其处

37、理范围可以被振动筛和离心机替代。但它们有一个不可替代的功用就是，在振动筛无法使用的时候(比如振动筛网糊筛或振动筛损坏)，可以用它们来清除泥浆中本该由振动筛清除的较大泥浆固相颗粒。(2)除砂器、除泥器的选用原则选择除砂器、除泥器时，首先要考虑下列因素：a.分离粒径。从理论上说，当旋流器的进浆压头相同时，直径越小的旋流器分离粒径越小。但实际上，由于泥浆的性能和操作方法的不同，分离粒径往往会大于或小于旋流器的设计规定。除砂器用来清除3074的结构尺寸有关，而且也与泥浆浓度、密度和进液压力有关。表4-2为常用旋流器的工作范围表。表4-2 旋流器工作范围表旋流器规格英寸()2(50)4(100)5(12

38、5)8(200)10(250)12(300)处理()2.8-3.78.4-10.718-2031-4080-100100-114分离粒径()71020303650从表4-2可知，不同直径的旋流器的分离固相颗粒的粒径是不同时。根据新型泥浆固控系统(即ZYK-180型泥浆固控系统)的设计要求，除砂器的固相颗粒分离粒径为4474，因此12英寸的旋流器可以满足设计要求。除泥器的固相颗粒分离粒径为844，因此4英寸的旋流器可以满足设计要求。为了满足处理全部泥浆的要求，除砂器和除泥器必须由若干个旋流锥筒组成以满足处理量的要求。同时，保证旋流器正常工作，进液压力必须达到工作要求。根据国内外资料介绍及现场使用

39、情况，进液压力应保持在0.250.35这个范围内工作效果最好。除泥器因旋流锥筒多、管线长，进液压力应取较大值；除砂器因旋流锥筒少，管线短，进液压力应取较小值。进液压力的大小主要取决于砂泵匹配是否合理，因而砂泵的选择是至关重要的，砂泵扬程通常为40左右，进液压力能够达到要求，排量能与除砂器和除泥器所标定的处理量相等，可满足使用要求。b.泥浆许可处理量。选用除砂器和除泥器时必须参考钻井泵的最大排量，以期达到匹配合理。无论是除砂器还是除泥器，都要保证能够全部处理钻井过程中的最大泥浆排量。一般规定除砂器、除泥器的处理量应为125%的最大泥浆排量。在钻井作业中，一般都使用单泵供液，1300型钻井泵的最大

40、排液量为46.6，这样，除砂器、除泥器的泥浆处理为： (4-3)式中：除砂器(除泥器)处理量，；钻井泵最大排量，；则=46.6125%58。4.2.3 离心机离心机是泥浆固控设备中的重要装置之一，一般安装在固控流程中的最后一级。用来处理非加重泥浆时，可以除去2以上的有害固相；处理加重泥浆时，可以除去泥浆中的多余胶体，控制泥浆的粘度，回收重晶石，对保护油气层、实现快速钻井具有重要的作用。(1)离心机的性能分析石油钻井中使用的离心机主要为螺旋式沉降离心机，离心机由电动机、转鼓和螺旋输送器等几部分组成，结构如图4-5所示。螺旋输送器在锥形筒转鼓内转动，锥形转鼓同时同向旋转，其转速略高于螺旋输送器。泥

41、浆由加料管进入螺旋输送器内的空心轴，再流入转鼓内。由于转鼓在高速旋转，带动进入的泥浆一起旋转，泥浆中的固相被甩到转鼓壁上，由螺旋输送器推向小端的卸料孔排出，清洁泥浆作为溢流从转鼓大端的溢流口排出。图4-5 离心机结构示意图离心机是利用离心沉降原理分离固体和液体的专用设备。它安装在水力旋流器之后，分离旋流器不能分离的细小颗粒。目前在现场应用中根据转速的不同将离心机分为三类，一是转速范围为16001800的离心机，离心力为重力的500700倍，对低密度的泥浆分离点为610，对高密度的泥浆分离点47，进浆速度为2.39，这种离心机主要用来清除胶体，控制泥浆的粘度。二是转速范围为19002200的离心

42、机，离心力为重力的800倍，对泥浆分离点为571，进浆速度为2345，这种离心机主要用来清除泥浆中的57的固相有害颗粒。三是转速范围为25003000的离心机，离心力为重力的12002100倍，对泥浆分离点为25，这种离心机主要用来清除泥浆中25的固相有害颗粒。在加重泥浆中应用离心机的首要目的是控制粘度。因为在高粘度下，钻井速度较慢。控制粘度的方法是将引起粘度增加的超细颗粒固相和胶体通过溢流分离出来，排至废料池，而将含有大量重晶石的底流重新返回泥浆循环罐内。在非加重的低固相泥浆中，离心法是很有效的固液分离方法。用于这方面的离心机通常是大处理量型离心机，每小时能处理2345的液体，处理34固相。

43、离心机将泥浆分离为溢液和底流两部分。底流中含有大量无用固相排到废浆池中，而贵重的液相再返回到循环罐中去。由于低固相泥浆所带来的巨大效益，因此，用离心机来清除非加重泥浆中的固相越来越普遍了。旋流器(除砂器、除泥器)底流含有较多的液体，将其送入离心机，离心机分离出的固体被排入废浆池，分离出的液体返回循环使用，用这一方法来回收储浆罐中的水也是很有效的。也可以用沉降式离心机来清洁完井液。在此情况下，一般使用高处理量离心机从昂贵的完井液中清除无用固相，使得这些完井液得到重复利用。对于非加重泥浆，主要目的是回收液相，对于加重泥浆，主要目的是回收加重材料，排出超细岩屑的颗粒，减小粘度。在离心机的底流安装一个

44、可调导流滑板，即可完成这一工作。从上面分析可以看出，离心机的主要用途有：增加泥浆比重，减少泥浆体积，缩减泥浆用量；控制影响粘度的胶体颗粒，降低泥浆的流动性能；回收重晶石；消除污染物造成的污染；在回收化学药剂和胶体颗粒的同时，降低泥浆中总固相含量。为了达到上述目的，离心机的转速应在20003000的范围内。(2)离心机的工艺参数的选择离心机是一种利用离心力进行分离固相和液相的重要固控设备，在选择离心机时，其分离因数的大小是衡量离心机性能特征的一个重要指标。分离因数的物理意义是指在离心力场中，物体受到的离心力与其自身重力的比值，其计算公式为： (4-4)式中：分离因数；离心机转鼓角速度，；离心机转

45、鼓内半径，；重力加速度，当离心机转鼓旋转时，离心机中的固相颗粒受到离心力、重力、泥浆悬浮力和泥浆粘滞阻力作用。由此可得到固相颗粒的力学方程： (4-5)离心力与浮力的差值： (4-6)泥浆的阻力： (4-7)由于重力与离心力相比很小，可忽略不计，由此可得到固相颗粒的运动方程： (4-8)式中：固相颗粒的质量，； 泥浆中液相密度，； 固相颗粒的当量直径，；固相颗粒的旋转半径，；泥浆对固相颗粒的阻力系数；固相颗粒的沉降速度，。根据列辛科准数方程，。及雷诺和列辛科的试验数据可知，离心机中的固相颗粒沉降运动一般处于层流区或过渡区，固相颗粒沉降运动是处于层流区还是过渡区，可根据准数判断： (4-9)式中

46、：泥浆的动力粘度， 。通过对国内外泥浆净化用离心机进行计算分析得知，泥浆中的沉降运动处于层流区或过渡区。层流区的沉降速度： (4-10)过度区的沉降速度： (4-11)假设固相颗粒的沉降运动处于层流区，则其沉降速根据斯托克斯定律得知固相颗粒在泥浆中的自由沉降速度将值带入后，得： (4-12)固相颗粒从自由液面沉降到鼓壁的时间： (4-13)式中：离心机中泥浆自由液面半径，。假设固相颗粒与泥浆在轴向无相对移动，那么固相颗粒在离心机中的滞留时问，等于泥浆所走轴向沉降区所需时间： (4-14)沿转鼓整个截面轴向速度是不变的，即： (4-15) (4-16)要实现固相分离，必须满足，即： (4-17)

47、式中：处理量，沉降区长度，将代入上式整理得； (4-18)根据上式可以看出，越大，泥浆中固相颗粒受到的离心力越大，分离效果也就越好。因此，采用分离因数较大的离心机，可以有效地提高泥浆的固相分离效率。离心机的分离因数与转鼓直径及最高转速是相互联系的。表4-3是离心机的转鼓直径、转速及分离因数关系表。表4-3 离心机转速与分离因数关系表转鼓直径()2003504506008001000最高钻速()720041003200240018001400最大分离因数570033002500190014001150通过上述分析可以得出，离心机的选择受到要分离固相颗粒的粒径大小、离心机的转鼓直径、最高转速及分离

48、因数的影响，为了清除的固相颗粒，离心机的转速应在20003000的范围内，分离因数应达到2500。第5章 结论基于上述分析，可以提出以下结论及认识：(1)根据介质的不同泥浆分为水机泥浆、油基泥浆、乳化泥浆。根据不同地层的需要及钻井设计来合理的选择泥浆体系是快速、优质、安全钻井的必要条件。(2)泥浆中固相分为活性和惰性或有用和无用，合理的控制泥浆固相在泥浆中的百分含量可以使钻速达到最好效果；合理控制泥浆固相类型可使泥浆性能达到最好效果。(3)振动筛、旋流分离器、离心机是钻井过程中必不可少的三大固控系统，在固控中起到了非常重要的作用，再合理的结合使用化学絮凝就能更有效的控制泥浆中固相，才能保证泥浆

49、的性能使钻井安全、优质、快速的进行下去。固控设备的工作原理、净化效率、使用范围进行分析对比，根据建立的固控流程的具体要求进行参数计算，选定固控设备，达到最佳的匹配效果。(4)国内固控设备在质量与国外还存在一定差距，结合实际情况合理吸收国外优点提高自己产品质量。主要提高材料、加工工艺、加工精度和配套使用的通用设备的质量。近几年，我国固相控制设备的制造工艺和产品质量有很大提高，产品的类型和设备的性能基本上可以满足钻井工程的要求，但与国外的固控设备相比，我国的总体水平尚有一定差距，今后应在以下几个方面加强我们的工作； 我国在振动筛的振动理论研究方面比较深入，应该把理论研究的成果很好地应用到振动筛的设

50、计与制造之中。与国外相比，我国振动筛的类型少，缺乏特殊结构类型的振动筛，像国外的干燥型细目振动筛、履带式非振动筛折设备等，我国应研制更多类型的振动筛，以适应各种情况的需要。 国外的固控设备性能好，寿命长，在这方面国产的因控设备有一定差距。造成差距的原因主要是材料、加工工艺、加工精度和配套使用的通用设备(例如电动机)的质量。 国内固控系统的设备配置比较单调，这与设备类型少的限制有关。国外的系统配置不拘一格，它可根据生产和环保的要求选配相应的设备进行特殊的、非常规的组合应用，以取得最佳的固控效果，例如在系统中全部配置振动筛。我国应研制一些特殊类型的固控设备，例如用于海洋钻井的环保型专用固控设备等，

51、丰富我国因控设备的类型，适应各种钻井条件的要求。 国外特别重视固控系统设备的优化配置和整个固控系统的效率评价，井为此开发了泥浆固相控制专家系统。在这方面我国的差距较大，开展的研究工作很少，应尽快开发针对国产固控设备的评价计算模型，开展固控系统的效益评价，研制开发适合多种工况的多功能固控配套系统，进一步推动我国困相控制工艺技术的发展，更好地为钻井工程服务。参考文献1 嵇彭年钻井机械北京：石油工业出版社，19872 符明理钻井机械北京：石油工业出版社，19863 周汉声固控设备设计与使用的评论石油矿场机械，1989；18(3)：46-484 陈庭根钻井工程理论与技术东营：中国石油大学出版社，200

52、65 鄢捷年钻井液工艺学东营：石油大学出版社，20016 贾铎钻井液北京：石油工业出版社，19807 西南石油学院钻井教研组石油钻井工人读本北京：石油化学工业出版社，19758 韩滨ZYK-160型钻井液固控系统的研究与设计机械工程，2007；12(5)；15-26致 谢本论文是在史玉才教授的指导下完成的，从开题到定稿，倾注了导师的大量心血。导师严谨的治学态度、认真求实的科研作风使我受益匪浅，同时也让我深刻体会到了科研的艰辛和乐趣，培养了我勤奋踏实的求学态度。值此毕业之际向我的导师致以最崇高的敬意。在整个论文的过程中，得到了很多老师的大力帮助，他们渊博的知识、敏锐的思维、谦逊踏实的作风都让我深

53、深的敬佩，耐心的指导，鼎力的帮助让我感动，在此，送上我最诚挚的感谢和祝福。感谢在求学期间给予我热心指导和帮助的老师们，感谢他们无私的帮助和热心的关怀。衷心感谢所有曾经帮助过我的老师、亲人、同学和朋友们。中国石油大学（华东）现代远程教育指导教师： 史玉才 职称： 副教授 工作单位：中国石油大学（华东）石油工程学院 对函授（网络） 2008 级 秋 季 专升本 层次 石油工程 专业学员 丁波 所完成毕业设计（论文）的评 语 论文结合钻井现场，调研分析泥浆固相含量对钻井的影响、各种固相控制方法、常用固控设备及其工作原理。 论文结构较合理，格式较规范，不足之处是参考文献不是最新的。论文整体达到了现代远程教育本科毕业论文要求，同意提交评审。 指导教师签名： 年 月 日中国石油大学（华东）现代远程教育中国石油大学 石油工程 学院 油气井工程 系 石油工程 专业毕业设计答辩小组对函授（网络） 2008 级 秋 季 专升本 层次 石油工程 专业学生 丁波 所完成毕业设计（论文）的结 论 答辩（评审）组成员：姓名 职称