冒乃兵 袁少山 徐良奎 吳益泉 張 坤 戴忠勤

1.中國石油天然氣管道局穿越分公司 2.中國石油西氣東輸管道公司管道建設(shè)項目部

3 300m長江天然氣管道穿越工程距離長、地質(zhì)條件復(fù)雜，主要穿越地層為粉砂層、細(xì)砂層，按照近年來類似工程的施工經(jīng)驗，鉆井液處理是一個很大的難點[1－4]。

鉆井液中的固相顆粒對鉆井液的密度、黏度和切力有著明顯的影響，而這些性能和鉆井液的水力參數(shù)、鉆井速度、鉆井成本和井下情況有著直接的關(guān)系。鉆井液的固相控制是鉆井液工藝的重要內(nèi)容之一[5－10]。

3 300m長江天然氣管道穿越工程在鉆井液回收處理中存在比較大的難點，主要體現(xiàn)為傳統(tǒng)鉆井液回收處理系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足長距離砂層中鉆井液處理的需求。

1 傳統(tǒng)鉆井液回收系統(tǒng)的缺陷分析

傳統(tǒng)的鉆井液回收系統(tǒng)主要是振動篩及旋流器回收系統(tǒng)，在粉砂、細(xì)砂地層中，鉆渣主要為砂土、粉土等，其粒徑較小，振動篩去除較困難[11－13]。表1為土顆粒分類標(biāo)準(zhǔn)。

表1 土顆粒分類標(biāo)準(zhǔn)表

篩網(wǎng)的孔徑大小是由目數(shù)決定的，目前在傳統(tǒng)鉆井液回收系統(tǒng)中應(yīng)用的篩網(wǎng)目數(shù)最多為120目，篩網(wǎng)孔徑與目數(shù)的關(guān)系見表2。

從表1、2中數(shù)據(jù)可以得知，在粉細(xì)砂層中，鉆屑顆粒的粒徑大部分都小于75μm，而傳統(tǒng)鉆井液回收系統(tǒng)常用的篩網(wǎng)粒徑最小為125μm，雖然除泥旋流器可以去除一部分100μm以下的有害固相，但是去除量很小，無法通過振動篩回收系統(tǒng)有效去除粉細(xì)砂層鉆井液中的有害固相。而如果采用進(jìn)一步增大篩網(wǎng)目數(shù)的方法去除有害固相，又會導(dǎo)致在實際施工中鉆井液回收的功效大大降低，大量的鉆井液無法有效得以回收。

表2 篩網(wǎng)孔徑與目數(shù)關(guān)系對照表

2 新型離心機(jī)鉆井液回收系統(tǒng)去除固相研究

2.1 幾種鉆井液回收系統(tǒng)的理論分析

鉆井液中固相含量高可導(dǎo)致形成厚的濾餅，容易引起壓差卡鉆；導(dǎo)致濾餅的滲透率高，濾失量大，造成儲層損害和井眼不穩(wěn)定，同時造成鉆頭及鉆柱的嚴(yán)重磨損，尤其會降低機(jī)械鉆速 。

鉆速隨鉆井液中固相含量升高而下降。鉆井液中固相含量每升高7%，鉆速降低50%。大量研究結(jié)果顯示：鉆井液中固相含量每降低1%，鉆速至少可提高10%。鉆速與鉆井液中固相含量的關(guān)系見圖1。

實踐證明，鉆井液中的固相類型對鉆速影響差異較大，當(dāng)鉆井液中固相含量相同時，固相顆粒尺寸不一樣對鉆速影響不同，高造漿率黏土對鉆速的影響最大。每種鉆井液處理設(shè)備對于鉆井液中固相含量的處理效果差異較大，不同鉆井液處理設(shè)備對鉆井液固相的處理效果見圖2。

圖1 鉆速與鉆井液中固相含量的關(guān)系圖

圖2 不同鉆井液處理設(shè)備對鉆井液固相的處理效果圖

離心機(jī)清除鉆井液中的固相不增加鉆井液體積，不必補(bǔ)加大量處理劑，故有利于降低鉆井液成本，同時對鉆井液的性能影響小，有利于井下正常鉆進(jìn)[14]。

通過以上分析并經(jīng)過試鉆過程的現(xiàn)場應(yīng)用，決定在長江3 300m天然氣管道穿越工程中應(yīng)用此新型離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)，為保證鉆井液性能奠定基礎(chǔ)。

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用情況分析對比

現(xiàn)場對振動篩回收系統(tǒng)、中速離心機(jī)、高速離心機(jī)處理后的鉆井液進(jìn)行了大量試驗。鉆井液泵的維修情況與鉆井液含砂量的關(guān)系如下：①鉆井液含砂量大于8%時，幾乎每天要更換密封、柱塞；②鉆井液含砂量小于2%時，3～5d更換1次密封；③鉆井液含砂量小于0.5%時，很少更換密封、柱塞。

現(xiàn)場不同鉆井液回收系統(tǒng)對鉆井液的處理效果對比見表3。

現(xiàn)場除渣效果顯示離心機(jī)相對于其他鉆井液回收系統(tǒng)對鉆井液中有害固相的處理量大、處理效果好（圖3、4）。

對以上試驗及統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行分析可知：①振動篩回收系統(tǒng)處理的鉆井液含砂量非常大，含砂量難以控制，對現(xiàn)場設(shè)備損害大，回收處理后的鉆井液靜切力較大，說明其有害固相含量較高，對擴(kuò)孔施工的扭矩和鉆速影響大；②中速、高速離心機(jī)處理后的鉆井液含砂量很低，可以控制為不超過0.5%，鉆井液對設(shè)備損害非常小。離心機(jī)對鉆井液中有害小顆粒固相的控制非常好，使得鉆井液靜切力不至于過大而導(dǎo)致泵啟動和鉆井液初始流動困難，利于降低擴(kuò)孔扭矩，加快鉆進(jìn)速度。

表3 現(xiàn)場不同鉆井液回收系統(tǒng)對鉆井液的處理效果對比表

圖3 離心機(jī)除去鉆井液中固相的效果圖

圖4 其他鉆井液回收系統(tǒng)處理后的效果圖

2.3 離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)應(yīng)用效果總結(jié)

1）離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)適用的地層。通過前面的分析可以知道，離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)在定向鉆中的應(yīng)用地層主要有細(xì)砂層、粉砂層、粉土、黏質(zhì)粉土等鉆屑小于75μm的地層。如果在中砂以上的地層中使用離心機(jī)回收處理鉆井液有2個劣勢：①鉆屑對旋轉(zhuǎn)軸的損害較大，設(shè)備維修率過高；②傳統(tǒng)的振動篩式鉆井液回收系統(tǒng)在中砂以上地層的使用效果較好，而且費用較低，單位時間內(nèi)的有效處理量大。因此，離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)不能盲目地使用，在粉細(xì)砂層及更細(xì)鉆屑的地層應(yīng)用可得到較好效果。

2）離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)振動篩鉆井液回收處理系統(tǒng)的對比。在406mm管道穿越中采用的是傳統(tǒng)振動篩鉆井液回收處理系統(tǒng)，而711 mm－B管道穿越中采用的是離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)。在同一種地層中采用此2種鉆井液回收處理系統(tǒng)，所以有了可對比性。在粉細(xì)砂層中處理效果對比情況如下：①振動篩鉆井液回收處理系統(tǒng)處理量較大，可達(dá)到200m2／h，離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)處理量為40m2／h，但是2臺離心機(jī)可滿足施工要求；②離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)可控制的鉆井液含砂量不超過0.5%，而振動篩鉆井液回收處理系統(tǒng)處理后的鉆井液含砂量基本上超過了5%；③離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)對于鉆井液性能的破壞很小，可以去除其中的有害固相（主要是黏粒），而振動篩鉆井液回收處理系統(tǒng)只能通過旋流器去除一部分鉆井液中的有害固相，處理量很小，在粉細(xì)砂層中的使用效果很不好。

3）中速、高速離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)在現(xiàn)場的應(yīng)用情況對比。在使用離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)的過程中發(fā)現(xiàn)，中速、高速離心機(jī)在現(xiàn)場的應(yīng)用存在一定的差異，主要對比情況見表4。

表4 中速及高速離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)現(xiàn)場使用情況對比統(tǒng)計表

由以上統(tǒng)計結(jié)果可以得出：①中速、高速離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)對于鉆井液的處理效果都較好，處理后鉆井液的性能都可以滿足工程要求；②中速離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)更適合于粉細(xì)砂層鉆井液的處理，其維修、維護(hù)保養(yǎng)更為簡單，施工效果更好；③由使用效果可以推斷，高速離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)更適用于黏土類地層中的管道穿越施工。

3 結(jié)論

1）離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)清除鉆井液中的固相不增加鉆井液體積，不必補(bǔ)加大量處理劑，有利于降低鉆井液成本。

2）離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)對鉆井液的性能影響小，調(diào)漿方便，有利于井下正常鉆進(jìn)。

3）離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)有效除去了鉆井液中的有害固相，降低了擴(kuò)孔扭矩，加快了機(jī)械鉆速，有利于設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。理論及實踐皆證明離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)更適用于粉細(xì)砂地層中的穿越鉆井液處理。

4）離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)在中、粗砂以上地層的穿越施工中較傳統(tǒng)鉆井液回收處理系統(tǒng)存在一定的劣勢，此時不應(yīng)盲目使用離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)。

5）中速離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)較高速離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)在粉細(xì)砂地層中的穿越鉆井液處理應(yīng)用功效更高，而高速離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)更適合于應(yīng)用在黏土類地層的穿越施工中。

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（修改回稿日期 2013－12－19 編輯 何 明）