張 飛，熊虎林，呂 方，米合江，王智慧，孫 鑫

(新疆地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第九地質大隊，新疆烏魯木齊830000)

0 引言

泥漿是鉆探工程的血液，在鉆探施工過程中，泥漿固相控制是維持泥漿優(yōu)良性能的保證，而優(yōu)良的泥漿性能是預防孔內事故、提高鉆速和降低成本的前提。實踐證明，通過對泥漿固相的控制來改善泥漿性能的技術，已發(fā)展為一項與穩(wěn)定井內工況和提高鉆進速度密切相關的重要輔助工藝。過去，地質巖心鉆探施工中并不注意使用機械裝置來凈化泥漿，多采用自然沉降法、稀釋法、替換法和化學絮凝法等，不僅泥漿性能難以保持穩(wěn)定，而且費用昂貴。近幾年來，在地質巖心鉆探領域，泥漿固相控制技術有了很大改革，逐漸從傳統(tǒng)方式凈化向機械化方式凈化轉變，但普遍存在使用效果不佳的現(xiàn)象。

在石油鉆井行業(yè)，固相控制裝置應用比較廣泛，已實現(xiàn)系列化、標準化和專用化。地質巖心鉆探在深度、口徑和工藝等方面不同于石油鉆井，因此，石油鉆井固相控制裝置不適合在地質巖心鉆探施工中使用。

GK－15型地質巖心鉆探泥漿固控裝置是在綜合石油鉆井固控裝置特點的基礎上，結合地質巖心鉆探工藝的需求，把振動篩、清潔器和離心機通過管路聯(lián)接，構成封閉的泥漿固相控制裝置，實現(xiàn)泥漿的制備、循環(huán)、固相控制和儲備。

1 固控裝置的結構及性能參數(shù)

GK－15型地質巖心鉆探泥漿固控裝置的的基本尺寸為:長4.6 m，寬2.1 m，高2.9 m(罐體高度1.8 m，罐上固控設備高度1.1 m)。固控裝置主體結構分為罐底座、罐壁和罐面3部分，罐底座由2道主梁、3道橫撐和底板組成，底板為8 mm厚鋼板;罐壁用6 mm厚鋼板壓制成瓦楞板，增加了罐體的剛度和強度;罐面邊框及內部拉撐用槽鋼等型鋼連接，其他部位鋪設鋼格板。

GK－15型地質巖心鉆探泥漿固控裝置分為沉淀罐、循環(huán)罐和制漿罐，罐與罐之間用鋼板隔開，頂部留有溢流口，底部采用海底閥互相連通，沉淀罐、循環(huán)罐和制漿罐的罐體采用鋼板與型鋼組焊，一側設有上罐扶梯。GK－15型地質巖心鉆探泥漿固控裝置現(xiàn)場使用及結構如圖1、圖2所示。

1．1 主要參數(shù)(見表1)

1．2 泥漿循環(huán)流程

井口返出泥漿由渣漿泵泵送至GK－15型泥漿固控裝置，經(jīng)過固控裝置處理后，無用固相排至排污池，泥漿由泥漿泵泵送至孔內，形成泥漿的循環(huán)。泥漿循環(huán)流程如圖3所示。

圖1 GK－15型地質巖心鉆探泥漿固控裝置現(xiàn)場使用圖

圖2 GK－15型地質巖心鉆探泥漿固控裝置結構圖

表1 GK－15型地質巖心鉆探泥漿固控裝置主要參數(shù)

1．3 沉淀罐結構

沉淀罐上配有一臺振動篩、一臺渣漿泵、一個排漿口及連接管路。渣漿泵將井內返出泥漿從罐下經(jīng)分流箱輸送到罐上振動篩，液相輸送到沉淀罐中，固相排到廢漿池中。

振動篩是第一級泥漿固相控制裝置，是泥漿固相控制系統(tǒng)中的必備設備。利用固體顆粒外形尺寸與篩網(wǎng)孔徑的差異，將從井底返出泥漿中的較大固相顆粒分離出去。實際工作中，振動篩的分離效率，不僅與篩網(wǎng)目數(shù)有關，而且與泥漿的類型、性能、振動篩的技術參數(shù)、泥漿的排量有關。振動篩性能參數(shù)如表2所示。

1．4 循環(huán)罐結構

循環(huán)罐上配有一臺清潔器、一臺渣漿泵、一個排漿口及連接管路。渣漿泵設置一條吸入管路，兩條輸出管路，其中一條輸出管路連接水力旋流器的輸入口，另一條輸出管路連接離心機的輸入口。水力旋流器溢流口漿液輸送到循環(huán)罐，底流口漿液通過水力旋流器下部振動篩，液相流入循環(huán)罐，固相顆粒排到廢漿池中。清潔器是水力旋流器和細目振動篩組合而成的一種固相控制設備，其機構如圖4所示。

圖3 泥漿循環(huán)流程圖

表2 振動篩性能參數(shù)

圖4 清潔器結構圖

其工作過程是:泥漿自井口返出，通過渣漿泵經(jīng)第一級振動篩處理后，流入第一個沉淀罐中，泥漿儲滿沉淀罐后通過上部溢流口流入第二個循環(huán)罐中，渣漿泵自第二個循環(huán)罐中吸入要處理的泥漿，經(jīng)水力旋流器分離，旋流器的溢流——凈化了的泥漿流入第二個循環(huán)罐;旋流器的底流——含有較細固相顆粒的泥漿直接流到組合設備的細目振動篩上。振動篩篩網(wǎng)一般為150～200目，使旋流器的底流再次分離，液相流到第二個循環(huán)罐中，固相顆粒排到排污池中。清潔器性能參數(shù)如表3所示。

1．5 制漿罐結構

制漿罐上配有一臺臥式攪拌機、一臺立式攪拌機、一臺射流混漿器、一臺離心機和一個排漿口及連接管路，用于配制泥漿和三級凈化泥漿。離心機溢流口漿液輸送到制漿罐中，排渣槽分離出的固相排到廢漿池中。

表3 清潔器性能參數(shù)

離心機是固相控制設備中重要設備之一，安裝在固相控制裝置最后一級。離心機是依據(jù)斯托克斯的離心沉降原理，利用離心力或沉降作用來達到分離的目的。這種設備在石油鉆井中已廣泛應用，但在地質巖心鉆探領域卻很少用。

GK－15型地質巖心鉆探泥漿固控裝置所用離心機是北京探礦工程研究所研制的TGLW350－692T型離心機，可分離大于5 μm的固相，能有效清除泥漿中細粒無用固相。

TGLW350－692T型離心機由驅動電機、液力偶合器、行星差速器、轉鼓、螺旋輸送器等組成。轉鼓大端有6個溢流孔，轉鼓小端分布12個底流孔。轉鼓和螺旋輸送器之間存在一定間隙，二者同方向旋轉，但通過行星差速器使二者保持一定的轉速差。離心機外形及結構如圖5、6所示。

圖5 TGLW350－692T型離心機結構圖

其工作過程是:泥漿由進漿口進入螺旋輸送器的空心軸，再進入轉鼓內。由于轉鼓高速旋轉，帶動進入轉鼓的泥漿一起旋轉，泥漿中的固相被甩到轉鼓壁上，由螺旋輸送器推向轉鼓小端的底流孔排出，清潔的泥漿從轉鼓大端的溢流孔排出返回到第三個制漿罐中，完成分離。

離心機參數(shù)為:額定處理量6 m3/h，最小分離點5 μm，轉速1800 r/min，功率11 kW，整機質量800 kg。

2 固控裝置的應用

GK－15型地質巖心鉆探泥漿固控裝置已在新疆準東煤田勘查鉆探施工中使用。使用固控裝置共施工鉆孔2個，另用地層情況基本相同，施工設備和施工方式完全相同的2個沒有使用固控裝置施工的鉆孔做對比，從臺月效率、泥漿性能、泥皮質量和泥漿材料消耗幾方面對比分析。

2．1 臺月效率對比

選用同一工區(qū)一條勘探線上的4個鉆孔做對比，由本隊機臺采用NQ(76 mm)系列金剛石繩索取心鉆進工藝，使用水基腐植酸鉀泥漿施工，主要施工設備和終孔口徑完全相同，終孔孔深900～940 m，ZKJ1701鉆孔和ZKJ1702鉆孔使用了固控裝置，ZKJ1703鉆孔和ZKJ1704鉆孔未使用固控裝置。詳情見表4。通過對比，使用固控裝置施工機臺平均臺月效率1368 m，未使用固控裝置施工機臺平均臺月效率1143 m，平均臺月效率提高了20%。

2．2 泥漿性能對比

表4 鉆孔施工效率對比

在施工ZKJ1701孔和ZKJ1702孔兩個使用了固控裝置的鉆孔時，對井口返出的泥漿(凈化前)和經(jīng)固控裝置處理后的泥漿(凈化后)粘度、密度和含砂量等基本性能做了測試對比，測試數(shù)據(jù)見表5。

表5 凈化前、后泥漿性能對比

對于地質巖心鉆探，泥漿含砂量應＜1%。從表5可以看出，凈化前泥漿平均含砂量4.5%，凈化后泥漿平均含砂量0.5%，除砂率88.9%，除砂效果顯著，滿足地質巖心鉆探泥漿含砂量要求，達到了固控裝置的設計目的。

通過表5數(shù)據(jù)對比分析，凈化后泥漿含砂量大幅下降的同時，粘度降幅達50%。凈化后的泥漿需要加入處理劑，將粘度調節(jié)到設計要求后，方可泵入孔內。固控裝置處理泥漿是采用機械除砂方法，未添加無機處理劑，故處理前、后泥漿的pH值無明顯變化。

2．3 泥皮質量對比

泥皮質量對鉆進工作影響很大，泥皮質量與泥漿的失水量有關，失水量小，泥皮薄而韌。若泥漿失水量太大，在有孔隙巖層容易形成厚泥皮，在泥頁巖地層容易造成地層膨脹，產(chǎn)生縮徑及坍塌等情況，嚴重的會引起下鉆遇阻。泥漿經(jīng)固控裝置處理后失水量降低了0.5～1 mL，凈化前、后泥漿做失水量測試形成泥皮如圖6所示。凈化前測試30 min失水量所形成的泥皮厚而且疏松，凈化后測30 min失水量所形成的泥皮薄而且致密，具有一定韌性，有利于保護孔壁，防止發(fā)生孔內事故。

圖6 凈化前、后泥漿失水量測試形成的泥皮圖片

2．4 泥漿材料消耗對比

使用泥漿固控裝置的目的是為了降低泥漿中的無用固相含量，保持泥漿的優(yōu)質性能，減少廢漿的排放，從而節(jié)約制漿用水和制漿材料，降低鉆探成本。在施工中，對使用固控裝置施工的2個鉆孔(ZKJ1701、ZKJ1702)和未使用固控裝置施工的2個鉆孔(ZKJ1703、ZKJ1704)制漿用水及制漿材料做了詳細統(tǒng)計(統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表6)。使用固控裝置施工累計進尺1820.73 m，泥漿材料消耗合計11900元，平均消耗泥漿材料費用6.53元/m。未使用固控裝置施工累計進尺1861.3 m，泥漿材料消耗合計30500元，平均消耗泥漿材料費用16.38元/m。通過統(tǒng)計對比，使用固控裝置施工，平均消耗泥漿材料費用降低約10元/m，降低了約60%。

表6 泥漿材料消耗對比

2．5 粒徑和成分測試分析

為了更加明確地了解經(jīng)過固控裝置分離出的固相粒徑和固相成分，在應用中我們收集了經(jīng)固控裝置分離出的固相樣品，并委托北京探礦工程研究所和北京北達燕園微構分析測試中心有限公司分別對分離出的固相樣品做了粒徑和成分測試分析。

2．5．1 粒徑測試分析

北京探礦工程研究所對分離出的固相樣品做了粒徑測試分析。分析結果顯示，分離出的固相樣品粒徑峰值在 7～12 μm 和 20～35 μm，中徑 12.5 μm，平均粒徑23 μm。

2．5．2 成分測試分析

北京北達燕園微構分析測試中心用X射線衍射分析方法對分離出的固相樣品成分定性定量分析。分析結果顯示，樣品主要成分為石英、斜長石、微斜長石和粘土，粘土成分以伊利石、綠泥石和高嶺石等巖層鉆屑為主，不含蒙脫石(蒙脫石是制造泥漿用膨潤土的原礦石)。分析表明經(jīng)固控裝置分離出的固相是以巖粉為主的無用固相，泥漿用膨潤土等有用固相不會被分離出去。

3 應用結論

GK－15型地質巖心鉆探泥漿固控裝置經(jīng)過使用，提高了鉆進效率、有效控制了泥漿固相含量和降低了泥漿成本，取得了理想的固控效果和一定的經(jīng)濟效益，達到了研制應用的目的。根據(jù)應用情況，以及對分離出固相的成分和粒徑測試分析情況，可以得出下列應用結論。

(1)使用GK－15型固控裝置顯著提高了臺月效率，平均臺月效率提高了225 m，提高了近20%。

(2)泥漿經(jīng)GK－15型固控裝置處理后，含砂量從4.5%降至0.5%，除砂率88.9%，除砂效果顯著，滿足了地質巖心鉆探泥漿含砂量＜1%的要求，達到了固控裝置的設計目的。

(3)泥漿經(jīng)GK－15型固控裝置處理后，失水量從7.0 mL/30 min降至6.0 mL/30 min，而且因泥漿含砂量僅0.5%，形成了薄而致密的泥皮，具有一定韌性，有利于保護孔壁，防止發(fā)生孔內事故。

(4)使用GK－15型固控裝置后，不必大量置換泥漿，節(jié)約了泥漿材料。泥漿材料費用從16.38元/m降至6.55元/m，降低了約60%。

(5)使用GK－15型固控裝置，不需要挖泥漿池和大的排污池，對工區(qū)生態(tài)破壞小?；究梢詫崿F(xiàn)廢漿“零”排放，實現(xiàn)了環(huán)保施工。

(6)通過粒徑和成分測試分析，固相控制裝置分離出的固相主要為石英、斜長石、微斜長石、伊利石、綠泥石和高嶺石等無用固相，分離出的固相樣品粒徑峰值在 7～12 μm 和 20～35 μm，中徑 12.5 μm，平均粒徑23 μm。泥漿用膨潤土等有用固相不會被分離出去。

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