彭云濤， 李文濤， 胡金喜， 李佳琪

（1.長(zhǎng)城鉆探鉆井液公司四川頁(yè)巖氣項(xiàng)目部，四川威遠(yuǎn)642450；2. 長(zhǎng)城鉆探鉆井液公司技術(shù)中心，遼寧盤(pán)錦124000）

長(zhǎng)城鉆探鉆井液分公司四川頁(yè)巖氣項(xiàng)目在長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐過(guò)程中逐漸形成了四級(jí)凈化設(shè)備體系，即：三臺(tái)振動(dòng)篩+除砂除泥一體機(jī)+中、高速離心機(jī)。鉆井液中的無(wú)用固相絕大部分是2～74 μm的鉆屑，振動(dòng)篩和一體機(jī)用以除去細(xì)顆粒（44～74 μm）及以上無(wú)用固相，而離心機(jī)用以除去特細(xì)顆粒（2～44 μm）與膠體顆粒（＜2 μm）范圍內(nèi)無(wú)用固相[1-5]。在現(xiàn)場(chǎng)鉆井液維護(hù)過(guò)程中，保證振動(dòng)篩和一體機(jī)的合理、正常的使用（及時(shí)更換篩網(wǎng)），即可對(duì)粗、細(xì)顆粒的無(wú)用固相進(jìn)行高效分離；然而對(duì)于更小顆粒度的固相，振動(dòng)篩和一體機(jī)很難把它們除去，而這些有害固相對(duì)高密度鉆井液流變性、濾失性能、濾餅質(zhì)量等都有明顯影響[6-12]，因此第四級(jí)固控系統(tǒng)——雙離心機(jī)系統(tǒng)就顯得至關(guān)重要。然而在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，缺乏相關(guān)的評(píng)價(jià)方法，嚴(yán)重影響了該系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

1 重晶石回收系統(tǒng)概述

1.1 重晶石回收系統(tǒng)的組成與基本參數(shù)

重晶石回收系統(tǒng)是由中、高速離心機(jī)組成的雙離心機(jī)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于頁(yè)巖氣井三開(kāi)鉆井的高密度油基鉆井液的維護(hù)。重晶石回收系統(tǒng)體系作業(yè)流程是：高密度油基鉆井液經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩、一體機(jī)后進(jìn)入2#罐，再通過(guò)供液泵進(jìn)入中速離心機(jī)，經(jīng)過(guò)中速離心機(jī)分離后，底流返回2#罐回收重晶石，溢流進(jìn)入集液罐（3#的獨(dú)立隔艙）；集液罐內(nèi)鉆井液通過(guò)供液泵進(jìn)入高速離心機(jī)分離，底流排出，被凈化后的溢流鉆井液重新進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。

1.2 重晶石回收系統(tǒng)的基本原理

鉆井液是固液兩相流體。固相顆粒在液體中主要受到向下的重力G以及向上阻力f（如浮力、黏滯阻力等）的合力，而離心機(jī)為固相顆粒增加一個(gè)向下的離心力，加速沉降過(guò)程，從而達(dá)到固液分離的效果，適用于離心機(jī)的離心力公式如下[13]。

式中，F(xiàn)r為分離因數(shù)；ω為離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓角速度，s-1；R為離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑，m；g為重力加速度，m/s2。分離因數(shù)Fr是離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的內(nèi)在屬性，由運(yùn)轉(zhuǎn)離心機(jī)的轉(zhuǎn)速（角速度）和轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑?jīng)Q定。因此，對(duì)于確定參數(shù)的離心機(jī)，其離心力與角速度的平方ω2和固相顆粒所受重力G正相關(guān)，即：F∝ω2·G。隨著離心機(jī)角速度（轉(zhuǎn)速）的增加，鉆井液中的固相受到的離心力呈幾何倍數(shù)增加，逐漸被沉降，分離出來(lái)。

2 組分分析與低密度固相分離效率的評(píng)價(jià)

2.1 組分分析

對(duì)于雙離心機(jī)系統(tǒng)，分離液包括：中速離心機(jī)溢流、底流，高速離心機(jī)溢流、底流。由于分離液的組分構(gòu)成與入口鉆井液組分構(gòu)成一致，因此油基鉆井液組分分析的方法同樣適用于離心機(jī)分離液。油基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)的組分分析，通常是利用標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 16783.2—2012石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 第2部分：油基鉆井液》中給出的組分計(jì)算公式，計(jì)算出的4種組分包括油、鹽水（CaCl2水）、加重劑（重晶石）以及低密度固相。

2.2 離心機(jī)底流分離效果分析

底流是離心機(jī)分離出固相的主要出口，固相含量較高，在離心力的作用下，鉆井液中的固相顆?？焖俪两担罱K被分離，然而沉淀過(guò)程中，固相顆粒被鉆井液黏附、包裹，最后同固相顆粒一起分離出來(lái)，這些附著在鉆井液中的固相，包括重晶石和低密度固相的存在，直接影響了對(duì)離心機(jī)分離效果的判斷。因此需要把這部分鉆井液體積比計(jì)算出來(lái)，把對(duì)應(yīng)的重晶石、低密度固相按比例剔除，得到真實(shí)的被離心機(jī)分離出的固相比例。黏附出的鉆井液以及相關(guān)低密度固相、重晶石體積比計(jì)算方法如下式所示。

式中，φmud（L/H）為中/高速離心機(jī)底流黏附的鉆井液占總底流體積比，%；φmudlg（L/H）為中/高速離心機(jī)底流黏附的鉆井液中低密度固相占總底流體積比，%；φmudB（L/H）為中/高速離心機(jī)底流黏附的鉆井液中重晶石占總底流體積比，%；φo（mud）為鉆井液中油的體積比，%；φsalt（mud）為鉆井液中鹽水體積比，%；φo（L/H）為中/高速離心機(jī)底流組分分析中油的體積比，%；φsalt（L/H）為中/高速離心機(jī)底流組分分析中鹽水的體積比，%；φl(shuí)g（mud）為中低密度固相占鉆井液體積比，%；φB（mud）為重晶石占鉆井液體積比，%。

最后，離心機(jī)真實(shí)分離出的重晶石和低密度固相的體積比可按照下式求得：

式中，φcentrifugelg（L/H）為中/高速離心機(jī)底流中被分離出的低密度固相的體積比，%；φcentrifugeB（L/H）為中/高速離心機(jī)底流中被離心機(jī)分離出的重晶石的體積比，%。

離心機(jī)底流的評(píng)價(jià)要求是：對(duì)于中速離心機(jī)，其作用一是回收重晶石，二是將低密度固相保留在溢流中，因此中速離心機(jī)的底流中φcentrifugelg（L/H）越低越好；對(duì)于高速離心機(jī)，其作用是盡可能多的分離出固相，因此高速離心機(jī)的底流中φcentrifugelg（L/H）越高越好。

2.3 離心機(jī)溢流分離效果分析

鉆井液經(jīng)中/高速離心機(jī)分離液相成為溢流。由于鉆井液經(jīng)過(guò)離心機(jī)的分離后體積有變化，離心機(jī)溢流與鉆井液2者的組分分析沒(méi)有可比性。因此，把中/高速離心機(jī)溢流利用加重公式加重至鉆井液密度后，重新計(jì)算低密度固相體積比，然后用低密度固含的變化率作為雙離心機(jī)系統(tǒng)對(duì)低密度固相的分離效率。中/高速離心機(jī)溢流鉆井液經(jīng)過(guò)加重后低密度固相含量的計(jì)算式如式（8）。

式中，φl(shuí)g’（L/H）為中/高速離心機(jī)溢流鉆井液加重后低密度固相體積比，%；φl(shuí)g（L/H）為中/高速離心機(jī)溢流鉆井液低密度固相體積比，%；ρof（L/H）為中/高速離心機(jī)溢流（overflow）鉆井液密度，g/cm3；ρwm為加重劑即重晶石密度，現(xiàn)場(chǎng)采用密度為4.3 g/cm3的重晶石；ρs為鉆井液密度，g/cm3。

用低密度固相的變化率作為分離效率△φl(shuí)g，如式（9）。

式中，φl(shuí)g（mud）為鉆井液中低密度固相體積比，%。

離心機(jī)溢流的評(píng)價(jià)要求是：對(duì)于中速離心機(jī)，△φl(shuí)g越低說(shuō)明鉆井液中的低密度固相沒(méi)有隨重晶石分離出去而大多都留在了溢流中；對(duì)于高速離心機(jī)，△φl(shuí)g越高說(shuō)明低密度固相被分離出去，鉆井液得到了凈化。

3 重晶石回收系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)

該次實(shí)驗(yàn)選擇在威204H7平臺(tái)6#的水平井段，三開(kāi)全井段使用高密度油包水鉆井液，水平段鉆井液性能測(cè)試與組分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 威204H7-6井鉆井液性能與組分分析（ρ=2.11 g/cm3）

3.1 中速離心機(jī)的分離效果分析

實(shí)驗(yàn)將離心機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)整在2 200 r/min，測(cè)試溢流和底流的性能，然后進(jìn)行組分分析，最后進(jìn)行分離效果分析，結(jié)果如表2。

表2 中速離心機(jī)2 200 r/min溢流、底流分析（ρ=2.11 g/cm3）

由表2可以看出，底流有3.2%的低密度固相被分離回收；溢流中低密度固相損失了20.74%；從以上分析得知，中速離心機(jī)在回收重晶石時(shí)，回收了一部分鉆井液中的低密度固相，造成只有79.26%的低密度固相進(jìn)入溢流，沒(méi)有滿(mǎn)足中速離心機(jī)分離要求。離心機(jī)產(chǎn)生的離心力過(guò)大，需要降低離心機(jī)轉(zhuǎn)速，提高中速離心機(jī)的分離效果。

實(shí)驗(yàn)將中速離心機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)由2 200 r/min降低至2 000 r/min，同樣對(duì)溢流和底流進(jìn)行性能測(cè)試、組分分析以及分離效果分析，結(jié)果如表3。由表3可以看出，底流只有0.15%低密度固相是由離心機(jī)分離出，含量很少；溢流只有0.41%的低密度固相沒(méi)有進(jìn)入溢流中，這有利于提高高速離心機(jī)的分離效率。

表3 中速離心機(jī)2 000 r/min溢流、底流分析

根據(jù)以上對(duì)中速離心機(jī)的調(diào)整和分析，可以看出，2 000 r/min的分離效果優(yōu)于2 200 r/min。實(shí)驗(yàn)中隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，重晶石和低密度固相所受到的離心力差距迅速增大。當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，重晶石被大量分離出來(lái)，而低密度固相受到的離心力相對(duì)較小，還不足以被分離出來(lái)，那么2 000 r/min就是中速離心機(jī)要求的最大轉(zhuǎn)數(shù)，在該轉(zhuǎn)數(shù)下，重晶石被回收，而低密度固相和少量重晶石被保留在溢流中。繼續(xù)提高至2 200 r/min或者更高，離心力過(guò)大使得一部分低密度固相也被分離出來(lái)，直接影響了下一步對(duì)低密度固相的分離。

3.2 高速離心機(jī)的分離效果

高速離心機(jī)的作用是分離固相，包括重晶石和低密度固相，以達(dá)到凈化鉆井液的作用。現(xiàn)場(chǎng)使用的LW355X1257BP-N型離心機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2 805 r/min（工頻50 Hz），在該轉(zhuǎn)速下對(duì)高速離心機(jī)的溢流和底流進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，高速離心機(jī)底流中低密度固相φl(shuí)g（H）占比很高，鉆井液對(duì)應(yīng)的低密度固相只有5.46%，即有41.45%是高速離心機(jī)分離出來(lái)的；而通過(guò)溢流計(jì)算出的分離效率△φl(shuí)g也就是整個(gè)重晶石回收系統(tǒng)的低密度固相分離效率為61%，效果明顯。

表4 高速離心機(jī)2 805 r/min溢流、底流分析

4 結(jié)論

1.重晶石回收系統(tǒng)是長(zhǎng)城鉆井液四川頁(yè)巖氣項(xiàng)目在現(xiàn)場(chǎng)三開(kāi)油基鉆井液期間重要的第四級(jí)固控設(shè)備，2臺(tái)中速、高速離心機(jī)相互配合，回收重晶石、分離低密度固相。

2.利用現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液組分分析的方法去分析雙離心機(jī)系統(tǒng)各出入口的分離液，并給出了公式，確定了溢流、底流分離效果分析評(píng)價(jià)的方法。

3.在威204H7-6井進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)用性能測(cè)試、組分分析、分離效果分析的3步評(píng)價(jià)方法，對(duì)中速離心機(jī)2種轉(zhuǎn)速進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果說(shuō)明2 000 r/min效果要好于2 200 r/min；對(duì)高速離心機(jī)在最高轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行了評(píng)價(jià)工作，低密度固相的分離效率為61%。