肖建秋，王 贏，邵 強(qiáng)，李星月

(1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京102206; 2. 中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 第四鉆井工程分公司，河北 任丘062450)

鉆井液在石油鉆井過程中起到重要作用，為達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、安全生產(chǎn)的目的，需要針對(duì)不同地質(zhì)要求、不同條件的儲(chǔ)層，適當(dāng)添加不同性質(zhì)的鉆井液助劑，適時(shí)調(diào)整鉆井液性能。為了使鉆井液助劑最大限度發(fā)揮其效能，對(duì)其添加工藝要求有較強(qiáng)的科學(xué)性和技術(shù)性[1-2]。目前，在我國陸地鉆井液配制或調(diào)配工藝中，液體鉆井液助劑的加藥模式為人力把裝有液體鉆井液助劑的桶搬運(yùn)至加藥點(diǎn)，傾倒至泥漿混合系統(tǒng)中，加藥過程是敞開式的。鉆井液工的勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工加藥過程受人為因素限制及環(huán)境因素影響，無法根據(jù)鉆井液助劑性質(zhì)準(zhǔn)確控制加藥速度、加藥量等加藥參數(shù)，難以保障鉆井液的質(zhì)量、穩(wěn)定性。利用液體輸送計(jì)量泵將液體鉆井液助劑在密閉環(huán)境下自動(dòng)輸送和添加至泥漿混合系統(tǒng)，可針對(duì)液體助劑的物理化學(xué)性能差異設(shè)置適當(dāng)?shù)募铀巺?shù)，提高鉆井液的質(zhì)量和穩(wěn)定性，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少對(duì)鉆井液工的健康影響，提高生產(chǎn)效率[3]。

1 工藝流程及工作原理

圖1所示為ZCZJ2×3Y-2000型液體鉆井液助劑自動(dòng)加藥裝置的工藝流程圖，由儲(chǔ)液罐、進(jìn)出液計(jì)量泵、質(zhì)量流量計(jì)、攪拌器、控制閥、管路、清水箱、廢水箱等組成。

圖1 液體鉆井液助劑自動(dòng)工作流程圖

1) 進(jìn)液流程。進(jìn)液計(jì)量泵將原料容器中的液體鉆井液助劑抽吸至儲(chǔ)液罐中暫存?zhèn)溆茫|(zhì)量流量計(jì)實(shí)時(shí)計(jì)量瞬時(shí)流量、密度及總進(jìn)液量，液位計(jì)實(shí)時(shí)顯示液位高度。

2) 加藥流程。當(dāng)需要向鉆井液混合系統(tǒng)加入液體助劑時(shí)，出液計(jì)量泵將相應(yīng)儲(chǔ)液罐中的液體鉆井液助劑按設(shè)定參數(shù)泵送至泥漿混合系統(tǒng)中，參與鉆井液配漿或維護(hù)，質(zhì)量流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加藥速度、密度，達(dá)到預(yù)設(shè)加藥量后，出液計(jì)量泵自動(dòng)停止工作。2個(gè)出液計(jì)量泵一備一用，亦可同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)按配比加藥。

3) 攪拌流程。攪拌器充分?jǐn)嚢鑳?chǔ)液罐中的液體助劑，有助于助劑質(zhì)地均勻和降黏，提高鉆井液混配的效率和質(zhì)量，可設(shè)定攪拌時(shí)間、間歇時(shí)間及攪拌頻次。

4) 倒料流程。如需實(shí)現(xiàn)助劑合并或多種助劑按比例混合配液，可由出液計(jì)量泵將一個(gè)儲(chǔ)液罐中的助劑經(jīng)倒料管線輸送至另一個(gè)儲(chǔ)液罐中，到達(dá)設(shè)定藥量后即自動(dòng)停止工作。

5) 清洗流程。計(jì)量泵的前端配有清洗管線，連接清水箱，加藥結(jié)束后根據(jù)實(shí)際需要可清洗計(jì)量泵、管線和儲(chǔ)液罐等操作，清洗后的廢液可排出到廢水箱。

2 主要技術(shù)參數(shù)

綜合考慮液體鉆井液助劑種類及物理化學(xué)性質(zhì)、單次用量多少和輸送速度、輸送距離、工作環(huán)境等多方面因素，確定主要技術(shù)參數(shù)[4-11]。

儲(chǔ)液罐容積 3罐×2 m3

進(jìn)液、出液流量 0～2 m3/h連續(xù)可調(diào)

進(jìn)液泵揚(yáng)程 35 m

出液泵揚(yáng)程 35 m

輸送泵功率 2.2 kW

攪拌器功率 1.1 kW

裝置總功率 16 kW

工作環(huán)境溫度 0～60 ℃；低于0 ℃時(shí)需環(huán)境保溫

防爆及防護(hù)要求 ExdⅡBT4，防護(hù)IP65

3 總體結(jié)構(gòu)簡介

ZCZJ2×3Y-2000型自動(dòng)加藥系統(tǒng)由自動(dòng)加藥模塊和定量配料控制模塊組成。圖2所示為自動(dòng)加藥模塊的結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)液罐、進(jìn)出液計(jì)量泵、質(zhì)量流量計(jì)、攪拌器、控制閥、管路等安裝在1個(gè)底座上，自成一體。定量配料控制模塊主要由PLC、工業(yè)電腦、變頻器、斷路器、繼電器、交流接觸器、面板操作開關(guān)、狀態(tài)指示燈等組成，集成在1個(gè)正壓防爆控制柜內(nèi)。2個(gè)功能模塊各占據(jù)1個(gè)獨(dú)立空間，集成在1個(gè)集裝箱房子里，具有控溫措施。

1―儲(chǔ)液罐；2―呼吸閥；3―控制閥；4―液位計(jì)；5―過濾器；6―阻尼器；7―安全閥；8―背壓閥；9―計(jì)量儀表；10―科式流量計(jì)；11―計(jì)量泵。圖2 液體鉆井液助劑自動(dòng)加藥裝置結(jié)構(gòu)

4 主要部件選型設(shè)計(jì)

4.1 輸送泵的選型

輸送泵是實(shí)現(xiàn)鉆井液助劑輸送和自動(dòng)加藥的關(guān)鍵部件，其工作性能是否與所輸送液體特性合理匹配，直接影響到裝置工作的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和效率。液體鉆井液助劑的種類有多種，密度、黏度、流動(dòng)性、溶解性、所含固體顆粒度等性質(zhì)差異較大，個(gè)別鉆井液助劑有輕微化學(xué)腐蝕性和低毒性。一些助劑，如某些液體聚合物和油潤濕劑，價(jià)格昂貴，需少量施用，如每百立方米鉆井液中僅加入幾十公斤鉆井液助劑，準(zhǔn)確控制其添加速度和精確控制加藥量非常重要[2-3].選擇機(jī)械隔膜式計(jì)量泵作為輸送泵，可實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量，穩(wěn)定性誤差不超過±1%，流量可以在0～100%范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)無級(jí)調(diào)節(jié)[12-15]，采用高強(qiáng)度耐腐蝕膜片可輸送腐蝕性液體，提高易損件的工作時(shí)間。

主要技術(shù)參數(shù)：

進(jìn)出口公稱通徑 DN32

流量 0～2 000 L/h

泵的輸入轉(zhuǎn)速 0～180 r/min

計(jì)量泵揚(yáng)程 35 m

最高排出壓力 1.2 MPa

調(diào)節(jié)比 10∶1，穩(wěn)態(tài)精度±1%

電機(jī)功率 1.5 kW

4.2 其他部件的選配

1) 質(zhì)量流量計(jì)。所輸送助劑總量控制的精確性依賴于質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量精度，而流體密度是流體溫度和壓力的函數(shù)，故而體積流量計(jì)不滿足高精度要求?？剖劫|(zhì)量流量計(jì)是利用流體在振動(dòng)管道中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理來直接測(cè)量質(zhì)量流量的裝置，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量和實(shí)時(shí)密度的直接測(cè)量，應(yīng)用于高精度計(jì)量場(chǎng)合。本系統(tǒng)選用科式質(zhì)量流量計(jì)作為監(jiān)測(cè)儀器，滿足高黏度介質(zhì)的精確計(jì)量需求。

2) 過濾器。在進(jìn)液管路的入口端裝有過濾器，可確保進(jìn)入儲(chǔ)液罐的液體清潔，過濾器可定期清理雜質(zhì)和更換過濾網(wǎng)，達(dá)到清潔目的。

3) 呼吸閥。每個(gè)儲(chǔ)液罐上方安裝呼吸閥，即可保持儲(chǔ)液罐的密閉性，在一定程度上減少液罐內(nèi)液體助劑的蒸發(fā)損耗，亦能自動(dòng)通氣以平衡液罐內(nèi)外壓力，起到安全作用。

4) 安全閥。為防管路壓力超過設(shè)定值，計(jì)量泵出口處設(shè)安全閥，壓力超過設(shè)定值，流體回流至吸入口前端管路。

5) 背壓閥。為防止計(jì)量泵排放管線發(fā)生虹吸現(xiàn)象，消除因管路壓力波動(dòng)而引起的計(jì)量泵排量波動(dòng)，在計(jì)量泵排出口端設(shè)背壓閥。

6) 阻尼器。為防止計(jì)量泵運(yùn)行開始瞬間對(duì)管路產(chǎn)生脈沖，導(dǎo)致管路產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象，在計(jì)量泵的出口處和背壓閥之間安裝了脈沖阻尼器，減少管路壓力波動(dòng)。

4.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由上位機(jī)工控機(jī)、下位機(jī)西門子PLC、變頻器、斷路器、繼電器、HMI等組成，可自動(dòng)、手動(dòng)、遠(yuǎn)程操作控制，實(shí)現(xiàn)如下功能：

1) 任務(wù)管理。進(jìn)液、加藥、攪拌、倒料、清洗工藝流程選擇。

2) 參數(shù)設(shè)置。設(shè)置加藥名稱代號(hào)、加藥量、加藥速度等加藥參數(shù)。

3) 數(shù)據(jù)管理。流量、壓力、總加藥量、液位高度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、保存，及生產(chǎn)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)日志查詢和管理。

4) 狀態(tài)監(jiān)測(cè)?？刂崎y、計(jì)量泵、質(zhì)量流量計(jì)、液位計(jì)等主要部件工作狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)、預(yù)置報(bào)警、故障顯示、聯(lián)鎖控制等。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

本自動(dòng)加藥系統(tǒng)研制成功后，在室內(nèi)以清水為介質(zhì)進(jìn)行了充分調(diào)試和功能測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的各項(xiàng)基本功能，及運(yùn)行的順暢性和加藥控制精度。為了測(cè)試和驗(yàn)證自動(dòng)加藥系統(tǒng)在油田實(shí)際生產(chǎn)條件下的物料適應(yīng)性、運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性和可操作性，于2021-09-11在華北油田強(qiáng)104X評(píng)價(jià)井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。應(yīng)用的3種液體鉆井液助劑的參數(shù)如表表1所示。試驗(yàn)結(jié)果是：

表1 液體鉆井液助劑加藥參數(shù)

1) 自動(dòng)加藥裝置運(yùn)行平穩(wěn)，輸液計(jì)量泵輸送液體助劑的流量波動(dòng)范圍可控制在±4%以內(nèi)，管路壓力波動(dòng)不超過±7%。

2) 控制精度高，單次加藥總量最大偏差不超過1.6 kg。

3) 物料清空率高，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液罐底部和輸送管道內(nèi)無液體助劑殘留。

4) 配漿效率高，對(duì)于有機(jī)硅聚合物HLY-2類黏稠液體，充分?jǐn)嚢枘苡行Ы叼?，利于與基礎(chǔ)鉆井液快速融合，配漿效率高，且性能好。

5) 3種助劑加藥順暢，但流動(dòng)性差的液體(如HLY-2類黏稠液體)進(jìn)液流程啟動(dòng)時(shí)存在空吸現(xiàn)象，通過計(jì)量泵出口處排空空氣及縮短進(jìn)料管線長度，空吸情況改善。

6 結(jié)論

1) 液體鉆井液助劑自動(dòng)加藥系統(tǒng)首次應(yīng)用于油田現(xiàn)場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)液體鉆井液助劑的一鍵式參數(shù)化自動(dòng)加藥，可準(zhǔn)確控制加藥量和加藥速度，配漿質(zhì)量好，HSE水平高。

2) 通過本次試驗(yàn)應(yīng)用，總結(jié)了一些操作工藝方面的經(jīng)驗(yàn)，例如，安全閥、背壓閥、阻尼器等壓力的合理匹配能提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，縮短輸液管線可減少沿程阻力，加藥前充分?jǐn)嚢韬图訙乜山叼さ鹊?。為使系統(tǒng)更好發(fā)揮功用，還需通過更多試驗(yàn)應(yīng)用，不斷探索和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化操作工藝。

3) 本裝置的成功應(yīng)用為未來我國鉆井液全自動(dòng)配漿技術(shù)發(fā)展奠定了初步基礎(chǔ)。