裴勇毅 陳寧生

川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司裝備公司 寧夏銀川 750003

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)慶油田施工現(xiàn)場(chǎng)關(guān)于循環(huán)系統(tǒng)及不落地工藝技術(shù)調(diào)研，了解目前循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在近10 年未進(jìn)行技術(shù)革新?，F(xiàn)用的循環(huán)系統(tǒng)存在諸多問(wèn)題，有必要對(duì)現(xiàn)有循環(huán)罐進(jìn)行升級(jí)改制。從罐形狀、結(jié)構(gòu)、罐底表面性能和罐的擺放方式，功能管線布局，高效沖砂裝置及流程工藝，研究出一套循環(huán)式機(jī)械化清砂的罐式循環(huán)系統(tǒng)，不僅完全滿足鉆井現(xiàn)場(chǎng)工藝需求，而且使鉆井液循環(huán)系統(tǒng)更合理。

1 現(xiàn)有循環(huán)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

1.1 人工清砂難，安全隱患大

現(xiàn)有的循環(huán)罐布局縱橫交錯(cuò)，排砂路線長(zhǎng)，增加清砂難度。清罐時(shí)需要工人進(jìn)入罐內(nèi)進(jìn)行人工清罐，因循環(huán)罐內(nèi)管線眾多形成阻擋、沉砂死角多，重晶石及黏土類巖屑長(zhǎng)時(shí)間沉積，死角難以清除干凈，長(zhǎng)時(shí)間堆積造成量多且粘接力大，后續(xù)難以徹底清理。人工采用水沖鍬挖的傳統(tǒng)清砂方法，勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低，長(zhǎng)時(shí)間在密閉、空氣質(zhì)量低的狹窄空間工作，操作空間受限，員工在罐內(nèi)作業(yè)有一定安全隱患。

1.2 安裝和拆卸勞動(dòng)強(qiáng)度大、風(fēng)險(xiǎn)高

現(xiàn)用的循環(huán)罐安裝、拆卸方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)周期長(zhǎng)，工人操作時(shí)需要敲擊、登高、進(jìn)入受限空間、吊裝、搬運(yùn)等，有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，有許多需要改進(jìn)的地方，如：減少罐與罐之間狹窄空間連接管線數(shù)量，改變罐的擺放布局降低對(duì)接難度，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

1.3 環(huán)保不落地

循環(huán)罐區(qū)原有的擺放方式受限，必須在循環(huán)管四周挖渠打水泥做圍堰，工人工作量大，鉆井液容易跑冒滴漏。為解決上述主要矛盾，結(jié)合長(zhǎng)慶油田清潔化生產(chǎn)需求及安全環(huán)保形勢(shì)，通過(guò)可移動(dòng)沖砂裝置、強(qiáng)拒水性涂層優(yōu)選、自潔性罐內(nèi)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)研究，形成配套循環(huán)式機(jī)械化清砂的罐式循環(huán)系統(tǒng)，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、降低鉆井液外泄和作業(yè)環(huán)境安全操作風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 配漿設(shè)備效率低

近年來(lái)由于長(zhǎng)慶區(qū)域鉆井技術(shù)的快速發(fā)展，多種井型快速增加，施工的超深井、叢式井、小井眼井、側(cè)鉆開(kāi)窗井等井型逐年增加，對(duì)鉆井液技術(shù)及相關(guān)配套裝備提出了更高的需求。在溢流或井漏處置過(guò)程中，因傳統(tǒng)配漿設(shè)施工藝簡(jiǎn)單，作業(yè)效率低，造成壓井或堵漏周期長(zhǎng)，容易導(dǎo)致井下復(fù)雜情況加劇。

2 快速自清潔循環(huán)系統(tǒng)流程

整套循環(huán)系統(tǒng)由若干個(gè)鉆井液罐及1 個(gè)混漿平臺(tái)組成，循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置多級(jí)凈化工藝，配備1 臺(tái)GZS 雙聯(lián)雙層振動(dòng)篩、1 臺(tái)真空除氣器、1 臺(tái)離心式除砂除泥一體機(jī)、1臺(tái)離心機(jī)及數(shù)臺(tái)砂泵、剪切泵等。循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合鉆井現(xiàn)場(chǎng)整體布局、工藝設(shè)計(jì)要求和所需的鉆井液處理工藝流程。整套循環(huán)系統(tǒng)包含的工藝流程設(shè)計(jì)可以充分滿足鉆井液的篩分—除氣—除砂—除泥—離心機(jī)，多級(jí)固相控制及泥漿剪切、加重等要求。該系統(tǒng)可以滿足鉆5000m 深井時(shí)貯存、配置、循環(huán)和凈化鉆井液的各種工藝要求。通過(guò)多級(jí)固控設(shè)備的持續(xù)運(yùn)作，可以有效地去除鉆井液中不同規(guī)格的有害固相，為鉆井作業(yè)持續(xù)提供符合要求的鉆井液。該系統(tǒng)分為鉆井液凈化大循環(huán)流程、加重工藝流程、剪切流程、鉆井泵吸入工藝流程、清水管路工藝流程、計(jì)量工藝流程，清砂等7 大流程。

（1）鉆井液凈化總體循環(huán)流程。井口析出的鉆井液通過(guò)相應(yīng)管匯和分流管匯輸入到雙層雙聯(lián)振動(dòng)篩，通過(guò)雙層雙聯(lián)振動(dòng)篩處理后輸入到循環(huán)系統(tǒng)中的沉砂倉(cāng)，沉砂倉(cāng)上部溢流出來(lái)的泥漿經(jīng)過(guò)泥漿渡槽進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)中的除氣倉(cāng)（如果鉆井液有氣侵現(xiàn)象，則可以啟動(dòng)除氣倉(cāng)上配備的真空除氣器），除砂除泥一體機(jī)、高速離心機(jī)處理后的泥漿經(jīng)過(guò)泥漿槽進(jìn)入吸入倉(cāng)或儲(chǔ)備罐，由鉆井泵重復(fù)泵入井內(nèi)循環(huán)使用，泥漿槽可以流入任意罐中。

（2）鉆井液加重工藝流程。鉆井作業(yè)中，不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)需要合適的鉆井液，必須適時(shí)調(diào)整鉆井液配方和比重。該系統(tǒng)配置專用鉆井液加重系統(tǒng)。鉆井液加重系統(tǒng)由加重砂泵、漏斗及相應(yīng)的吸入和排出管匯組成，加重砂泵安裝于單獨(dú)的混合平臺(tái)上，平臺(tái)上安裝加重漏斗。加重泵通過(guò)加重吸入管匯可抽吸各罐的泥漿，加重后由罐頂泥漿管匯將泥漿輸送至各罐各倉(cāng)中，或者通過(guò)頂部方鋼將藥液送到各罐各倉(cāng)中。

（3）剪切流程。在混合平臺(tái)上安裝有剪切泵和剪切漏斗，通過(guò)剪切漏斗剪切后的藥液進(jìn)入頂部方管中可以將藥液送到各罐各倉(cāng)中。

（4）鉆井泵吸入工藝流程。鉆井泵通過(guò)吸入管線可各罐的泥漿，在泥漿泵的吸入口安裝有泥漿過(guò)濾器。

（5）沖洗管路工藝流程。循環(huán)系統(tǒng)的外側(cè)方鋼管設(shè)置一路清水管線，用以向罐內(nèi)輸水和清洗罐面設(shè)備。各個(gè)循環(huán)罐均設(shè)有清水接口，用于向不同循環(huán)罐內(nèi)輸入清水；在各個(gè)循環(huán)罐罐面方鋼管的適當(dāng)位置均裝有出水接口，可以用于清洗循環(huán)罐罐面及其設(shè)備。

（6）計(jì)量工藝流程。計(jì)量泵安裝于安裝在沉砂倉(cāng)下部，在起鉆過(guò)程中可以用計(jì)量泵向井口灌泥漿。

（7）清砂流程。各罐配備清砂門，清砂時(shí)，打開(kāi)閥門，連接水龍帶后通過(guò)人孔清理罐內(nèi)沉砂。各罐排出沉砂統(tǒng)一流入罐外排砂槽，為加快排砂槽內(nèi)沉砂排出速度和沖洗排砂槽，可以在排砂槽端部自行連接排污泵。

3 快速自清潔固控系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 高效配漿系統(tǒng)

快速自清潔固控系統(tǒng)的配漿系統(tǒng)具有幾點(diǎn)特點(diǎn)：

（1）配漿工藝合理。通過(guò)輸出泵驅(qū)動(dòng)鉆井液循環(huán)，加入處理劑混合進(jìn)行配漿作業(yè)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)攪拌軸旋轉(zhuǎn)，便于罐內(nèi)混合的更加均勻，裝載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)噸包處理劑放置于四棱割刀之上，緩慢下放實(shí)現(xiàn)無(wú)人切割作業(yè)，同時(shí)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與動(dòng)力攪拌機(jī)構(gòu)相互配合，便于更好的混合，從而增加了鉆井液加料的施工效率。

（2）效率得到提高。高效配漿撬將高效配漿裝置與傳統(tǒng)水力噴射漏斗進(jìn)行融合，形成了具有混拌、噴射、剪切的三合一配漿平臺(tái)，可以滿足不同工藝需求。在需要加重、堵漏時(shí)采用混拌裝置進(jìn)行高效配漿，采用剪切泵配置聚合物提高剪切稀釋效果，同時(shí)可以采用電動(dòng)水力噴射漏斗配置常規(guī)處理劑。

3.2 固控設(shè)備一體化

去除罐內(nèi)沉淀，將循環(huán)系統(tǒng)與不落地系統(tǒng)融合為一體化，依托固控設(shè)備分離控制鉆井中的劣質(zhì)固相，必須結(jié)合固控設(shè)備的分離點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)配。優(yōu)選雙層振動(dòng)篩、離心式一體機(jī)、高速離心機(jī)組合成固控一體化設(shè)備。

雙層雙聯(lián)振動(dòng)篩是鉆井液固相控制中關(guān)鍵的初級(jí)凈化設(shè)備，其處理效率及結(jié)果直接影響著后續(xù)固控設(shè)備泥漿處理性能。鉆井振動(dòng)篩發(fā)展先后經(jīng)過(guò)普通橢圓振動(dòng)篩、圓振動(dòng)篩，直線振動(dòng)篩和平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩4 個(gè)階段，由于普通橢圓振動(dòng)篩、圓振動(dòng)篩屬于早期產(chǎn)品，現(xiàn)已基本淘汰；直線振動(dòng)篩屬于現(xiàn)階段主流鉆井用振動(dòng)篩。具有泥漿處理量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)、使用成本較低等特點(diǎn)，但同時(shí)存在篩布易堵塞、泥漿顆粒易破碎、不適應(yīng)粘土地層等缺點(diǎn)。該系統(tǒng)配置的雙層雙聯(lián)振動(dòng)篩屬于平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩，兼顧圓振動(dòng)篩和直線振動(dòng)篩的優(yōu)點(diǎn)，而且具有較強(qiáng)的泥漿輸送能力，其篩分效果和泥漿處理量均比圓振動(dòng)篩和直線振動(dòng)篩更加符合鉆井要求。

GZ 型鉆井液振動(dòng)篩采用多層過(guò)濾結(jié)構(gòu)，利用串聯(lián)和并聯(lián)的模式，雙層篩過(guò)濾面積6.4m2，三層篩高達(dá)9.6m，而普通篩只有2.7m，多層篩的過(guò)濾面積是普通篩子的2.5～3.5 倍，多層篩在鉆井生產(chǎn)中最高目數(shù)可以裝至280目，一定程度上可以緩解后續(xù)固控設(shè)備工作壓力。鉆井液最后處理階段是離心分離，離心機(jī)利用離心力對(duì)液—固、液—液—固、液—液等非均相混合物進(jìn)行分離。該系統(tǒng)基于固控設(shè)備一體化，突出固液提前分離，參照3 種離心機(jī)參數(shù)，優(yōu)選大排量+ 高速離心機(jī)組合。大排量一體式除砂除泥器固相清除范圍擴(kuò)大為15～105μm，鉆井液處理速度由原40m3/ h 提高到80m3/ h，與常規(guī)離心機(jī)相比，鉆井液的固相清除效率提高一倍；超高速離心機(jī)固液分離處理量從常規(guī)離心機(jī)的5m3/ h 提高到12m3/ h。

3.3 循環(huán)罐高效防腐

隨著油氣需求的不斷增加，井況嚴(yán)酷的油氣田相繼投入開(kāi)發(fā)，加之強(qiáng)化采油措施的不斷應(yīng)用，以及油氣井開(kāi)采年限的延長(zhǎng)，鉆井液循環(huán)罐工況越來(lái)越苛刻，腐蝕日趨嚴(yán)重，甚至引起安全和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。腐蝕，尤其是點(diǎn)蝕，是造成鉆井液循環(huán)罐問(wèn)題的主要因素。近年來(lái)主要使用堿金屬低碳有機(jī)酸鹽、銨鹽、季銨鹽及其復(fù)合物配制的有機(jī)鹽鉆井完井液，具備配伍性好、密度調(diào)節(jié)范圍廣、流變性優(yōu)秀、固相含量較低、頁(yè)巖抑制性強(qiáng)及對(duì)地質(zhì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，在易水化膨脹、易坍塌、鹽巖、鹽膏等復(fù)雜地層的鉆井、完井、試油作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。在完井作業(yè)中，隨著井口深度增加、鉆遇含CO2酸性儲(chǔ)層幾率不斷提高、鉆井完井液pH 值逐漸降低，這些因素使鉆井液循環(huán)罐腐蝕加劇，影響油田勘探開(kāi)發(fā)效益，特別在高溫（120℃）或低密度（1.05g/ cm3）下，鉆井液循環(huán)罐存在較為嚴(yán)重的局部腐蝕。

研究人員采用動(dòng)態(tài)滾輪試驗(yàn)、靜態(tài)失重法、電化學(xué)方法及掃描電鏡研究了碳鋼在飽和鹽水鉆井液中的腐蝕行為。試驗(yàn)結(jié)果表明,氧是引起腐蝕的主要因素，添加除氧劑和吸附型緩蝕劑可以減緩鉆井液的腐蝕，且吸附型緩蝕劑對(duì)鋼材在存放過(guò)程中的腐蝕起到較好的抑制作用。研究人員對(duì)鉆井液添加劑、鉆井液pH 值及大氣相對(duì)濕度對(duì)腐蝕的影響也進(jìn)行了研究。

研究人員通過(guò)試驗(yàn)手段模擬油氣田開(kāi)發(fā)中CO2/ H2S高溫高壓共存環(huán)境，運(yùn)用失重法、SEM 和EDS 不同方法綜合研究了油管、套管L80 鋼材的腐蝕規(guī)律及腐蝕產(chǎn)物膜。結(jié)果表明，在試驗(yàn)條件下，隨著溫度的升高，腐蝕速率呈先增加后下降的趨勢(shì)，而且溫度越高，壓力對(duì)腐蝕速率的影響越大；在腐蝕反應(yīng)初期，腐蝕速率很高，但隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕速率呈現(xiàn)明顯下降；腐蝕初期腐蝕產(chǎn)物膜以FeS 成分為主，隨時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)物膜轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的FeCO3。試驗(yàn)同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，顯微組織、硬度及組成成分對(duì)腐蝕產(chǎn)物的形成和抗腐蝕性能均有較大的影響。

研究人員研究了一種復(fù)合鹽溶液，觀察密度達(dá)1.78g/ cm3的飽和鹽水對(duì)鉆井管材的腐蝕。采用掛片試驗(yàn)法，通過(guò)室內(nèi)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度升高，鋼在鹽水鉆井液中的腐蝕速率會(huì)增加；隨著鹽濃度的增加，鋼的腐蝕速率先增大后減小。在溶液pH 值較小時(shí)，腐蝕速率將增大。根據(jù)現(xiàn)用泥漿的工作溫度，設(shè)置試驗(yàn)溫度為（60±0.5）℃，對(duì)泥漿儲(chǔ)罐用鋼Q235、涂層、半涂層在泥漿介質(zhì)氣相與液相環(huán)境中的腐蝕進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià)。試驗(yàn)表明，無(wú)論是Q235還是犧牲陽(yáng)極材料，在液相中的腐蝕要比在氣相中的腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)多種防腐技術(shù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用防腐蝕涂層體系與鋁合金陽(yáng)極陽(yáng)極保護(hù)法可以大幅提升固控系統(tǒng)中循環(huán)罐耐蝕性。

4 結(jié)語(yǔ)

全新設(shè)計(jì)的快速高效循環(huán)系統(tǒng)在長(zhǎng)慶區(qū)域24 只鉆井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用2 年后，表明其完全能夠滿足鉆井需要。相比以往鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，不僅工藝流程設(shè)計(jì)合理，而且工作效率得到顯著提升，罐體抗腐蝕性強(qiáng)，整體表現(xiàn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完全可以全面推廣使用。