合理配套使用泥浆固相控制设备任安德2017年11月16日1 概述钻井固相是泥浆中所含固体成分，其体积或质量百分比即为我们通常所说的泥浆固相含量。

钻井固相按其作用可分为两类：有用固相和有害固相。

正因为泥浆固相含量及颗粒大小与钻井综合成本有着如此重要的关系，泥浆固相控制才在钻井工程中显得至关重要。

泥浆固相控制就是要清除泥浆中的有害固相，保存有用固相。

以满足钻井工艺对泥浆性能的要求。

固相控制的方法很多常用的有大池子沉淀、稀释法、替代法、机械法、化学絮凝法五种。

稀释法是用清水或其他较稀的液体来稀释泥浆；替代法是利用清水或性能符合要求的泥浆来替代出一部分固相较高的泥浆，从而减轻总的固相含量；机械法是通过振动筛、除砂器、除泥器、离心机等机械设备，利用筛分、离心分离等原理，将泥浆中的固相成分按颗粒、密度大小不同而分离开，根据需要进行取舍，以达到控制固相的目的；化学方法是利用不分散体系泥浆来控制钻屑，使之不分散或絮凝，他常常是机械或其他方法的补充。

其中由于机械法固控效果好，成本低，且尚无新的固控方法可以替代，故在钻井施工中被普遍采用。

对泥浆循环固控系统研究探索主要针对流程的科学设计，同时以流程为主线来合理配置固控设备，其最终目的是为了更好地满足钻井作业的需要，因此，首先要从钻井工艺要求的角度考虑，其次要符合高效、节能、环保的要求，另外，要安装方便、操作简单、降低劳动强度。

2 泥浆的分类和作用2.1 泥浆的分类泥浆是粘土颗粒分散在介质中而构成的。

构成泥浆的分散体不止是粘土颗粒，而分散介质也不止是水。

以分散和分散介质不同来划分泥浆的分类和组成(见表2.1)。

表2.1 泥浆的分类注：上表均系指一般比重的泥浆。

若重泥浆，则分散体里还有加重剂颗粒。

目前普遍使用水基泥浆和油基泥浆。

2.2 泥浆的作用泥浆是关系钻井成败的主要因素之一。

泥浆的主要作用如下：(1)携带和悬浮钻屑。

泥浆的一个基本作用，就是要把钻头破碎的岩屑从井底带出井眼，保持井眼净化。

(2)稳定井壁：泥浆的组成必须对钻遇的泥页岩的水化膨胀和分散具有较强的抑制作用，同时，泥浆的滤失性能应有利于在井壁上形成薄而韧、摩擦系数小的泥饼。

(3)冷却和冲洗钻头，清扫井底岩屑。

(4)平衡井底压力：泥浆密度能在较大范围内调节，以建立与地层压力相平衡的液柱压力，防止喷、漏、塌、卡等井下复杂情况发生。

2.3 泥浆中固相分类根据泥浆中固体的性质可将其区分为两大类：(1)活性固体：这些固体在水中水化分散，它们的物理化学性质受水中的离子和泥浆处理剂的影响，这些固体如粘土和以粘土为主要成分的岩屑。

(2)惰性固体：这些固体不溶于水，在水中也不水化分散，如重晶石、石灰石、砂等。

根据固体对泥浆性能的影响，泥浆中的固体又可分为：(1)有用固体：包括膨润土(颗粒一般小于2m )、重晶石等加重料和一些泥浆处理剂。

(2)有害固体：(或称无用团体)是指岩屑、劣质粘土和砂粒，它们的颗粒直径皆大于10mμ。

各种不同的固体其颗粒直径范围如下：常用的重晶石大部分颗粒处于2～74mμ范围内（95%通过200目筛），在钻进过程中地层岩石不断地被钻头破碎，钻屑进入泥浆，而它们大部分是有害固体，因此要保持泥浆固相含量低和胶体含量低必须解决以下问题：(1)让钻碎的岩屑和粘土，由井底带至地面整个过程不水化、不分散。

(2)让钻屑尽快地由井底返至地面，迅速地从泥浆中清除出去。

(3)让泥浆中维持适当数量的小于2mμ的胶体颗粒。

总之，为了提高钻井速度、保证井下安全和维持泥浆良好性能，不仅要保持泥浆低固相含量，而且要尽可能降低泥浆中小于2mμ的胶体颗粒的数量。

3 泥浆固相控制系统3.1 泥浆循环系统流程根据钻井作业的要求，可以将泥浆循环系统的各个流程按其功能划分如下几个基本流程：(1)泥浆罐容积流程（泥浆贮存单元）；(2)出浆分配罐流程（分配泥浆到不同处理单元）；(3)泥浆固控设备流程（固相控制单元）；(4)泥浆加重（混浆）流程；(5)泥浆泵吸入流程；(6)泥浆的常规除气流程；(7)钻井起下钻计量罐及灌浆流程；(8)泥浆储备灌及储备流程；(9)气侵放喷液气分离器系统；(10)泥浆罐电路系统。

各个流程在整个泥浆循环系统中有着相对的独立性，其作用是由钻井工艺来决定的，反过来为钻井服务。

3.2 泥浆罐的容积流程泥浆循环系统根据其作用分别由六种罐组成：第一种是固控设备罐（安装振动筛、一体机的罐），第二种是中间罐也叫过渡罐（离心机安装在此罐上），第三种是加重（混浆）罐，第四种是泥浆泵吸入罐，第五种是计量罐（容积为10ｍ３），第六种是存贮泥浆罐；每个罐（含隔仓）都安装有15KW 泥浆搅拌器，每个罐（含隔仓）都设定有固定标尺，能及时观察罐内泥浆体积。

整个罐通过走道网板联接，罐边设置有可收放的栏杆，栏杆之间有联接，在振动筛、泵房和加重罐处设置有三套或三套以上的梯子。

3.2.1 出浆分配罐流程泥浆从井口返出后经回溢管连接到泥浆分配罐流程，分配罐接口及作用如下：(1)流入泥浆振动筛接口，有几台泥浆振动筛就有几个接口；(2)回溢管接入口；(3)分离器泥浆脱气后流出接口；(4)计量罐返浆接口；(5)泥浆直排入罐接口；(6)泥浆直排入外池接口。

3.2.2 泥浆固控设备流程泥浆固控是泥浆循环系统的核心部分，根据固控分级原理划分，固控设备的处理及摆放程序是振动筛→除砂器→除泥器→中速离心机→高速离心机。

图3.1 泥浆固控设备流程3.2.2.1 振动筛是第一级固控设备，而且只有它是全过流处理，并直接影响后几级固控设备的工作效果和泥浆体系的好坏。

振动筛处理量大，排浆流畅，适应200目以上高目数筛网是当前振动筛的基本要求。

公司目前使用的GXS-Ⅱ振动筛处理量为60L／S，最大激振G力（g）达8.2，经过现场使用，反映效果很好。

表3.1 GX/S型直线/平动椭圆双轨迹振动筛主要参数3.2.2.2 除砂器是第二级固控设备。

它的工作原理是旋流器的离心分离与重力排砂相复合的工作原理，其处理过程不是全过流，工作动力是由55KW 砂泵提供，它的分离点为74mμ左右（分离点是通过分离设备的工作，有一种颗粒在底流和溢流中各占50％，该粒度点叫该设备的分离点）除砂器的底流还可以经过清洁器进行泥浆回收。

表3.2 旋流器直径与分离点参数注：1)直径为150～300mm的旋流器称为除砂器。

在输入压力为0.2MPa时，除砂器处理泥浆的能力为20～120m3／h。

正常工作状态下能够清除大约95％大于74mμ的钻屑和大约50％大于30mμ的钻屑。

2)直径为100～150mm的旋流器称为除泥器。

在输入压力为0.2MPa时，其处理能力为10～15m3／h。

正常工作状态下可清除约95％大于40mμ的钻屑和约50％大于15mμ的钻屑。

3.2.2.3 除泥器是第三级固控设备。

除泥器的进浆是除砂器的溢流。

除泥器的工作原理和除砂器一样，只是工作范围不同，其分离点为43mμ左右。

为了满足钻井工艺对泥浆的要求，目前循环系统的固控系统都采用除砂除泥一体机，都能保证固相的控制及泥浆性能的稳定。

表3.3 除砂除泥一体机主要参数3.2.2.4 中速离心机是第四级固控设备。

中速离心机以除砂器和除泥器的溢流浆可作为进浆。

中速离心机的工作效率高，能降低泥浆密度的同时可以降低粘度，还可以节约大量的泥浆助剂。

表3.4 中速离心机主要参数3.2.2.5 高速离心机是第五级固控设备。

高速离心机工作后可将其胶体固相和超细微固相的溢流排出到罐外，而将含有相对较大颗粒的固相或含重晶石的底流回收到特定罐中并加入一定的水和药品合成优质的泥浆。

表3.5 高速离心机主要参数4 固相控制设备选用4.1 振动筛振动筛是固控系统中最重要的净化设备，作为泥浆的第一级净化，其作用是将从井口返出的泥浆中大于70m 的较大颗粒除去，并且不产生破碎，以便下一级净化设备对泥浆进一步净化。

振动筛性能的优劣除直接影响第一级处理的质量外，对下级净化处理设备性能的发挥也有很大的影响。

4.1.1 振动筛的选用振动筛的使用性能主要反映在处理能力、工作的稳定性、寿命的长短和操作的灵活性等几方面，振动筛的处理能力与振动筛的结构、运动轨迹、振动频率、振动强度、筛网面积和筛网的目数有关系。

目前较为先进的振动筛一般多是高速、线性、细目、多层的振动筛，能够较好地满足钻井工程的要求。

振动筛分离钻屑的能力由筛网决定，所以某种振动筛的性能好坏，从现场使用者的角度来看，很大程度上是由该筛实用筛网目数、筛网的面积决定的。

图4.1 振动筛分离曲线图从上图可以看出，振动筛筛网的目数不同，筛分的固相颗粒的粒径也是不同的。

30目筛网的筛分颗粒的最小粒径为540mμ，50目筛网的筛分颗粒的最小粒径为280mμ，60目筛网的筛分颗粒的最小粒径为230mμ，200目筛网的筛分颗粒的最小粒径为170mμ，120目筛网的筛分颗粒的最小粒径为110mμ，200目筛网的筛分颗粒的最小粒径为74mμ，325目筛网的筛分颗粒的最小粒径可达到44mμ。

根据钻井作业要求，配备的泥浆振动筛的固相分离粒径最小为74mμ，振动筛应安装200目的筛网。

在选用振动筛时，泥浆的许可处理量是一项重要的参数。

为了使振动筛与钻机匹配，就必须考虑泥浆泵的最大排量及钻进中产生的钻屑量。

表4.1 钻井泵的排量表公司钻机配备的钻井泵主要为1600型钻井泵2台，见表4.1可知，泥浆固控系统需要配备3台振动筛，所需振动筛的处理量约为180sL/，单个振动筛的处理量为60sL/。

4. 2 除砂器、除泥器（一体机）的选用4.2.1 除砂器是用于清除泥浆中砂子颗粒的一种分离设备，除泥器是用于清除泥浆中粘泥颗粒的一种分离设备。

除砂器与除泥器的工作原理是一样的，都是由一组水力旋流器和一个处理旋流器底流并回收泥浆的小型超细网目振动筛组成。

除砂器主要适用于加重的水基泥浆，其有效分离粒径为44～74mμ，若用于处理油基泥浆时，有效分离粒径会减小到70mμ。

除泥器主要适用于固体含量较低的非加重水基泥浆，有效分离粒径为8～40mμ，若用于处理油基泥浆时，有效分离粒径则增大为40～50mμ。

水力旋流器的直径、进料口尺寸及进料管形状、流通形式、溢流口尺寸及溢流管插入深度、底流口尺寸等都是影响旋流器工作特性的重要因素。

旋流器的处理量与自身直径的平方成正比，溢流中的固相粒也随直径的增大而增大。

溢流管插入过深或过浅都会使溢流中固相粒径增大。

底流口尺寸过大或过小对底流的排出均不利。

公司使用的旋流器主要有100和250mm两种规格，处理量大致相同，都在150～200hm/3左右，而其固相分离能力主要由旋流器的直径决定。

图4.2 旋流器固相分离曲线图从图4.2中可以看出，旋流器处理固相颗粒的曲线比较平缓，即使使用很小口径的旋流器也很难将很大直径的固相颗粒100%的清除干净，这就是旋流器无法代替振动筛和离心机的原因。