第28卷第24期2012年12月甘肃科技Gansu Science and TechnologyVol .28No .24Dec .2012钻井液循环处理系统优化分析颜晓军（江苏石油勘探局钻井处，江苏江都225261）摘要：随着钻井技术的发展，钻井液处理系统对钻井作业所起的积极作用越来越大，各种固控设备、各种类型的钻井液循环系统也应运而生。

可是无论形式如何变化，它的基本功能（即最大限度地清除钻井液中的有害固相和储存足够的钻井液）是不变的。

介绍了钻井液处理系统实际情况，并对钻井液处理系统进行了优化。

关键词：钻井液循环系统；优化；设计中图分类号：TE921.11钻井液循环罐的优化设计钻井液循环罐作为钻井液固控设备中的主要设备，是为了满足钻井过程不同的阶段和不同要求所进行必要的循环和储备，并为各级固控提供必要的循环条件。

其在满足钻井工程需要的情况下，尽量使罐的尺寸减到最小程度，这样便于设备的安装和运输，同时也减少了不必要的钻井液成本。

1.1外形尺寸钻井液循环罐的外形尺寸很大程度上取决于当地的运输条件。

公路限高是4.5m ，宽度不超过2.5m 为好。

这也就能确定油田所使用的钻井液循环罐的最大外形尺寸。

另外还应根据另一种成熟的技术，按照钻机底座和振动筛确定钻井液循环罐的高度，如图1所示。

图1按照钻机底座和振动筛确定钻井液循环罐的高度根据资料介绍，明槽斜度为4% 7%，暗管斜度为8% 12%时为最佳状态。

根据上述数据，以ZJ50/3150DZ 钻机为例，井口中心到罐边的距离是16m ，钻台跨度是10.31m ，这里假设L =16m （不同的钻机L 的尺寸是不一样的），同一坡度下，越远越低，取暗管斜度为12%，则图1中H 2=H 1+1000+D /21000mm 为预留的操作空间，H2=7617mm ，D 为320mm ，则：H 1=6457mm ，因此，［H 1－（H +800）］/L =12%H =3737mm由上述计算和运输车辆的条件，可以基本确定适合该井架的钻井液罐理论高度为3m 。

但考虑到综合因素，钻井液罐的实际总高约为2.8m ，减去罐面上的附属设施的高度0.5m ，罐体有效实际高度为2.3m 。

1．2罐体整个容积的确定按照钻井工艺的要求，不同的井深和井径，所需的最小钻井液的量是不同的，其钻井液的总量Q 总用下列公式计算：Q 总=Q 井+Q 管+Q 罐式中：Q 井———井筒中储存的钻井液量，m 3；Q 管———地面管汇中储存的钻井液量，m 3；Q 罐———维持砂泵、泥浆泵正常工作时最低液面钻井液罐中储存的钻井液量，m 3。

Q 井=∏ˑd 2ˑH /4式中：d ———井径，m ；H ———设计井深，m 。

表层套管部分，井眼直径为339.7mm ，深度为0200m ；技术套管部分，井眼直径为311mm ，深度为200 700m ；油层套管部分，井眼直径为215.9mm ，深度为1000 3000m ；根据上述公式可以计算出：Q 井=∏ˑ（D 表2ˑH 1/4+D 技2ˑH 2/4+D 油2ˑH 3/4）=3.14ˑ（0.342ˑ200/4+0.3112ˑ700/4+0.2162ˑ2100/4）≈148.31m 3地面管汇以5”无缝厚壁管为例，内管径为112mm ，长度约为50 70m ，则：Q 管=∏ˑd 2ˑH /4=3.14ˑ0.1122ˑ70/4≈0.7m 3维持砂泵、钻井液泵正常工作时最低液面的高度不得低于400mm ，假设罐宽为2.5m ，长度为9m ，则Q 罐=9ˑ2.5ˑ0.4ˑ2=18m 3综上所述：Q 总=Q 井+Q 管+Q 罐=148.31m 3+0.7m 3+18m 3=167.01m 3另一种完钻井深容积的计算方法是井深容积的基础上再加上50%的附加量，同样以3000m 井深为例：0.21592ˑ3.14ˑ3000/4≈110m 3110ˑ150%=165m 3这两种方法计算的结果相似，这里就取值大的一个。

罐高度为2.3m ，减去底座0.2m ，则罐的有效高度为2.1m 。

江苏地区河流众多，人口密度较大，运输环境复杂，造成车辆转弯半径较小，长度应控制在9m 左右。

则Q 罐=长ˑ宽ˑ高=9ˑ2.5ˑ2.1=47.25m 3钻井液罐的数量为：167.01m 3/47.25m 3=3.5，考虑到钻井施工中特殊工况的安全需要及圆整的要求，钻井液罐的个数应为4个（储备罐另计）。

这样，钻井液罐系统就由4个罐组成，单罐的理论容积为47m 3，总理论容积为188m 3，实际容积约为160m 3。

1．3罐体的结构设计目前钻井液循环罐的结构设计多式多样，从外形看大多数是四方形，普遍都存在着一个问题，不利于清砂，所以要采用锥形管。

锥形罐采用了一个二次沉降区，主要目的是预想通过2次沉降后，减少钻井返出液体中的固相含量，减少对砂泵的磨损。

因自己无法对固相在钻井液中的下沉速度进行估算，二次沉降区域的大小未能确定。

另根据实际情况，砂泵的吸入口与设备的溢流口不能布置在同一个罐内。

另应考虑到在特殊的情况下，二次沉降罐也可以作为计量罐使用。

1#罐中的除砂器、除泥器和立式砂泵等等，按现有技术均可以做到在罐内升降，减少搬迁时的车辆。

如图2所示。

图21#罐布置2#罐中的离心机和立式砂泵等，按现有技术均可以做到在罐内升降，减少搬迁时的车辆。

另在2#罐上可另配上小的加药罐或值班房等，如图3所示。

3#罐端面配置旋流式混合漏斗一只和射流式混合漏斗一只，用于加药，配药。

其中配好的钻井液可以通过钻井液走槽和罐壁沿口管流向其他罐内。

紧急加重时，可直接把配药罐作为钻井液泵的上水罐，如图4所示。

16第24期颜晓军：钻井液循环处理系统优化分析综上所述，该套钻井液循环罐中的明管和暗管比较少，能有效地减少管线内部泥沙的沉积，同时也优化了钻井液循环系统的流程。

将双除、离心机立式砂泵均沉降在循环罐内，减少搬迁时的车辆以及安装拆卸的工作量。

另钻井液循环罐的电路系统均应以罐为单位，采用快速接插件，方便安装和拆卸。

2附属设备、设施的优化措施2．1搅拌器叶轮的选型在钻井工程中，搅拌器的功用有两点：一是使得液体中的各种成分混合均匀，二是使得钻井液中悬浮固相的向上速度大于沉降速度。

在同等功率消耗的情况下，转速低的大直径桨叶产生的循环流量大，剪切力小；反之，转速高，直径小的桨叶产生的循环流量小，剪切力大。

现使用的搅拌器叶轮是双叶轮结构，上部采用的是圆盘涡轮式四个折叶，角度45ʎ，直径780mm，下部采用的是圆盘涡轮式四个平直叶，直径710mm，圆盘直径为400mm。

以7.5kW 电机带动的搅拌器为例，速比为25，搅拌器的转速为57.6r/min。

1台7.5kW搅拌器每分钟的排量可以满足20m3容积的钻井液循环。

一个40m3容积的钻井液罐选用2台7.5kW的搅拌器就能满足实际的需求。

实际中，搅拌器的实际输出功率不超过2kW，这种设计的指导思想是在叶轮因停机被沉砂埋住后仍能启动，但实际上不是烧电机就是折断叶片，因此需在结构上进行改进。

根据参考资料显示，以罐宽2m，高2m为例，叶轮最大直径/罐宽= 0.39，而为了搅起罐底固相颗粒，这个取值应在0.45 0.5比较适宜。

另外由于桨叶之间的圆盘，破坏了桨叶上下液相的对流混合，应在选用开启式涡轮式。

2．2旋流器的功用不能满足现有的状态水力旋流器从理论的角度出发，能完全满足钻井工程的需求。

它于20世纪50年代开始发展，到目前为止，已形成直径为2、4、5、8、10和12in的系列产品。

对于常用的2、4、10和12in的旋流器，其26甘肃科技第28卷供浆的压力分别为0.53、0.32、0.24MPa，处理能力依次为1.575、4.725和31.5L/s，其分离因素值依次为700、350 500以及100 200。

2in旋流器在上述条件下，能清除96%8 12um的颗粒；4in旋流器能清除95%25um和50%15um的颗粒；10 12in旋流器能清除95%74um和50%40um的颗粒。

但在实践中，旋流器的使用往往不尽如人意。

其实质上有两点：一是供浆压力不足、不稳，未能够形成足够的离心力促使细颗粒强迫沉降。

目前使用的是电动离心式供液泵，能耗大（30 55kW）、效率低（40% 50%）。

选用新型、高效的供浆泵已成当务之急。

二是没有能遵循水力旋流器的磨损规律。

锥筒磨损最严重的地方，大约距离底流嘴80 150mm之间。

在这一区间内，其破坏形式大都因涡流而产生的“磨损洞穴”。

因为这一区间内的切向速度最大，磨损严重是必然的。

任何锥体内壁出现凹凸不平，都将因“气穴”和“气蚀”现象而严重剥蚀锥体内壁。

所以，不论锥筒壁厚有多大，最大磨损量达到3mm均应认为已失效。

那些认为锥筒的寿命就是锥筒磨穿的运行时间的观点极为有害。

这正是在现场使用中，水力旋流器工作后期虽未磨穿，但完全失去了排砂能力。

根据资料显示，材质为浇铸型聚氨酯的使用寿命为＜2100h，而混炼型聚氨酯的使用寿命仅为98.5h，高硌铸铁的使用寿命为530h。

锥筒在磨损量达到规定的期限后，必须进行更换。

3配套系统的优化配置钻井液循环罐还应作为一个集钻井液性能处理与维护、钻井液性能检测和监控的综合平台。

3.1检测系统对于钻井液性能的检测主要通过人工定时的检测。

当前市场上已有一种探测仪器，能自动的对钻井液的流变性能参数、失水性能参数、润滑性能参数、膨胀性能参数多种性能进行实时检测，并能自动生成记录。

产品已趋于成熟，误差率为5%。

3.2监控系统在每个钻井液罐上均应安装独立的钻井液液位报警系统，其主要原理是超声波液位计测量钻井液罐实时液位，PLC采集超声波液位计的信号，在PLC内部通过程序精确计算，得出钻井液总体积，再根据钻井液量初始设定值，连续判断，进行准确的报警。

目前使用的是北京玛斯莱特公司生产的无线液面报警仪，安装拆卸方便，使用可靠，缺点一是信号传输时不稳定，抗干扰能力不强；二是由于搅拌器的作用，液面波动引起的误差无法消除。

3.3自动灌浆装置在钻井过程中，起、下钻作业时能够进行自动灌浆，在灌浆过程中监测井涌、井漏事故并及时报警，智能化提醒现场操作人员。

自动灌浆系统如图5所示。

图5自动灌浆系统4结语介绍了钻井液处理系统实际情况，对固控系统的流程进行了改进，对原有流程的优缺点进行了分析，确定了新型钻井液固控系统应具备的功能，并对钻井液处理系统进行了优化，满足江苏油田钻井的要求，值得推广应用。

参考文献：［1］陈如恒，沈家骏.钻井机械的设计计算［M］．北京：石油工业出版社，1995．［2］张玉华，李国华，熊亚萍，等.钻井液固相系统配套现状及改进措施［J］．石油矿场机械，2007，36（12）：84-87．36第24期颜晓军：钻井液循环处理系统优化分析。