钻井岩屑收集转运装置的研制与应用

何建春+冉建+刘洋

摘要：在钻井作业中，较远距离地对岩屑收集和转运仍然采用传统人工推车转运的方式，已逐渐不能适应钻井生产对安全、环保和成本的新要求。文章提出这一种专用装置，并通过现场应用验证来满足这一新要求。

关键词：缓存混合器；泵送装置；装置研制；钻井岩屑收集转运装置；钻井作业 文献标识码：A

中图分类号：TE24 文章编号：1009-2374（2017）07-0216-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.103

钻井过程中，泥浆从井内带出的大量岩屑通过振动筛、离心机分离出泥浆循环罐外，现在通常采用的是人工推车收集转运的方式排入沉砂池，这样转运的劳动强度及人力成本都较高，并且容易出现岩屑堆积或散落在排污沟周围，影响循环罐及井场周边环境，存在较大的安全、环保隐患。本文提出一种钻井岩屑的收集转运装置来解决这一问题。

1 装置结构及工作原理

装置主要由收集装置1和转运装置2两部分构成，结构如图1所示。收集装置主要负责将1#循环罐3个振动筛排砂槽、2#循环罐1个一体机排砂槽以及3#罐两个离心机排砂槽排出的岩屑收集并传输到转运装置内，然后由转运装置将其转运至沉砂池内。

1.1 收集装置

收集装置采用无轴螺旋输送机来完成岩屑收集，主要由电机11、联轴器12、轴系支座13、驱动轴系14、无轴螺旋15、机架16和排料口17等几部分组成。使用时，先盘转轴系，确认无卡阻后启动电机11，通过联轴器12和驱动轴系14带动无轴螺旋15旋转，当岩屑落入机架16中时，被无轴螺旋15向前推送，通过排料口17进入转运装置2。

经对钻井过程中岩屑排放量的分析，在表层钻进时岩屑的排量是最大的，根据对川渝地区多个钻井队的调研分析，一般日进尺400m左右，最大排量约在3m3/h，考虑到岩土成松散状的岩屑并有一定含水量的情况下，实际排量约为原始体积的1.5～2.2倍。结合无轴螺旋机超强耐磨性和耐用性、抗缠绕性强、物料不易堵塞、传动平稳等输送特性，收集装置的主要技术参数确定如表1所示：

1.2 转运装置

转运装置采用搅拌、缓存和泵送相结合的方式来完成岩屑的转运，由缓存混合器21和泵送装置22组成。缓存混合器21主要包含驱动装置211、搅拌叶轮212、缓存机架213和缓存出料口214等几部分，泵送装置22主要包含进料口221、转运泵222、清管器223和排料管224等几部分。当岩屑从收集装置1中进入缓存混合器21时，驱动装置211启动，带动搅拌叶轮212旋转，将进入的岩屑和泥浆混合成糊状物，待堆积到一定量后，开启缓存出料口214，糊状物进入泵送装置进料口221，通过转运泵222的抽

汲和泵送作用将其送入排料管224，从而转运至沉砂池。

1.2.1 缓存混合器。缓存混合器主要起搅拌、暂存岩屑和泥浆的作用。将进入的岩屑和泥浆通过不断搅拌混合成糊状物，以增强岩屑黏度，提高其可泵送性，以免造成无法转运或堵管等情况，这个过程类似于增强混凝土的坍落度，是转运中的关键环节，直接关系转运成败。另外可以暂时储存糊状物，等糊状物储存到一定量后再进行泵送转运，可减少泵送装置工作时间，节约能源并能延长设备使用寿命，同时也可减少清管次数，简化操作。主要技术参数如表2所示：

1.2.2 泵送裝置。泵送装置主要起泵送岩屑的作用。通过对钻井岩屑的物理特性分析发现，钻井岩屑与建筑行业中使用的混凝土具有部分相似的特性，都属于具有固液两相的物质，固相含量远大于液相，都具有一定的流动性、固相颗粒大等特点。在建筑行业中有专用的混凝土输送泵将混凝土进行一定距离内的输送，故借用其工作原理设计出岩屑的专用转运泵。

整个泵送装置关键部件是转运泵，工作原理如图2所示，岩屑活塞（7、8）分别与主油缸（1、2）活塞杆连接，在主油缸液压油作用下，作往复运动，一缸前进，则另一缸后退；岩屑缸出口与料斗连通，分配阀一端接出料口，另一端能过花键轴与摆臂连接，在摆动油缸作用下，可以左右摆动。

泵送岩屑料时，在主油缸作用下，岩屑活塞7前进，岩屑活塞8后退，同时在摆动油缸作用下，分配阀10与岩屑缸5连通，岩屑缸6与料斗连通。这样岩屑活塞8后退，便将料斗内的岩屑吸入岩屑缸，岩屑活塞7前进，将岩屑缸内岩屑料送入分配阀泵出。

当岩屑活塞8后退至行程终端时，触发水箱3中的换向装置4，主油缸1、2换向，同时摆动油缸12、13换向，使分配阀10与岩屑缸6连通，岩屑缸5与料斗连通，这时活塞7后退，8前进。通过不停的循环，从而实现连续泵送。

当需要清理输送管路中的积料时，可以通过反泵操作，使处在吸入行程的岩屑缸与分配阀连通，处在推送行程的岩屑缸与料斗连通，从而将管路中的岩屑抽回料斗。

因为岩屑混合物黏度高，易堵管，所以每完成一次岩屑转运后，需启用泵送装置中的清管器，用压缩空气推动海绵球清理管道内的残余岩屑，实现对管道的清理，以免干涸后堵管，清管器结构原理示意如图3所示。具体操作流程是：当需要清管时，在进气管7处接入压缩空气（p≥0.5MPa，气量Q≤0.4m3，井场气源提供），在闸阀D4处投入海绵球，然后关掉闸阀A1、闸阀D4和闸阀E5，开启闸阀B2和闸阀C3，最后打开气源将海绵球推到排料管8出口端完成管道内残余岩屑的清理。

通过对井队岩屑的调研了解，仅在表层钻进过程中，有极少部分岩屑直径>Ф25mm，可通过泵送装置进料口221的滤网过滤后人工捡出，再结合岩屑的特性和井场岩屑排放的实际情况，转运装置的主要技术参数确定如表3所示。

2 技术关键及主要特点

第一，本装置研制的关键点在于转运装置的设计，它是在岩屑物理特性与混凝土物理特性具有一定相似性的基础上，对混凝土输送泵工作原理充分吸收借鉴后进行的改进设计。

第二，收集装置采用U型槽外壳，方便岩屑收集，不易拋洒；采用无轴螺旋机进行传输，不易卡阻、剪断，传输效率高；采用U型尼龙衬垫，大大延长了设备的使用寿命，维修方便；整个装置结构简单紧凑，加工制造难度较小，现场安装和维护保养较简单。

第三，转运装置能使岩屑在无洒落的情况下水平运送最大达200m的距离，降低了人工转运的劳动强度和成本。

第四，每个装置成独立单元，在现场恶劣的工作条件下，随时可以更换，不影响钻井作业。

第五，整套装置设计环保，不论是收集装置的结构、缓存混合器的增设还是清管器压缩空气的使用，在有效杜绝岩屑溢出的同时可减少污水的产生，从而大大降低了污水处理费用和可能带来的环境污染问题。

第六，适用于沉砂池距1#循环罐有一定距离的钻井现场。

3 现场应用

该装置从2013年10月初投入井队试用至今，通过在川渝两地各区块超过20井次各井段的运用证明，该装置能完整收集和可靠转运钻井岩屑至沉砂池。该装置的使用妥善解决了岩屑散落带来的环境污染问题，节约了处理岩屑污染以及钻井污水产生的环保费用，带来的环保效益无法估量。同时降低了工人劳动强度，避免了人工转运岩屑存在的不安全隐患，减少了人工转运成本。4000m钻机节约人工费用约4.3万元/年；5000m钻机每年节约人工费用约5.5万元/年；7000m钻机每年节约人工费用约7.3万元/年；节约人工推车费用约1万元/年。

4 结语

（1）该装置实现了各区块各井段岩屑的收集与远距离输送，在中深井段效果尤佳；（2）该装置结构紧凑、安装操作方便、经济耐用、维护量极少、维护费用低，减轻劳动强度的同时还能杜绝环境污染，具有广阔的推广应用前景。

参考文献

[1] 胡小刚，康涛，等.国外钻井岩屑处理技术与国内应用研究分析[J].石油机械，2009，37（9）.

[2] 王海英.水泥混泥土输送泵车结构优化设计[J].长安大学学报，2004，24（1）.

作者简介：何建春（1980-），男，四川营山人，川庆钻探工程有限公司川西钻探公司工程师，研究方向：钻井设备管理；冉建（1984-），男，四川蓬溪人，川庆钻探工程有限公司川西钻探公司工程师，研究方向：钻井设备管理。

（责任编辑：秦逊玉）