重晶石回收系统评价体系研究与应用

彭云涛， 李文涛， 胡金喜， 李佳琪

（1.长城钻探钻井液公司四川页岩气项目部，四川威远642450；2. 长城钻探钻井液公司技术中心，辽宁盘锦124000）

长城钻探钻井液分公司四川页岩气项目在长期现场实践过程中逐渐形成了四级净化设备体系，即：三台振动筛+除砂除泥一体机+中、高速离心机。钻井液中的无用固相绝大部分是2～74 μm的钻屑，振动筛和一体机用以除去细颗粒（44～74 μm）及以上无用固相，而离心机用以除去特细颗粒（2～44 μm）与胶体颗粒（＜2 μm）范围内无用固相[1-5]。在现场钻井液维护过程中，保证振动筛和一体机的合理、正常的使用（及时更换筛网），即可对粗、细颗粒的无用固相进行高效分离；然而对于更小颗粒度的固相，振动筛和一体机很难把它们除去，而这些有害固相对高密度钻井液流变性、滤失性能、滤饼质量等都有明显影响[6-12]，因此第四级固控系统——双离心机系统就显得至关重要。然而在现场使用过程中，缺乏相关的评价方法，严重影响了该系统的高效运行。

1 重晶石回收系统概述

1.1 重晶石回收系统的组成与基本参数

重晶石回收系统是由中、高速离心机组成的双离心机系统，主要应用于页岩气井三开钻井的高密度油基钻井液的维护。重晶石回收系统体系作业流程是：高密度油基钻井液经过振动筛、一体机后进入2#罐，再通过供液泵进入中速离心机，经过中速离心机分离后，底流返回2#罐回收重晶石，溢流进入集液罐（3#的独立隔舱）；集液罐内钻井液通过供液泵进入高速离心机分离，底流排出，被净化后的溢流钻井液重新进入循环系统。

1.2 重晶石回收系统的基本原理

钻井液是固液两相流体。固相颗粒在液体中主要受到向下的重力G以及向上阻力f（如浮力、黏滞阻力等）的合力，而离心机为固相颗粒增加一个向下的离心力，加速沉降过程，从而达到固液分离的效果，适用于离心机的离心力公式如下[13]。

式中，Fr为分离因数；ω为离心机转鼓角速度，s-1；R为离心机转鼓内半径，m；g为重力加速度，m/s2。分离因数Fr是离心机运转时的内在属性，由运转离心机的转速（角速度）和转鼓内半径决定。因此，对于确定参数的离心机，其离心力与角速度的平方ω2和固相颗粒所受重力G正相关，即：F∝ω2·G。随着离心机角速度（转速）的增加，钻井液中的固相受到的离心力呈几何倍数增加，逐渐被沉降，分离出来。

2 组分分析与低密度固相分离效率的评价

2.1 组分分析

对于双离心机系统，分离液包括：中速离心机溢流、底流，高速离心机溢流、底流。由于分离液的组分构成与入口钻井液组分构成一致，因此油基钻井液组分分析的方法同样适用于离心机分离液。油基钻井液现场的组分分析，通常是利用标准《GB/T 16783.2—2012石油天然气工业钻井液现场测试 第2部分：油基钻井液》中给出的组分计算公式，计算出的4种组分包括油、盐水（CaCl2水）、加重剂（重晶石）以及低密度固相。

2.2 离心机底流分离效果分析

底流是离心机分离出固相的主要出口，固相含量较高，在离心力的作用下，钻井液中的固相颗粒快速沉降，最终被分离，然而沉淀过程中，固相颗粒被钻井液黏附、包裹，最后同固相颗粒一起分离出来，这些附着在钻井液中的固相，包括重晶石和低密度固相的存在，直接影响了对离心机分离效果的判断。因此需要把这部分钻井液体积比计算出来，把对应的重晶石、低密度固相按比例剔除，得到真实的被离心机分离出的固相比例。黏附出的钻井液以及相关低密度固相、重晶石体积比计算方法如下式所示。

式中，φmud（L/H）为中/高速离心机底流黏附的钻井液占总底流体积比，%；φmudlg（L/H）为中/高速离心机底流黏附的钻井液中低密度固相占总底流体积比，%；φmudB（L/H）为中/高速离心机底流黏附的钻井液中重晶石占总底流体积比，%；φo（mud）为钻井液中油的体积比，%；φsalt（mud）为钻井液中盐水体积比，%；φo（L/H）为中/高速离心机底流组分分析中油的体积比，%；φsalt（L/H）为中/高速离心机底流组分分析中盐水的体积比，%；φlg（mud）为中低密度固相占钻井液体积比，%；φB（mud）为重晶石占钻井液体积比，%。

最后，离心机真实分离出的重晶石和低密度固相的体积比可按照下式求得：

式中，φcentrifugelg（L/H）为中/高速离心机底流中被分离出的低密度固相的体积比，%；φcentrifugeB（L/H）为中/高速离心机底流中被离心机分离出的重晶石的体积比，%。

离心机底流的评价要求是：对于中速离心机，其作用一是回收重晶石，二是将低密度固相保留在溢流中，因此中速离心机的底流中φcentrifugelg（L/H）越低越好；对于高速离心机，其作用是尽可能多的分离出固相，因此高速离心机的底流中φcentrifugelg（L/H）越高越好。

2.3 离心机溢流分离效果分析

钻井液经中/高速离心机分离液相成为溢流。由于钻井液经过离心机的分离后体积有变化，离心机溢流与钻井液2者的组分分析没有可比性。因此，把中/高速离心机溢流利用加重公式加重至钻井液密度后，重新计算低密度固相体积比，然后用低密度固含的变化率作为双离心机系统对低密度固相的分离效率。中/高速离心机溢流钻井液经过加重后低密度固相含量的计算式如式（8）。

式中，φlg’（L/H）为中/高速离心机溢流钻井液加重后低密度固相体积比，%；φlg（L/H）为中/高速离心机溢流钻井液低密度固相体积比，%；ρof（L/H）为中/高速离心机溢流（overflow）钻井液密度，g/cm3；ρwm为加重剂即重晶石密度，现场采用密度为4.3 g/cm3的重晶石；ρs为钻井液密度，g/cm3。

用低密度固相的变化率作为分离效率△φlg，如式（9）。

式中，φlg（mud）为钻井液中低密度固相体积比，%。

离心机溢流的评价要求是：对于中速离心机，△φlg越低说明钻井液中的低密度固相没有随重晶石分离出去而大多都留在了溢流中；对于高速离心机，△φlg越高说明低密度固相被分离出去，钻井液得到了净化。

3 重晶石回收系统的现场评价

该次实验选择在威204H7平台6#的水平井段，三开全井段使用高密度油包水钻井液，水平段钻井液性能测试与组分分析结果见表1。

表1 威204H7-6井钻井液性能与组分分析（ρ=2.11 g/cm3）

3.1 中速离心机的分离效果分析

实验将离心机转数调整在2 200 r/min，测试溢流和底流的性能，然后进行组分分析，最后进行分离效果分析，结果如表2。

表2 中速离心机2 200 r/min溢流、底流分析（ρ=2.11 g/cm3）

由表2可以看出，底流有3.2%的低密度固相被分离回收；溢流中低密度固相损失了20.74%；从以上分析得知，中速离心机在回收重晶石时，回收了一部分钻井液中的低密度固相，造成只有79.26%的低密度固相进入溢流，没有满足中速离心机分离要求。离心机产生的离心力过大，需要降低离心机转速，提高中速离心机的分离效果。

实验将中速离心机转数由2 200 r/min降低至2 000 r/min，同样对溢流和底流进行性能测试、组分分析以及分离效果分析，结果如表3。由表3可以看出，底流只有0.15%低密度固相是由离心机分离出，含量很少；溢流只有0.41%的低密度固相没有进入溢流中，这有利于提高高速离心机的分离效率。

表3 中速离心机2 000 r/min溢流、底流分析

根据以上对中速离心机的调整和分析，可以看出，2 000 r/min的分离效果优于2 200 r/min。实验中随着离心机转速的提高，重晶石和低密度固相所受到的离心力差距迅速增大。当离心机转速为2 000 r/min时，重晶石被大量分离出来，而低密度固相受到的离心力相对较小，还不足以被分离出来，那么2 000 r/min就是中速离心机要求的最大转数，在该转数下，重晶石被回收，而低密度固相和少量重晶石被保留在溢流中。继续提高至2 200 r/min或者更高，离心力过大使得一部分低密度固相也被分离出来，直接影响了下一步对低密度固相的分离。

3.2 高速离心机的分离效果

高速离心机的作用是分离固相，包括重晶石和低密度固相，以达到净化钻井液的作用。现场使用的LW355X1257BP-N型离心机最高转速为2 805 r/min（工频50 Hz），在该转速下对高速离心机的溢流和底流进行评价，结果见表4。由表4可以看出，高速离心机底流中低密度固相φlg（H）占比很高，钻井液对应的低密度固相只有5.46%，即有41.45%是高速离心机分离出来的；而通过溢流计算出的分离效率△φlg也就是整个重晶石回收系统的低密度固相分离效率为61%，效果明显。

表4 高速离心机2 805 r/min溢流、底流分析

4 结论

1.重晶石回收系统是长城钻井液四川页岩气项目在现场三开油基钻井液期间重要的第四级固控设备，2台中速、高速离心机相互配合，回收重晶石、分离低密度固相。

2.利用现场油基钻井液组分分析的方法去分析双离心机系统各出入口的分离液，并给出了公式，确定了溢流、底流分离效果分析评价的方法。

3.在威204H7-6井进行试验，运用性能测试、组分分析、分离效果分析的3步评价方法，对中速离心机2种转速进行了对比分析，结果说明2 000 r/min效果要好于2 200 r/min；对高速离心机在最高转速条件下进行了评价工作，低密度固相的分离效率为61%。