基于复杂钻井作业中的固控系统优化

廉晓龙

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

钻井固控系统是钻井快速钻井和保护油气层的关键，是实现自动化钻井的重要环节。固控系统主要包括振动筛、除气除砂器、离心机等设备。随着钻井的深度的增加，钻井的难度越来越大，钻井遇到的地层和地质情况也越来越复杂，也出现了一些新的开采技术和工艺，同时对钻井的固控系统也要求越来越高[1]。目前我国固控系统存在筛分效果不好、易损件寿命较短、系统可靠性不高、钻井液净化效果低、系统较为复杂、设备费用高等问题[2]，固控系统中固相颗粒对钻井液的物理性能有明显影响，随着钻井液固含量的增加，钻速会随之下降，如果要提高钻井的速度，必须提高钻井固控系统的性能，降低固含量。在钻井用户个性化需求日益增多的情况下，对固控系统的要求也转为个性化、多样化，既要求无污染，也要求能提高经济效益。

国外对固控系统研究起步较早，部分厂家可以根据计算结果进行调整固控流程，进而钻井液的修正处理，将固控系统转为综合自动化控制系统。国外有代表意义的公司有英国的Thomas Broadbent son 公司的多台双层双联直线振动筛构成的固控系统，美国SWACO 公司的FPS 密封固控系统，挪威GM公司推出的多台振动筛固控系统，可以实现75 μm 以上的颗粒去除。美国Derrick 公司推出的超细目直线振动筛可以使系统进一步简化，形成两级进化系统，提高了可靠性[3-4]。国内的固控系统在国外技术的基础上进行改良，以适应各个油田的地质情况。江汉机械所研制了NJ2P 型固控系统，在65B 钻机上使用，宝鸡石油机械有限公司的ZJ32A 型固控系统处理能力可达20 m3/h。国内外的固控系统发展趋势是以提高净化装置的性能，简化系统结构，降低设备能耗，采取两级固控系统代替多级固控。

1 复杂钻井固控系统

直井是钻井作业施工中最简单的情况，定向和水平井是属于较为复杂的钻井作业情况。水平井需要开挖直井段、斜井段、水平井段，井段相互吻合才能形成合适的井道，才能满足施工要求[5]。钻井作业中的固控系统是为了实现钻井液的固液分离，使钻井液能循环利用，是钻井施工的净化系统，目前复杂钻井采用的是四级固控系统，一级固控振动筛用于去除大颗粒，通过振动筛出去钻井液中的砂石和钻屑，液体进入二级固控，目的是除去砂子等粒度在50 μm 的颗粒。三级固控是除去粒度在（8～40）μm 的泥土颗粒，四级固控是用离心机去除（2～8）μm 的较小的颗粒，完成液体的净化。

钻井液固控系统流程如图1 所示，从中可以看出，复杂钻井出来的泥浆首先进过振动筛，再进入沉砂仓除砂，经过泥浆槽后进入除气仓，经过多次除砂后，进入离心机仓，最后将净化后的钻井液送至井口。

图1 钻井液固控系统流程

复杂钻井液中的固相清除的方法主要有稀释、沉淀、替换钻井液、化学—机械分离等步骤。固相控制设备主要有振动筛、旋流分离器和离心分离机等，振动筛是固控系统中第一台分离设备，具有分离快、效率高的特点，是其他固控设备的前提，振动筛的性能取决于振动形式、振动功率和筛网参数的选择。振动形式有圆周式、椭圆时和直线式，振动筛的振动幅度越大，振动效果越好，除砂的能力越强，但是幅度过大会对振动筛的寿命造成影响，通常直线式运动的加速度是重力加速度的3～4 倍，圆周式运动是重力加速度的4～6 倍。

旋流分离器是由溢流管和底流口组成的锥形容器，液体收到向下的推力和重力的作用下，液体成螺旋运动。液体的切向速度越大，使旋流器的离心力也越大，使液体发生破裂，形成空气核。垂直速度是液体在旋流器中停留时间的关键因素。旋流分离器的处理能力可从进液和出液两方面评价，旋流分离器的除砂直径为（40～200）μm，除泥的颗粒直径则更小。

2 复杂钻井系统存在的问题

由于负责钻井系统中的循环罐设计不合理，会造成钻井液的搅拌系统的管线路径不合理，线路上弯头过多，管线中液体流动受到的阻力大，造成流量降低，影响钻井液的正常循环。钻井液的固控设备电机与系统不匹配，电机耗能过高，固控设备老化，导致系统的效率低，造成固相控制的稳定差。

3 复杂钻井系统的优化

设计采用除砂除泥一体机，降低除泥砂的级数，简化系统结构，同时满足复杂钻井作业的施工要求。使用钻井液除砂除泥一体化设备，减少了处理设备的数量，提高了系统的运行效率，维修养护起来也简便，优化选择振动性能强的振动筛，提升系统的净化能力。

对于固控系统中管线设计的问题，选择合理的管线走向，简化连接管线，降低管线的阻力，提高泵的效率，也避免了管线损坏，从而满足了复杂钻井施工技术要求，避免了管线与罐底的沉淀物增多。

提高固控系统的可靠性，对可靠性进行优化，可以提高系统的使用寿命，提高系统的正常工作时间，系统的可靠性的基本特征是由可靠度、累积分布函数、故障率、平均寿命等构成，采用计算机辅助故障树分析系统CAFTA 软件对固控系统进行可靠性的分析，可提高固控系统的使用寿命。CAFTA 以故障树为分析模型，建立故障树的模型，进行可靠性的模拟参数设定，然后通过事件失效数据分析，计算出失效分布的参数，对分布参数进行拟合，得到置信区间对应的可靠度，通过可靠度的计算，可以优化复杂钻井作业固控系统。

4 结束语

通过对复杂钻井作业固控系统的介绍，分析不同情况下存在的问题，设计采用除砂除泥一体机，降低除泥砂的级数，简化系统结构，选择合理的管线的走向，简化连接管线，降低管线的阻力，提高泵的效率，通过可靠度的计算，可以优化复杂钻井作业固控系统。