新型钻井液循环管汇滤清器结构分析

王 臣，王 皓，张志敏，王可佳，李向敏，周小刚

（1.渤海石油装备制造有限公司石油机械厂，河北沧州 062552；2.华北油田公司工程技术研究院，河北沧州 062552；3.华北油田公司经济技术研究院审计中心，河北沧州 062552）

0 引言

滤清器是钻井液循环管汇的主要部件之一，安装于钻井液循环管汇管体中，通常位于立管和地面管汇交汇的三通处，用于过滤从泥浆泵打入钻井液循环管汇中的泥浆，去除直径较大的杂质，是钻井液进入井眼前的最后一道屏障。随着各大钻井公司的水平井、复杂井钻探数量增多，对钻井液的要求也越来越高，要求钻井液中杂质的体积越来越小，这就要求滤清器的滤孔尽可能小。因此，需要提出一种结构更合理、更适用、滤孔小、通过面积大、射流不损伤管体的滤清器。

1 传统钻井液循环管汇结构及不足

传统的钻井液循环管汇滤清器主要有两种：一种是在管体上打滤孔，钻井液从滤清器内孔流入，经过滤孔从滤清器外壁流出；另一种是在与钻井液流动方向垂直放置一块挡板，在挡板上打滤孔。上述结构存在以下3 个缺点。

（1）滤清器内外压差较大，如果使用上述结构1（即在管体上打滤孔）时，泥浆通过滤孔后形成具有一定能量的高速射流，以射流冲击的形式作用于高压管汇管壁，从而对钻井液循环管汇管壁造成损伤。

（2）射流冲击力是指射流在钻井液循环管汇作用的面积上的总作用力的大小。滤孔出口处的射流冲击力Fj可以根据动量原理计算得出：

式中 Fj——射流冲击力，kN

ρd——钻井液密度，g/cm3

Q——通过滤孔的钻井液流量，L/s

A0——滤孔出口截面积，cm2

由式（1）可知，滤孔截面积越小，射流冲击力越大，对管壁损伤越严重，因此传统结构的滤清器滤孔不宜过小，不仅对较小的杂质起不到过滤效果，而且如果杂质进入井眼，对斜井、水平井等复杂井的影响极大。

（3）滤清器压力降是指泥浆流过滤清器滤孔以后钻井液压力降低的值。当泥浆排量和滤清器滤孔尺寸一定时，根据能量方程可以计算压力降：

式中 △pb——滤清器压力降，MPa

C——滤孔流量系数，与滤孔的阻力系数有关，C 的值总是小于1

如果滤孔出口面积用滤孔当量直径表示，则滤清器压力降△pb计算公式为：

式中 dne——滤孔当量直径，cm

di——滤孔直径（i=1，2，…，z），cm

Z——滤孔个数[1]

由上式可知，滤孔个数越少，滤清器压力降越大，当使用上述结构2（即放置挡板）时，虽然滤清器前后形成射流方向与液流方向平行，解决了射流损伤管体的问题，但通过面积大大减小，滤清器前后压力损失严重。

2 新型钻井液循环管汇结构及原理[2]

2.1 结构

新型钻井液循环管汇滤清器自前至后依序设有连为一体的滤网、排液孔和扶正套，滤网为前部直径小，后部直径逐渐变大的圆筒状，在该滤筒壁上设有内外贯通的滤孔，滤筒前部外径小于安装在其中的由壬或连接管内径，滤筒后端和扶正套的外径与安装在其中的连接管体内径紧密吻合，在滤筒和扶正套之间设有供过滤后的钻井液排出的数个排液孔，在滤筒的前端设有带水平透孔的挡板（图1）。

图1 新型钻井液循环管汇滤清器结构

2.2 使用原理

将钻井液循环管汇滤清器安装在钻井液循环管汇地面管汇和立管交汇的三通处，前后设有连接的由壬。扶正套保证滤清器在钻井液循环管会内居中位置，滤网与由壬壁之间的间隙适中且均匀，钻井液从滤网外周通过滤孔和挡板透孔进入滤网内腔，并能防止较大杂质通过间隙流过滤网。滤网设计为前细后粗，且滤网上的滤孔和液流方向成40°～50°的夹角，可以充分减小钻井液流过滤孔的阻力，减小压力损失。同时，钻井液从滤清器外向滤清器内流动，射流形成在滤清器内部；对称倾斜设计的滤孔可将与液流方向垂直的射流抵消，同时加大与液流方向平行射流的流速，既避免了射流损伤管壁，又加快了通过滤孔后液流的流速，减小了压力损失[3]；通过扶正套的限位，可将排液孔正对立管，液流通过滤孔后由排液孔流入立管完成整个过滤过程。新型钻井液循环管汇使用原理如图2 所示。

图2 新型钻井液循环管汇使用原理

3 应用情况

（1）新型钻井液循环管汇滤清器通过调整钻井液流经滤清器的方向，使原本对管体有害的射流问题得到解决，因此，滤孔大小不再受射流限制，可大大缩小滤孔直径，减小过滤杂质体积，同时避免钻井液循环管汇管壁受射流伤害。

（2）该结构通过调整滤网表面角度以及滤网和挡板上滤孔的角度，大大减小压力损失，增加通过面积。

（3）该滤清器结构简单，拆装方便，现场工作人员可自行拆装。