ZCZJ2×3Y-2000型液体钻井液助剂自动加药系统研制

肖建秋，王 赢，邵 强，李星月

(1.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京102206; 2. 中国石油集团渤海钻探工程有限公司 第四钻井工程分公司，河北 任丘062450)

钻井液在石油钻井过程中起到重要作用，为达到高效、经济、安全生产的目的，需要针对不同地质要求、不同条件的储层，适当添加不同性质的钻井液助剂，适时调整钻井液性能。为了使钻井液助剂最大限度发挥其效能，对其添加工艺要求有较强的科学性和技术性[1-2]。目前，在我国陆地钻井液配制或调配工艺中，液体钻井液助剂的加药模式为人力把装有液体钻井液助剂的桶搬运至加药点，倾倒至泥浆混合系统中，加药过程是敞开式的。钻井液工的劳动强度大，人工加药过程受人为因素限制及环境因素影响，无法根据钻井液助剂性质准确控制加药速度、加药量等加药参数，难以保障钻井液的质量、稳定性。利用液体输送计量泵将液体钻井液助剂在密闭环境下自动输送和添加至泥浆混合系统，可针对液体助剂的物理化学性能差异设置适当的加药参数，提高钻井液的质量和稳定性，降低工作人员的劳动强度，减少对钻井液工的健康影响，提高生产效率[3]。

1 工艺流程及工作原理

图1所示为ZCZJ2×3Y-2000型液体钻井液助剂自动加药装置的工艺流程图，由储液罐、进出液计量泵、质量流量计、搅拌器、控制阀、管路、清水箱、废水箱等组成。

图1 液体钻井液助剂自动工作流程图

1) 进液流程。进液计量泵将原料容器中的液体钻井液助剂抽吸至储液罐中暂存备用，质量流量计实时计量瞬时流量、密度及总进液量，液位计实时显示液位高度。

2) 加药流程。当需要向钻井液混合系统加入液体助剂时，出液计量泵将相应储液罐中的液体钻井液助剂按设定参数泵送至泥浆混合系统中，参与钻井液配浆或维护，质量流量计实时监测加药速度、密度，达到预设加药量后，出液计量泵自动停止工作。2个出液计量泵一备一用，亦可同时工作，实现按配比加药。

3) 搅拌流程。搅拌器充分搅拌储液罐中的液体助剂，有助于助剂质地均匀和降黏，提高钻井液混配的效率和质量，可设定搅拌时间、间歇时间及搅拌频次。

4) 倒料流程。如需实现助剂合并或多种助剂按比例混合配液，可由出液计量泵将一个储液罐中的助剂经倒料管线输送至另一个储液罐中，到达设定药量后即自动停止工作。

5) 清洗流程。计量泵的前端配有清洗管线，连接清水箱，加药结束后根据实际需要可清洗计量泵、管线和储液罐等操作，清洗后的废液可排出到废水箱。

2 主要技术参数

综合考虑液体钻井液助剂种类及物理化学性质、单次用量多少和输送速度、输送距离、工作环境等多方面因素，确定主要技术参数[4-11]。

储液罐容积 3罐×2 m3

进液、出液流量 0～2 m3/h连续可调

进液泵扬程 35 m

出液泵扬程 35 m

输送泵功率 2.2 kW

搅拌器功率 1.1 kW

装置总功率 16 kW

工作环境温度 0～60 ℃；低于0 ℃时需环境保温

防爆及防护要求 ExdⅡBT4，防护IP65

3 总体结构简介

ZCZJ2×3Y-2000型自动加药系统由自动加药模块和定量配料控制模块组成。图2所示为自动加药模块的结构，储液罐、进出液计量泵、质量流量计、搅拌器、控制阀、管路等安装在1个底座上，自成一体。定量配料控制模块主要由PLC、工业电脑、变频器、断路器、继电器、交流接触器、面板操作开关、状态指示灯等组成，集成在1个正压防爆控制柜内。2个功能模块各占据1个独立空间，集成在1个集装箱房子里，具有控温措施。

1―储液罐；2―呼吸阀；3―控制阀；4―液位计；5―过滤器；6―阻尼器；7―安全阀；8―背压阀；9―计量仪表；10―科式流量计；11―计量泵。图2 液体钻井液助剂自动加药装置结构

4 主要部件选型设计

4.1 输送泵的选型

输送泵是实现钻井液助剂输送和自动加药的关键部件，其工作性能是否与所输送液体特性合理匹配，直接影响到装置工作的安全性、可靠性、经济性和效率。液体钻井液助剂的种类有多种，密度、黏度、流动性、溶解性、所含固体颗粒度等性质差异较大，个别钻井液助剂有轻微化学腐蚀性和低毒性。一些助剂，如某些液体聚合物和油润湿剂，价格昂贵，需少量施用，如每百立方米钻井液中仅加入几十公斤钻井液助剂，准确控制其添加速度和精确控制加药量非常重要[2-3].选择机械隔膜式计量泵作为输送泵，可实现精确计量，稳定性误差不超过±1%，流量可以在0～100%范围内动态无级调节[12-15]，采用高强度耐腐蚀膜片可输送腐蚀性液体，提高易损件的工作时间。

主要技术参数：

进出口公称通径 DN32

流量 0～2 000 L/h

泵的输入转速 0～180 r/min

计量泵扬程 35 m

最高排出压力 1.2 MPa

调节比 10∶1，稳态精度±1%

电机功率 1.5 kW

4.2 其他部件的选配

1) 质量流量计。所输送助剂总量控制的精确性依赖于质量流量计的计量精度，而流体密度是流体温度和压力的函数，故而体积流量计不满足高精度要求。科式质量流量计是利用流体在振动管道中流动时产生与质量流量成正比的科里奥利力原理来直接测量质量流量的装置，实现质量流量和实时密度的直接测量，应用于高精度计量场合。本系统选用科式质量流量计作为监测仪器，满足高黏度介质的精确计量需求。

2) 过滤器。在进液管路的入口端装有过滤器，可确保进入储液罐的液体清洁，过滤器可定期清理杂质和更换过滤网，达到清洁目的。

3) 呼吸阀。每个储液罐上方安装呼吸阀，即可保持储液罐的密闭性，在一定程度上减少液罐内液体助剂的蒸发损耗，亦能自动通气以平衡液罐内外压力，起到安全作用。

4) 安全阀。为防管路压力超过设定值，计量泵出口处设安全阀，压力超过设定值，流体回流至吸入口前端管路。

5) 背压阀。为防止计量泵排放管线发生虹吸现象，消除因管路压力波动而引起的计量泵排量波动，在计量泵排出口端设背压阀。

6) 阻尼器。为防止计量泵运行开始瞬间对管路产生脉冲，导致管路产生震荡现象，在计量泵的出口处和背压阀之间安装了脉冲阻尼器，减少管路压力波动。

4.3 控制系统

控制系统由上位机工控机、下位机西门子PLC、变频器、断路器、继电器、HMI等组成，可自动、手动、远程操作控制，实现如下功能：

1) 任务管理。进液、加药、搅拌、倒料、清洗工艺流程选择。

2) 参数设置。设置加药名称代号、加药量、加药速度等加药参数。

3) 数据管理。流量、压力、总加药量、液位高度等实时数据的采集、传输、保存，及生产数据及生产日志查询和管理。

4) 状态监测。控制阀、计量泵、质量流量计、液位计等主要部件工作状态及运行参数监测、预置报警、故障显示、联锁控制等。

5 现场应用试验

本自动加药系统研制成功后，在室内以清水为介质进行了充分调试和功能测试，验证了系统的各项基本功能，及运行的顺畅性和加药控制精度。为了测试和验证自动加药系统在油田实际生产条件下的物料适应性、运行稳定性、可靠性和可操作性，于2021-09-11在华北油田强104X评价井进行了现场应用试验。应用的3种液体钻井液助剂的参数如表表1所示。试验结果是：

表1 液体钻井液助剂加药参数

1) 自动加药装置运行平稳，输液计量泵输送液体助剂的流量波动范围可控制在±4%以内，管路压力波动不超过±7%。

2) 控制精度高，单次加药总量最大偏差不超过1.6 kg。

3) 物料清空率高，可实现储液罐底部和输送管道内无液体助剂残留。

4) 配浆效率高，对于有机硅聚合物HLY-2类黏稠液体，充分搅拌能有效降黏，利于与基础钻井液快速融合，配浆效率高，且性能好。

5) 3种助剂加药顺畅，但流动性差的液体(如HLY-2类黏稠液体)进液流程启动时存在空吸现象，通过计量泵出口处排空空气及缩短进料管线长度，空吸情况改善。

6 结论

1) 液体钻井液助剂自动加药系统首次应用于油田现场，可实现液体钻井液助剂的一键式参数化自动加药，可准确控制加药量和加药速度，配浆质量好，HSE水平高。

2) 通过本次试验应用，总结了一些操作工艺方面的经验，例如，安全阀、背压阀、阻尼器等压力的合理匹配能提高系统运行稳定性，缩短输液管线可减少沿程阻力，加药前充分搅拌和加温可降黏等等。为使系统更好发挥功用，还需通过更多试验应用，不断探索和总结经验，优化操作工艺。

3) 本装置的成功应用为未来我国钻井液全自动配浆技术发展奠定了初步基础。