负压振动筛原理及在油基钻井液钻屑减量中的应用

侯勇俊 沈烁 谭劲 任万年

摘要：經过几十年的发展，振动筛性能有很大提高，但其对钻屑的脱液能力已达极限。40年来，应用于钻井固控，效果不明显。十多年前，经过尝试与高频低幅振动相结合的真空过滤技术应用于钻井固控时，钻屑的脱液能力显著提高，排放钻屑体积大幅减小。近年来，多种负压振动筛在国内钻井中开展了应用试验。经过对常规振动筛复合负压过滤的负压振动筛的原理、主要技术参数、现场应用与国内外类似技术的对比分析及现场应用表明，所使用的负压振动筛的处理量、钻屑含液率、钻屑排放减少量、筛网寿命、能效、设备成本、使用经济效益等都均有明显优势。负压振动筛的应用对节能减排和实现“碳中和”具有重要作用，其逐渐替代常规振动筛，将是钻井固控技术发展的必然趋势。

关键词：油基泥浆；负压振动筛；泥浆回收；钻屑减量

中图分类号：TE926

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.01.010

Principle and Application of Negative Pressure Shale Shaker in Recovery of Oil-Based Drilling Fluid

HOU Yongjun¹， SHEN Yue²， TAN Jin³， REN Wannian³

（1. School of Mechanical Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China;  2. Sinopec Jianghan Oilfield Service Corporation， Qianjiang 433124， China;  3. Guanghan Ali Shengmu Petroleum Equipment Co.， Ltd.，Guanghan 618304， China）

Abstract：Since the vibrating screen was introduced into oil drilling from mines， its performance has been greatly improved after decades of development， but its ability to remove drilling cuttings has reached the limit. In the last 40 years， vacuum filtration technology has been applied to drilling cementing， with insignificant effects. More than ten years ago， when the vacuum filtration technology combined with high-frequency and low amplitude vibration was applied to drilling solid control， the ability to remove drilling fluid from cuttings was significantly improved， and the volume of drilling cuttings discharged was greatly reduced. In recent years， many negative-pressure shale shakers have been applied in domestic drilling. The principle， main technical parameters， field application and comparative analysis with similar technologies at home and abroad of a negative pressure vibrating screen based on conventional vibrating screen compound negative pressure filtration were introduced. Field application shows that the negative pressure shale shaker has obvious advantages in handling capacity， liquid content of drilling cuttings， reduction of drilling cuttings discharge， service life of screen， energy efficiency， equipment costs， economic benefits， etc. The application of the negative pressure shale shaker will play an important role in energy saving and emission reduction and realizing “carbon neutralization”. It will gradually replace the conventional shale shaker， which will be an inevitable trend in the development of drilling solid control technology.

Key words：oil-based drilling fluid; negative pressure shale shaker; mud recovery; cuttings reduction

自从振动筛从矿山引入石油钻井中来，经历了90余年的发展，一直都是在常压工作。对于提高振动筛的性能的研究，多年来都是从振动筛的工作参数着手，如提高振动强度、增大筛分面积、改变振动筛振动轨迹等。受筛网与钻屑冲击碰撞作用和1号泥浆罐面大小的限制，振动筛的性能已经被发挥到了极致，但其对钻屑的脱液能力仍不理想，使用水基钻井液时，振动筛排出钻屑的体积含液量可高达65%^［1］，使用油基钻井液时，振动筛排出钻屑的液、固体积比可达37.8%^［2-3］，特别是高成本的油基钻井液钻屑，为后续环保处理带来了极大压力。

上个世纪八十年代，美国的MAX固相控制系统^［4］把带式真空过滤机应用到钻井液固相控制。九十年代，英国Lindsay Process Plant Inc.的Pansep固相控制系统^［5］把带式真空过滤机的驱动装置换成了链传动，滤网采用编制的柔性钢丝网。这两种固控系统都是单纯的真空过滤原理，由于钻井液分离时液相多、固相少，真空不稳定，滤布易出现“糊筛”、寿命低，气液分离罐液面控制较为复杂，其未能得到推广。2004年，挪威Cubility公司提出了带式真空过滤与微幅高频振动复合作用的MudCube固相控制系统，2009年，第一套产品进行了钻井测试，2010年，正式对外发布，2012年正式商业运行^［6-7］，2014年中石油进口了国内第一台MudCube固相控制系统，其后中海油、中石化及部分民营石油工程服务商引进了多台该产品，其排出的钻屑的含液量（体积含量）可以达到40%以下，可以满足井场钻屑初步处理的需求，但功耗大，是现有钻井振动筛的10多倍；压缩空气消耗量大，对现有钻机的安全控制有较大影响；筛网成本高，是现有钻井振动筛的5倍以上；筛网寿命短，仅有几十小时；价格高，单台在￥200万元以上。

2003年，美国德里克公司（Derrick）基于抽风机带抽吸和压力的振动筛选机^［8-9］，提出了在传统的钻井振动筛的基础上，在筛网下交替正、负压力变化，以实现筛网解堵和增大振动筛处理能力，但筛网面积大，在筛网下实现正压的结构太复杂，目前还未见该系统相关研究试验和现场应用试验报道。2010年加拿大FP 马拉诺尼公司也提出了一种负压振动筛^［2-3］，仅在振动筛出口的部分筛网下形成真空以干燥钻屑，并用独立真空罐进行气液分离。2014年，美国Mi-swaco公司基于马拉诺尼公司技术的试验，开发了脉冲真空钻屑干燥装置^［10］，其采用压缩空气脉冲喷射形成出口第一张筛网下的负压以干燥钻屑，无需气液分离真空罐，在油基泥浆的现场试验中，及时回收油基钻井液并进入循环，取得很好的效果。

2014年后，随着引进MudCube固相控制系统产生的影响，国内多家单位开展了负压钻井振动筛的研究。西南石油大学侯勇俊等率先开展了负压钻井振动筛的研究^［11-14］；此外，长江大学周思柱^［15］、马卫国^［16］、中海油  张羽臣^［17］等基于Cubility的工作原理，通过对振动激励方式和循环筛网的驱动方式等的改进，开展了钻井液带式真空振动过滤装置的研究；宝石机械成都分公司^［18］基于Cubility的工作原理开展了相关研究；河北冠能^［19］和河北北鉆^［20］两公司基于Mi-swaco公司的脉冲负压振动筛原理开发了负压钻井振动筛。侯勇俊等提出了完全不同于德里克、FP 马拉诺尼、Mi-swaco以及Cubility 技术的负压振动筛工作原理，实现了具有完全自主知识产权的中国设计和制造的负压振动筛^［21-25］。

2021年，由西南石油大学研发、广汉市阿里圣姆石油设备有限公司制造的集负压形成和气液分离一体化的负压振动筛^［23］在中石化的江汉石油工程公司、西南石油工程公司、中原石油工程公司和中石油川庆钻探公司、渤海钻探公司等单位的页岩气钻井中开展了应用，在油基泥浆的处理中取得了很好的效果。同年，西南石油大学和四川宝石机械专用车有限公司联合研发的负压形成和气液分离一体化的脉冲负压振动筛^［25］也在中石化西南石油工程公司、中石油的西部钻探公司、川庆钻探公司等单位开展了应用。本文重点介绍广汉市阿里圣姆石油设备有限公司制造的集负压形成和气液分离一体化的负压振动筛（ALSM）的工作原理以及应用效果。

1 负压振动筛工作原理及主要参数

1.1 工作原理^［23］

负压钻井振动筛的基本工作原理（如图1）为：大振幅的振动筛分和真空过滤复合作用实现钻井液固液分离。负压风机抽吸在筛网下真空盘中形成一定的负压；进入真空盘中的钻井液和空气在真空盘中自动进行气液分离，空气从筛箱侧板上的通道通过柔性软管，进入液雾分离器后，被负压风机抽出排入大气（空气的流动路径如图1中实心的箭头），钻井液在真空盘中由于重力作用，沉降到下部，通过排液软管进入底座上的自动排液装置，然后流入锥形罐（钻井液的流动路径如图1中的空心箭头）。振动筛的激振工

作原理与普通振动筛相同，依靠两个或三个激振电机产生的惯性激振力实现筛箱直线或椭圆振动，振动的作用一方面使钻井液透过筛网，另一方面使钻屑在筛面上向出口输送。从工作原理来看，其主要优点为：气液分离与真空负压腔集成于一體，结构紧凑；气液分离后的钻井液自动排放，无需任何控制装置，自适应性和气密效果好；无需使用压缩空气，油雾自动回收，安全性好。

1.2 主要技术参数

该负压钻井振动筛的发明专利已经转让^［23］给广汉市阿里圣姆石油设备有限公司，其主要技术参数如表1。

1.3 设备组成及现场安装

ALSM负压钻井振动筛的构成^［23］可分为常规钻井振动筛和负压系统两大部分。负压系统支架、真空软管、排液软管、负压自动排液装置、真空盘、三通管、油雾分离器、真空限压阀、消音器、负压风机和真空调节阀等。负压系统采用模块化设计，油雾分离器、真空限压阀、消音器、负压风机等部分集成安装在筛箱中上部的固定支架上形成负压系统的抽吸模块；负压自动排液装置作为一个独立模块集成于振动筛的底座上；真空盘焊接在筛箱下部，与筛网、筛箱下部侧板共同形成负压腔，出口端两张筛网下各自独立采用一个负压腔；从负压腔两侧的筛箱侧板上开设孔口，通过真空软管与集成于支架负压抽吸系统相连。真空盘下部设置排液口，通过排液软管与集成于底座上的负压自动排液装置相连。

ALSM负压钻井振动筛的模块化和集成设计，使其占地面积和普通振动筛相同，同时自带低功率负压系统，无需外接压缩空气等，现场安装和管线布置与现有的常规振动筛完全相同，不需要对现有固控系统的罐面进行改造，负压振动筛安装后的情况如图2所示。

2 应用情况

2021年以来，ALSM负压钻井振动筛在国内中石化、中石油等单位，以及国外的阿联酋、埃及等国家应用了120余台。图3～4分别是负压筛和常规筛出口在处理油基钻井液时筛面排出钻屑情况和取样的钻屑的表观情况对比，可以看出，负压振动筛排出的钻屑明显干燥得多，油基钻屑可以直接用吨包袋收集（如图5）后运输。

2.1 钻屑含液量测试

测试负压振动筛筛网目数为240目，泥浆密度1.5～1.52 g/cm³，塑性粘度29 mPa·s，漏斗粘度58 s/L，油水体积比81/19，固相体积含量21%。钻屑含液量的测试采用干馏法，测试主要设备为ZNG-2型油水（固相）分离装置。主要测试流程为：称取60 g左右的钻屑放入油水（固相）分离装置的盛液杯中，放入加热套，组装冷凝器，设置工作温度600 ℃，用量筒收集冷凝器滴出的液体，一直加热至冷凝器中无液相滴出为止，称量量筒中液体质量，即为钻屑样品总含液质量，静置量筒待其中的水沉降稳定后，读取水相体积获得水相质量。

表2为在155-5HF页岩气井4 602～5 289 m井段（地层为龙马溪组③层）使用油基泥浆时负压筛和常规振动筛排出钻屑含液量对比的部分检测情况，可以看出，负压振动筛在四个检测井段位置的排出钻屑的含液（质量）率最高为15.53%（处理量基本达到振动筛的最大处理能力），最低为9.48%，而常规振动筛的排出钻屑的含液率最高为27.73%，最低24.46%，负压振动筛排出钻屑的含液率可比常规振动筛降低36.51%～65.32%。

2.2 应用效益

70636JH钻井队在焦页165-1HF井使用负压振动筛时，油基泥浆井段2 687 m，每钻深100 m的油基泥浆消耗量平均减少1.6 m³，整个油基泥浆井段共减少泥浆消耗量约43 m³，按油基泥浆成本0.55万元/m³计算，该井仅在油基泥浆井段就节约钻井液费用￥23.65万元。排放钻屑减少的液相部分的密度（1.5 g/cm³）按筛下泥浆密度计算，减少了油基钻屑65.5 t，按0.2万元/t的油基钻屑环保处理费用计算，可节约钻屑处理费￥13.1万元。

70221JH钻井队在阳101H37-6井使用负压振动筛时，油基泥浆井段2 516 m，每钻深100 m的油基泥浆消耗量平均减少2.97 m³，整个油基泥浆井段共减少泥浆消耗量约74.7 m³，该井仅在油基泥浆井段就节约钻井液费用约41万元，减少了油基钻屑112 t，可节约钻屑处理费￥22.4万元。

3 与国内外类似技术对比

与国内外技术对比如表3所示，表3中Cubility的数据早期试验数据，其钻屑排放减少量数据来源于Cubility的工业试验。按岩石密度2.5 g/cm³，基油密度0.85 g/cm³，水密度1.0 g/cm³将钻屑的质量含液率换算体积含液率，在4 840 m井深时ALSM负压振动筛的钻屑体积含液率为22.3%，对比常规筛的钻屑体积含液率为52.1%，相同井眼ALSM负压筛钻屑排放体积减少37.8%。可以看出，ALSM负压振动筛在使用筛网目数更高，处理泥浆的粘度、固相含量更大的情况下，排出钻屑含液率达到Mi-swaco的水平，钻屑排放量比Mi-swaco少，这表明在相同有条件下，ALSM负压振动筛的钻屑干燥效果比Mi-swaco更好。与Cubility相比，泥浆性能参数接近，ALSM负压振动筛使用240目，Cubility使用API200目筛网，ALSM负压筛对钻井液的最大处理量远大于Cubility，同时钻屑含液率、钻屑排放体积减少量略优于Cubility均达到国外类似技术指标，但系统配置功率、筛网使用寿命远优于Cubility。ALSM负压振动筛的一次性的设备投入约为Mi-swaco的3/4，约为Cubility的22.5%。国内两个公司^［19-20］的脉冲负压振动筛与MI-SWACO具有相似的工作原理，筛网规格和数量、负压过滤面积与Mi-swaco一致，因此其主要技术性能与Mi-swaco一致。因此，ALSM负压振动筛的技术指标是优于国内的类似产品。

4 结论

通过负压振动筛的现场应用试验以及与国内外类似技术相比，可以得到如下结论：

1） 在相同处理量的情况下，排出的钻屑含液率显著下降，钻屑排放量显著减少。负压振动筛排出钻屑的含液率比常规振动筛下降约36.51%～65.32%，钻屑排放體积减少量可达37.8%。

2） 应用负压振动筛后，油基泥浆的回收率显著提高，经济效益明显。单井减少油基泥浆消耗量可达43.0～74.7 m³，单井增效可达￥36万元以上。

3） 应用的负压振动筛采用了独特的气液分离与负压形成一体化的技术，与国内外类似产品明显不同，结构紧凑，无需压缩空气，能耗低、易损件寿命长，设备一次性投入成本远低于国外类似产品，完钻3～4口油基泥浆井可收回设备的一次性投入。

4） 负压振动筛对于水基泥浆也有较好的脱液能力，也能较明显地减少钻屑的排放量。负压振动筛替代常规振动筛将是未来钻井固控的发展趋势。

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