露天矿钻井循环过滤装置设计

孙忠志，马丽丽

（辽宁瀚石机械制造有限公司 辽宁 阜新 123000）

老式钻井循环过滤装置普遍存在钻井液过滤不彻底、钻进效率低下、费时费力、存在安全隐患等问题。基于现阶段露天矿钻井循环过滤装置存在的自动化程度低、过滤效果不佳、钻井事故率高及设备移动困难等问题；通过现场调研、工艺过程分析及科学计算等手段，重新设计了此装置；设计的循环过滤装置采用全自动循环控制，通过振动筛沙机中的双层滤网、旋流器的多级过滤[1]以及配料计算器的科学配比等功能，不但提高了钻进效率，还大幅降低了施工人员的劳动强度，减少了人为操作可能带来的失误。

1 循环过滤装置作用

在钻井作业时，一般都采用湿式排渣的方式对土壤岩层进行旋转切削。钻进过程中可利用循环过滤装置对钻井液[2]进行过滤除渣，过滤干净的钻井液会被循环装置以一定的流量和压力注入钻机，再由钻机流入钻杆，最后通过钻头喷嘴进入井底，具有一定黏度和密度的钻井液会将井底的钻屑悬浮输送至地面，再通过本装置的过滤后再次注入井中。即以闭环循环的方法将孔内渣土、岩屑排至地表，最终钻进成井。如果说钻井液是整个钻井循环系统的“血液”，那么循环过滤装置就相当于整个系统的“心脏”。

2 老式循环过滤装置的弊端

2.1 地坑式循环过滤装置

现在比较普遍采用的循环装置是在井内钻井液出浆管附近挖2 个地坑，地坑顶部利用沟渠相连，沟渠处放置1 个滤网，当出浆管下方的地坑1 被井内流出的钻井液填满后，较大的颗粒和岩屑会沉淀到坑底，上层含渣量较少的可利用钻井液会通过沟渠处的滤网流入地坑2，大的颗粒会沉至坑底，然后利用泥浆泵将地坑2 中靠近顶部位置的钻井液抽回井中进行循环。

这种工艺简单易行，但弊端也很多，如：

1）钻井液过滤及沉淀不够充分，含渣、屑较多，井内排出的含渣液体没有被完全过滤干净就被抽回井中进行循环，降低钻进效率的同时还容易堵塞钻头喷嘴。

2）在调配钻井液时，由于操作人员在地面无法对坑中液体进行搅拌，需要在地面用容器将配料进行调配后慢慢倾倒至坑中，致使配料在钻井液中不均匀分布的同时也严重降低了钻进效率。

3）当地坑1 沉淀积累了过多岩粉及颗粒时，工人需要下到坑底进行清理，费时费力还极不安全。

4）当施工结束后准备到下一个工位进行钻进时，需要在新的工位重新挖地坑。

5）由于地坑上面无任何遮盖，经常会有杂物掉落坑中，然后杂物又被泥浆泵吸入井中，损坏泥浆泵拉杆处密封的同时还会造成钻头喷嘴被堵。

6）排出的岩粉、钻屑等无法定点搬运及堆积，现场经常是满地淤泥，污染环境的同时又造成了跌落、摔倒等安全隐患。

2.1 滚筒筛子循环过滤装置

另外一种比较普遍采用的装置是利用滚筒筛子进行循环过滤，即井中的钻井液先流入箱中，之后通过倒浆泵将箱中的钻井液抽入滚筒筛子高点，滚筒进行旋转过滤，钻屑和大颗粒物直接在滚筒筛子低点被滤出，可利用钻井液会被筛网过滤后流入下方的存储箱中。

过滤后的钻井液再通过泥浆泵导入钻机，进而进入井中进行闭环循环。这种工艺的弊端也很多，如：

1）当进行下一个工位的钻进时，设备很难移动至指定地点。

2）由于是单层过滤，较细颗粒无法被过滤出，结果又被抽入井内进行循环，降低钻进效率的同时还容易堵钻头。

3）钻井液中的细小颗粒极易流入滚筒旋转轴的轴承内，造成设备损坏。

4）当地质结构发生变化需要对泥浆密度和黏度进行调配时，没有空间和设备对泥浆进行快速搅拌。

3 循环过滤装置的结构及工作原理

3.1 循环过滤装置结构

循环装置主要由履带式可移动平台[3]、设备控制面板（内含配料计算器）、配电柜、震动筛沙机、倒泵A、倒浆泵B、井内含渣钻井液存储箱、待除渣钻井液存储箱、井内钻井液出浆管、泥浆泵A、泥浆泵B、阀门A、阀门B、可利用钻井液暂存箱、可利用钻井液存储箱、钻井液搅拌机、井内循环用钻井液进浆管组成。装置结构图如图1。

图1 装置结构图

3.2 循环过滤装置工作原理

1）利用履带平台将循环过滤装置移动至钻机附近合适位置，连接井口护井管和井内钻井液出浆管。

2）孔内钻井液将通过井内钻井液出浆管流入井内含渣钻井液存储箱进行存储和沉淀。

3）通过倒浆泵A 将井内含渣钻井液存储箱中的液体抽入筛沙机底层的粗筛网进行粗滤，粗虑网会将较大的钻屑排至出渣口，粗滤后的钻井液将流入待除渣钻井液存储箱。

4）倒浆泵B 会将待除渣钻井液存储箱中的液体同时抽至2 台旋流器中，旋流器一端会将含渣钻井液排入上层细筛网进行精滤，精滤后的钻井液会流入待除渣钻井液存储箱，与粗滤后的钻井液混合后再被抽入旋流器进行过滤，精滤出的细小的颗粒也会被输送至出渣口。旋流器另一端排出的可利用钻井液会直接流入可利用钻井液暂存箱中。

5）可利用钻井液暂存箱中的液体会在高处直接流入低处的可利用钻井液存储箱中。根据施工时对钻井液流量的需求，通过开启/关闭阀门A 和B，便可以实现通过任意一台泥浆泵单独运行或两台泥浆泵同时运行，实现将可利用钻井液打入井内进行循环的目的，从而实现钻井液从井中到地面，通过过滤除渣后再回到井中的全自动闭环循环。

4 循环过滤装置的特点

4.1 自动化程度高及装置移动快速

装置的循环过滤过程完全实现了自动化控制，正常施工时唯一的体力劳动就是施工人员要到震动筛沙机出渣口处将井内排出的岩屑通过小车运输至指定地点即可，提高了工作效率又极大地降低了劳动强度。同时，定点取渣、存渣的方式也改善了施工现场的环境。

所有参与循环的设备和管路都集成安装在履带式可移动平台上，施工人员只需要简单的操作就可以将本装置快速地跟随钻机到指定位置配合钻进，极大地提高了施工转场效率。

4.2 钻进效率显著提升

由于现阶段钻井用钻头大多以金刚石钻头为主，钻头主要由金刚石颗粒、喷嘴、胎体以及钻头体组成，钻井液必须经过喷嘴才能进入到井内进行循环，而喷嘴的直径往往都很小，如果钻井液没有过滤干净，里面一旦含有大的岩屑就容易堵塞喷嘴，导致泥浆循环流量不足，进而造成钻进速度大大降低。特别是在较深的深度时，一旦个别喷嘴被堵，井底的岩屑和泥沙因流量不足没有被及时排出而沉积下来，就会导致其他喷嘴也被堵住，最终导致无法钻进，只能将井内的钻杆全部拔出后清理钻头，再将所有钻杆连接下井，费时费力的同时，在钻杆下井过程中，淤泥极有可能对钻头造成二次堵塞，导致泥浆无法循环，甚至会出现多次拔钻杆和下钻杆的情况，严重影响工期。

循环装置中的震动筛沙机采用粗、细双滤网过滤的同时[4]，还利用了旋流器离心沉降的原理进行固液分离，达到对钻井液进行多级精细过滤的目的，进而极大地提升了钻进效率，降低了事故率。根据施工经验，本装置中的震动筛沙机的粗虑网采用60 目（250 μm），细筛网采用120 目（120 μm）时，过滤效果最佳。

4.3 钻井液配比更加准确和迅速

衡量钻井液能否满足钻进需要的2 个重要指标就是密度和黏度，那么像膨润土、工业碱等的添加剂的用量是否精准就显得尤为重要[5]。

钻井液的密度和黏度也要根据岩层和深度的不同进行实时的调配，如果钻井液的密度和黏度太低，可能会出现难以将井底钻屑悬浮带出的情况，或是出现难以稳固井壁造成孔内塌陷的现象；如果钻井液密度和黏度太高，黏稠的液体又会把钻头糊死，造成外堵[6]。所以，优质的钻井液能够提高钻井效率，平衡井壁岩石径向压力，保护和稳固井壁，防止坍塌[7]，还能极大地降低钻井事故率。

本循环过滤装置中带有配料自动计算及自动搅拌功能，施工人员可以在计算器中输入原钻井液体积和密度以及欲达密度和黏度等参数后，即可直接计算出加重剂、淡水和工业碱等的用量[8]，施工人员只需按计算的用量将配料直接倒入可利用钻井液存储箱中利用搅拌机搅拌均匀即可，从而实现高效稳定的不间断钻进。

4.4 减少环境污染及安全隐患

因老式循环过滤装置没有固定的出渣口，没有自动搅拌功能且移动困难，经常会造成现场泥泞不堪，发生滑倒事故，地坑也是极大的安全隐患。

改进的循环装置配有固定的出渣口和配料搅拌箱，可以实现渣土、岩屑及配料定点存放，且没有钻井液溢出造成地面污染的情况，消除了跌落、滑倒等事故的同时也改善了施工现场的环境。

5 测试及应用效果

1）循环过滤装置的自动化程度较高，消除了以往繁重的体力劳动，并且由以往的1 台钻机配置1个捞泥工，变为现在的2 台钻机配置1 个捞泥工便可以满足生产需要，降低施工人员劳动强度的同时，钻进效率较以往也提升了30%左右。

2）洗井液过滤充分，循环流量充足，循环压力适中，完全满足钻进工艺要求，钻头被堵几率较以往降低50%左右。

3）通过循环装置的洗井液配比计算及配料自动搅拌功能，实现了可随时调节洗井液密度和黏度以满足各个岩层的钻进要求的目的，起到了及时排屑，稳固井壁的作用，减少了人为操作的失误。

4）履带式平台移动快速便捷，且转向移位精准，大大提高了施工转场效率。

5）循环装置配备有出渣口和配料搅拌箱，实现了定点取渣和定点堆放的目的，现场环境得到极大改善的同时也降低了安全事故发生的几率。

6 结语

露天矿钻井循环过滤装置实现了钻井液全自动循环控制、多级精细过滤以及添加剂科学配比等功能，不但解决了钻井液的过滤不充分和添加剂配比不准确2 大难题，更是 在提高钻进效率、降低劳动强度及保护现场环境等方面明显优于老式循环装置，大幅度提高了钻进效率。