带油岩屑随钻预处理装置设计与优化

郑德帅

(中国石化石油工程技术研究院，北京 102260)

0 引 言

1 带油岩屑随钻预处理装置设计

1.1 总体结构

为实现对钻井过程产生的带油岩屑进行随钻预处理的功能，预处理装置由螺旋输送器(3条)、岩屑甩干机、螺杆泵、变频高速离心机、泥浆缓冲罐组成。见图1。

图1 带油岩屑预处理装置

1号螺旋输送器将常规固控设备振动筛处理后的岩屑输送至岩屑甩干机，岩屑甩干机高速旋转，在离心力作用下，带油岩屑均匀堆积在甩干机筛蓝上，而岩屑上的油基钻井液通过筛蓝上的缝隙被甩出去并收集起来。分离出油基钻井液的岩屑被刮刀收集至卸料斗[9]，由2号螺杆输送器输送至岩屑箱。甩干机收集的油基钻井液中含有大量的微粒固相，不能直接回收利用。螺杆泵将分离出的油基钻井液泵送至变频高速离心机，经过离心机处理，将油基钻井液中大于2 μm有害固相分离出去[10]，通过3号螺旋输送器输送至岩屑箱；分离出有害固相的油基钻井液进入泥浆缓冲罐，返回泥浆罐中实现回收利用。

1.2 关键设备选型

按照随钻处理的要求，设备的处理能力要大于钻进过程中岩屑的产生量。目前油基钻井液钻进的井眼尺寸基本为215.9 mm[11]，假设井眼平均扩大率为20%，机械钻速5～20 m/h[12]，岩屑密度为2.6 g/cm3，经计算每小时产生的最大岩屑量为2.86 t，国内涪陵、威远、南川等主要页岩气区块应用的油基钻井液密度一般在1.4～2.0 g/cm3，根据高速离心机的使用经验，当钻井液密度为2.0 g/cm3时，其长时间联系处理能力降低为标准处理量(处理液体密度约为1.0 g/cm3)的10%，因此甩干机、离心机的连续处理量不能低于30 t/h。

选择的甩干机和离心机参数见表1、表2所列。

表1 岩屑甩干机主要参数

表2 高速离心机主要参数

2 结构及参数优化

2.1 运行过程出现的问题

带油岩屑随钻预处理装置在现场运行时主要问题有两点。

(1) 甩干机在甩干岩屑、刮刀在处理岩屑时都会产生大量各种粒径的小岩屑，筛蓝的缝隙一般设计为0.2～0.5 mm，经过长时间运行，筛蓝缝隙被相同粒径的岩屑堵住，小微粒岩屑逐渐堆积沉淀成致密的滤饼，导致油基钻井液不能分离出去，卸料斗内的岩屑含油量高于10%，达不到降低含油量的指标。

(2) 甩干机通过高速分离岩屑表面的油基钻井液时，部分岩屑在较大的离心力作用下出现破碎，刮刀在收集筛蓝上堆积的岩屑时也会破碎一部分岩屑，岩屑破碎会产生大量不同粒径的岩屑颗粒，直径小于筛蓝缝隙宽度的岩屑颗粒将与油基钻井液一同被收集，因此其固相含量远高于一般的油基钻井液，变频高速离心机在处理这种油基钻井液时，非常容易堵塞，导致装置中断运行。

2.2 优化措施

针对甩干机、离心机堵塞的技术难点，目前有风刀除尘、进液量智能调控等多种手段，但没有从根本上解决问题，新增加的结构和功能也有失效的风险。

选用0.4～0.5 mm大缝隙的甩干机筛蓝，使小颗粒岩屑与油基钻井液一同分离出去，由于缝隙大被堵塞的可能性降低，即使被相同粒径的岩屑填充，留下的间隙也足以使微小岩屑通过，避免形成致密滤饼，经过计算分析，得出了甩干机的最佳转速是800～900 r/m。

2.3.3 医护工作者职业认同的职称差异 对医护工作者职业认同进行职称的方差分析（见表8），结果表明：不同职称医护工作者的职业期望、职业技能、职业意志存在显著性差异，而其他因素不存在显著性差异；副主任医师及以上职称的医护工作者职业认同程度高于其他医护工作者；护士职称越高认同程度越低，医生职称越高认同程度越高。

研究了高速离心机转速与分离粒径的关系。基于岩屑滑落速度公式，离心机转速与固相颗粒粒径的关系[13]为：

式中：R为离心机转速半径，m；v为离心机容量，m3；Q为进液排量，m3/s；vs为固相颗粒的运移速度，m/s；F为岩屑颗粒离心机，N；d为固相颗粒的直径，mm；ρrc为固相颗粒的密度，g/cm3；ρd为钻井液的密度，g/cm3；μpv为钻井液黏度，mPas。

带入正常钻进时的参数，可得以下简化公式：

图2 转速-岩屑粒径分离曲线

岩屑甩干机选用大缝隙筛蓝后，解决了甩干机堵塞的问题，但分离出的油基钻井液固相含量更高，增大了高速离心机堵塞的概率。为了解决这个问题，设计了高速离心机分时分速依次处理的技术思路。

首先设计增加一个钻井液缓冲罐，离心机配备2个独立的钻井液罐。甩干机分离出的固相含量较高的油基钻井液首先进入1号罐，1号罐内的泵将油基钻井液泵入离心机，此时离心机转速调节为1 000～1 200 r/min，低速条件下离心机把大于8 μm的岩屑颗粒分离出去，分离后的油基钻井液进入1号罐。由于离心机处于低转速状态，只能分离大颗粒的固相，因此不会堵塞。低速处理30 min后1号罐内的油基钻井液大于8 μm的固相大部分被分离出去；离心机转速调整至2 500～3 000 r/min，离心机的出口自动转化为2号罐，由于油基钻井液已经被低速预处理，固相含量大大降低，因此高速离心机也不会出现堵塞的状态。2号罐的油基钻井液中基本没有2～8 μm粒径的固相，达到重新利用标准，积累达到一定体积后由2号罐的泵送入钻井液循环体系中，实现回收利用。根据现场进料的速度，科对低速处理、高速处理的时间进行调整。

将带油岩屑随钻预处理装置作为一个整体，通过协调优化岩屑甩干机筛蓝间隙、离心机的分时分速处理，达到了整体优化的效果。

3 应用效果

带油岩屑随钻预处理装置在中石化江汉油田进行了应用，取得了良好的效果。在红星区块红页1试验井组，共处理岩屑124 t，回收油基钻井液31.35 m3，处理后的岩屑含油量低于5%，固废处理量降低15.21%。

图3 岩屑脱油处理后的干粉末

4 结论与建议

(1) 设计的带油岩屑处理装置由岩屑甩干机和离心机及其他配套装置组成，可将钻井产生的岩屑进行随钻处理，实现了回收利用油基钻井液，降低固体废弃物排放的效果。

(2) 增大甩干机筛蓝缝隙，降低甩干机堵塞概率；采用离心机分时分速处理方法，低于处理大颗粒岩屑，高速处理小颗粒岩屑，通过依次处理达到离心机持续无堵塞运行的目的，甩干机和离心机协调优化，实现了装置整体持续无故障运行的效果。

(3) 带油岩屑随钻预处理装置在运行时，螺旋输送器数量多、长度大，并且两端需要准确对接设备，使用前要了解井场振动筛、气液分离器等装置的位置，保证准确安装和顺利运行。