长庆油田钻井现场快速高效循环系统研究

2023-08-19裴勇毅陈宁生

石油化工建设 2023年3期

裴勇毅陈宁生

川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司装备公司宁夏银川 750003

通过对长庆油田施工现场关于循环系统及不落地工艺技术调研，了解目前循环系统设计在近10 年未进行技术革新。现用的循环系统存在诸多问题，有必要对现有循环罐进行升级改制。从罐形状、结构、罐底表面性能和罐的摆放方式，功能管线布局，高效冲砂装置及流程工艺，研究出一套循环式机械化清砂的罐式循环系统，不仅完全满足钻井现场工艺需求，而且使钻井液循环系统更合理。

1 现有循环系统存在的主要问题

1.1 人工清砂难，安全隐患大

现有的循环罐布局纵横交错，排砂路线长，增加清砂难度。清罐时需要工人进入罐内进行人工清罐，因循环罐内管线众多形成阻挡、沉砂死角多，重晶石及黏土类岩屑长时间沉积，死角难以清除干净，长时间堆积造成量多且粘接力大，后续难以彻底清理。人工采用水冲锹挖的传统清砂方法，劳动强度大且效率低，长时间在密闭、空气质量低的狭窄空间工作，操作空间受限，员工在罐内作业有一定安全隐患。

1.2 安装和拆卸劳动强度大、风险高

现用的循环罐安装、拆卸方式劳动强度大、作业周期长，工人操作时需要敲击、登高、进入受限空间、吊装、搬运等，有一定的安全风险，有许多需要改进的地方，如：减少罐与罐之间狭窄空间连接管线数量，改变罐的摆放布局降低对接难度，可以降低劳动强度，提高工作效率。

1.3 环保不落地

循环罐区原有的摆放方式受限，必须在循环管四周挖渠打水泥做围堰，工人工作量大，钻井液容易跑冒滴漏。为解决上述主要矛盾，结合长庆油田清洁化生产需求及安全环保形势，通过可移动冲砂装置、强拒水性涂层优选、自洁性罐内设计等关键技术研究，形成配套循环式机械化清砂的罐式循环系统，以降低劳动强度、降低钻井液外泄和作业环境安全操作风险。

1.4 配浆设备效率低

近年来由于长庆区域钻井技术的快速发展，多种井型快速增加，施工的超深井、丛式井、小井眼井、侧钻开窗井等井型逐年增加，对钻井液技术及相关配套装备提出了更高的需求。在溢流或井漏处置过程中，因传统配浆设施工艺简单，作业效率低，造成压井或堵漏周期长，容易导致井下复杂情况加剧。

2 快速自清洁循环系统流程

整套循环系统由若干个钻井液罐及1 个混浆平台组成，循环系统设置多级净化工艺，配备1 台GZS 双联双层振动筛、1 台真空除气器、1 台离心式除砂除泥一体机、1台离心机及数台砂泵、剪切泵等。循环系统的设计符合钻井现场整体布局、工艺设计要求和所需的钻井液处理工艺流程。整套循环系统包含的工艺流程设计可以充分满足钻井液的筛分—除气—除砂—除泥—离心机，多级固相控制及泥浆剪切、加重等要求。该系统可以满足钻5000m 深井时贮存、配置、循环和净化钻井液的各种工艺要求。通过多级固控设备的持续运作，可以有效地去除钻井液中不同规格的有害固相，为钻井作业持续提供符合要求的钻井液。该系统分为钻井液净化大循环流程、加重工艺流程、剪切流程、钻井泵吸入工艺流程、清水管路工艺流程、计量工艺流程，清砂等7 大流程。

（1）钻井液净化总体循环流程。井口析出的钻井液通过相应管汇和分流管汇输入到双层双联振动筛，通过双层双联振动筛处理后输入到循环系统中的沉砂仓，沉砂仓上部溢流出来的泥浆经过泥浆渡槽进入循环系统中的除气仓（如果钻井液有气侵现象，则可以启动除气仓上配备的真空除气器），除砂除泥一体机、高速离心机处理后的泥浆经过泥浆槽进入吸入仓或储备罐，由钻井泵重复泵入井内循环使用，泥浆槽可以流入任意罐中。

（2）钻井液加重工艺流程。钻井作业中，不同地质结构需要合适的钻井液，必须适时调整钻井液配方和比重。该系统配置专用钻井液加重系统。钻井液加重系统由加重砂泵、漏斗及相应的吸入和排出管汇组成，加重砂泵安装于单独的混合平台上，平台上安装加重漏斗。加重泵通过加重吸入管汇可抽吸各罐的泥浆，加重后由罐顶泥浆管汇将泥浆输送至各罐各仓中，或者通过顶部方钢将药液送到各罐各仓中。

（3）剪切流程。在混合平台上安装有剪切泵和剪切漏斗，通过剪切漏斗剪切后的药液进入顶部方管中可以将药液送到各罐各仓中。

（4）钻井泵吸入工艺流程。钻井泵通过吸入管线可各罐的泥浆，在泥浆泵的吸入口安装有泥浆过滤器。

（5）冲洗管路工艺流程。循环系统的外侧方钢管设置一路清水管线，用以向罐内输水和清洗罐面设备。各个循环罐均设有清水接口，用于向不同循环罐内输入清水；在各个循环罐罐面方钢管的适当位置均装有出水接口，可以用于清洗循环罐罐面及其设备。

（6）计量工艺流程。计量泵安装于安装在沉砂仓下部，在起钻过程中可以用计量泵向井口灌泥浆。

（7）清砂流程。各罐配备清砂门，清砂时，打开阀门，连接水龙带后通过人孔清理罐内沉砂。各罐排出沉砂统一流入罐外排砂槽，为加快排砂槽内沉砂排出速度和冲洗排砂槽，可以在排砂槽端部自行连接排污泵。

3 快速自清洁固控系统特点

3.1 高效配浆系统

快速自清洁固控系统的配浆系统具有几点特点：

（1）配浆工艺合理。通过输出泵驱动钻井液循环，加入处理剂混合进行配浆作业，通过传动机构带动搅拌轴旋转，便于罐内混合的更加均匀，装载机转运吨包处理剂放置于四棱割刀之上，缓慢下放实现无人切割作业，同时通过传动机构与动力搅拌机构相互配合，便于更好的混合，从而增加了钻井液加料的施工效率。

（2）效率得到提高。高效配浆撬将高效配浆装置与传统水力喷射漏斗进行融合，形成了具有混拌、喷射、剪切的三合一配浆平台，可以满足不同工艺需求。在需要加重、堵漏时采用混拌装置进行高效配浆，采用剪切泵配置聚合物提高剪切稀释效果，同时可以采用电动水力喷射漏斗配置常规处理剂。

3.2 固控设备一体化

去除罐内沉淀，将循环系统与不落地系统融合为一体化，依托固控设备分离控制钻井中的劣质固相，必须结合固控设备的分离点进行优配。优选双层振动筛、离心式一体机、高速离心机组合成固控一体化设备。

双层双联振动筛是钻井液固相控制中关键的初级净化设备，其处理效率及结果直接影响着后续固控设备泥浆处理性能。钻井振动筛发展先后经过普通椭圆振动筛、圆振动筛，直线振动筛和平动椭圆振动筛4 个阶段，由于普通椭圆振动筛、圆振动筛属于早期产品，现已基本淘汰；直线振动筛属于现阶段主流钻井用振动筛。具有泥浆处理量大、结构简单、易维护、使用成本较低等特点，但同时存在筛布易堵塞、泥浆颗粒易破碎、不适应粘土地层等缺点。该系统配置的双层双联振动筛属于平动椭圆振动筛，兼顾圆振动筛和直线振动筛的优点，而且具有较强的泥浆输送能力，其筛分效果和泥浆处理量均比圆振动筛和直线振动筛更加符合钻井要求。

GZ 型钻井液振动筛采用多层过滤结构，利用串联和并联的模式，双层筛过滤面积6.4m2，三层筛高达9.6m，而普通筛只有2.7m，多层筛的过滤面积是普通筛子的2.5～3.5 倍，多层筛在钻井生产中最高目数可以装至280目，一定程度上可以缓解后续固控设备工作压力。钻井液最后处理阶段是离心分离，离心机利用离心力对液—固、液—液—固、液—液等非均相混合物进行分离。该系统基于固控设备一体化，突出固液提前分离，参照3 种离心机参数，优选大排量+ 高速离心机组合。大排量一体式除砂除泥器固相清除范围扩大为15～105μm，钻井液处理速度由原40m3/ h 提高到80m3/ h，与常规离心机相比，钻井液的固相清除效率提高一倍；超高速离心机固液分离处理量从常规离心机的5m3/ h 提高到12m3/ h。

3.3 循环罐高效防腐

随着油气需求的不断增加，井况严酷的油气田相继投入开发，加之强化采油措施的不断应用，以及油气井开采年限的延长，钻井液循环罐工况越来越苛刻，腐蚀日趋严重，甚至引起安全和环保风险。腐蚀，尤其是点蚀，是造成钻井液循环罐问题的主要因素。近年来主要使用碱金属低碳有机酸盐、铵盐、季铵盐及其复合物配制的有机盐钻井完井液，具备配伍性好、密度调节范围广、流变性优秀、固相含量较低、页岩抑制性强及对地质环境污染小等优点，在易水化膨胀、易坍塌、盐岩、盐膏等复杂地层的钻井、完井、试油作业中得到了广泛应用。在完井作业中，随着井口深度增加、钻遇含CO2酸性储层几率不断提高、钻井完井液pH 值逐渐降低，这些因素使钻井液循环罐腐蚀加剧，影响油田勘探开发效益，特别在高温（120℃）或低密度（1.05g/ cm3）下，钻井液循环罐存在较为严重的局部腐蚀。

研究人员采用动态滚轮试验、静态失重法、电化学方法及扫描电镜研究了碳钢在饱和盐水钻井液中的腐蚀行为。试验结果表明,氧是引起腐蚀的主要因素，添加除氧剂和吸附型缓蚀剂可以减缓钻井液的腐蚀，且吸附型缓蚀剂对钢材在存放过程中的腐蚀起到较好的抑制作用。研究人员对钻井液添加剂、钻井液pH 值及大气相对湿度对腐蚀的影响也进行了研究。

研究人员通过试验手段模拟油气田开发中CO2/ H2S高温高压共存环境，运用失重法、SEM 和EDS 不同方法综合研究了油管、套管L80 钢材的腐蚀规律及腐蚀产物膜。结果表明，在试验条件下，随着温度的升高，腐蚀速率呈先增加后下降的趋势，而且温度越高，压力对腐蚀速率的影响越大；在腐蚀反应初期，腐蚀速率很高，但随着腐蚀时间的延长，腐蚀速率呈现明显下降；腐蚀初期腐蚀产物膜以FeS 成分为主，随时间延长，产物膜转为稳定的FeCO3。试验同时还发现，显微组织、硬度及组成成分对腐蚀产物的形成和抗腐蚀性能均有较大的影响。

研究人员研究了一种复合盐溶液，观察密度达1.78g/ cm3的饱和盐水对钻井管材的腐蚀。采用挂片试验法，通过室内动态模拟试验发现，温度升高，钢在盐水钻井液中的腐蚀速率会增加；随着盐浓度的增加，钢的腐蚀速率先增大后减小。在溶液pH 值较小时，腐蚀速率将增大。根据现用泥浆的工作温度，设置试验温度为（60±0.5）℃，对泥浆储罐用钢Q235、涂层、半涂层在泥浆介质气相与液相环境中的腐蚀进行了模拟评价。试验表明，无论是Q235还是牺牲阳极材料，在液相中的腐蚀要比在气相中的腐蚀严重。经过多种防腐技术对比，发现采用防腐蚀涂层体系与铝合金阳极阳极保护法可以大幅提升固控系统中循环罐耐蚀性。