1固控设备概述.ppt

第八章 钻井液固相控制聂军聂军钻井工程技术研究院钻井工程技术研究院第一节 固控设备概述目目 录录一、概述一、概述二、振动筛二、振动筛三、旋流器三、旋流器四、泥浆清洁器四、泥浆清洁器五、离心机五、离心机*一、概述一、概述l钻井液中的固相按作用分为两类：有用固相：膨润土、加重材料、化学处理剂等 无用固相：岩屑、劣质土、砂粒等l固控，即固相控制（Solid Control），在保存适量有用固相的前提下，尽可能地清除无用固相。*一、概述一、概述l固相控制的作用：正确、有效地进行固控可以降低钻井扭矩和摩阻，减小环空抽吸的压力波动，减少压差卡钻的可能性，提高钻井速度，延长钻头寿命，减轻设备磨损，改善下套管条件，增强井壁稳定性，保护油气层，以及减低钻井液费用，从而为科学钻井提供必要的条件。*一、概述一、概述*l钻井液固相控制技术的内容主要包括固控设备和固控工艺两大部分，其中固控设备的性能和质量是固相控制技术的关键。l四级固控设备：振动筛、除砂器、除泥器、离心机l辅助设备：砂泵、搅拌器、混浆器等二、振动筛二、振动筛n通过筛箱定向振动，过滤液体和小颗粒固体，排出固相n振动筛的技术水平主要反映在处理能力（处理量和分离粒度）。振动筛的处理能力与振动筛的结构、运动轨迹、振动频率、振动强度、筛网面积和筛网的粗细有关。n按振动轨迹分类：圆筛、椭圆筛、直线筛、均衡椭圆筛*l结构*激振器筛箱筛网进液仓底座二、振动筛二、振动筛减振器圆筛亦称自定中心振动筛，激振器位于筛箱质心。筛箱作圆形振动时，筛箱的法向和横向加速度相等，筛箱可以水平安装，筛网上没有堆积现象，相应地可以加大处理量，但这类筛子上的固相颗粒抛射角是筛子 加速度的函数，当法向加速度为36倍重力加速度时，固相颗粒抛射角达7080。这样陡的抛射角使得钻屑在下落时惯性大，易粉碎，相应地增大了砂粒的透筛率，对钻井液的净化不利。现场实践表明，圆型振动筛输砂速度小，透砂率高，当这种筛配用细目筛网时，又有处理量太小，筛网寿命太低等缺点。*二、振动筛二、振动筛椭圆筛又称非均衡椭圆筛,是在筛箱质心的正上方固定有激振装置。这种类振型的振动筛，横向振幅大于法向振幅，横向振幅与法向振幅之比值大于圆形振动的比值，所以，它的平均输送速度大于圆形振动的振动筛，影响了钻井液的处理效果。如果筛加长，还会出现倒流。因此，它要求筛箱倾斜一个角度，利用重力强行排砂，以免砂粒有朝后抛掷的倾向。由此而来，筛箱倾斜确实改善了砂粒的移动性能，但振动筛处理钻井液的量减少了，这正是普通椭圆筛的主要缺点。*二、振动筛二、振动筛直线筛两根带偏心块的主轴作同步反向旋转产生直线振动,直线振动的加速度平衡作用于筛箱，筛网受力均匀，其寿命明显优于圆形或椭圆振动筛的筛网；另外，由于钻井液受到的过筛阻力较小，使得处理钻井液的量和均步度均比圆型或椭圆振动筛大得多、好得多。但是直线筛也有它的弱点，由于直线筛振动方向不变，作用在卡入筛网孔里的颗粒上的加速度矢量不变，使得卡入的颗粒不易脱落，而出现“筛糊”现象，使得筛网的有效过流面积减小，造成处理量下降，而且当筛网目数增大时，筛糊现象会更严重。因而，直线筛在使用超细目筛网时，就不可能满足钻井液用量的要求。*二、振动筛二、振动筛均衡椭圆筛是近几年发展起来的一种新筛型，筛箱上各点的运动轨迹如图,所有椭圆的运动轨迹的长轴和短轴相同，抛掷角的大小和方向完全一致。筛箱处于平动状态。在筛箱的进口处、中点和出口处的输砂速度是一致的。均衡椭圆筛结合了圆型振动筛和直线振动筛的基本优点，即椭圆“长轴”是强化岩屑输送的分量，而“短轴”可促使岩屑在筛面上粘成一团的现象减少，消除部分岩屑堵塞筛孔的可能性。在一般情况下，均衡椭圆筛的处理量较直线筛大20-30%，是一种比较先进的钻井液振动筛，代表着当今钻井液振动筛的发展方向。*二、振动筛二、振动筛均衡椭圆筛均衡椭圆振动筛在排屑时不仅仅是将岩屑抛出,而且使岩屑产生转动，能将粘稠的泥团滚动排出,提高了泥砂的爬坡能力;而直线筛只是简单地将岩屑抛出,当泥浆粘度大时，直线筛的筛网较易出现糊堵堆积，一旦遇到爬坡或排出端堆积岩屑，后续岩屑由于受到下侧摩擦力的影响往往产生反旋倒走现象，进一步加剧岩屑堆积。因此，均衡椭圆筛排出的岩屑要比直线筛排除的固相浓度高。*二、振动筛二、振动筛直线筛与椭圆筛对比二、振动筛二、振动筛n振动筛的分离粒度决定于筛网的目数n筛网的目数l筛网上1平方英寸（1英寸1英寸）面积内的网孔数量，通常表示为：横向网孔数纵向网孔数 如：10080目（长方孔）或100100目（方孔）l但实际使用中，以方孔筛网为主，因此100100目筛网简称为100目。*二、振动筛二、振动筛筛网的目数与孔长的关系*目数目数孔长孔长m目数目数孔长孔长m802001501101001602007412014032544二、振动筛二、振动筛n结构型式：钩边筛网、框架筛网n表面形状：平面网、波浪网筛网钩边筛网钩边筛网（平面网）（平面网）框架筛网框架筛网（平面网）（平面网）钩边筛网钩边筛网（波浪网）（波浪网）*二、振动筛二、振动筛*在选用振动筛时，除根据固相粒度分布选择适合的筛网外，还应考虑的另一重要因素是筛网的许可处理量。振动筛的处理能力应能适应钻井过程中的最大排量。筛网越细，钻井液粘度越高，则处理量越小。一般粘度每增加10%，处理量降低2%左右。为了满足大排量的要求，有时需要2或3台振动筛并联使用。使用振动筛时还应注意以下几点：(1)正确地安装与操作。(2)筛网的张紧程度要适当，否则筛网寿命会大大缩短。(3)网孔尺寸以钻井液覆盖筛网总长度的750080%为宜。(4)安装水管线，及时清洗筛网，防止堵塞。二、振动筛二、振动筛l振动筛新技术多层筛技术三层分流技术自动控制技术*二、振动筛二、振动筛l振动筛新技术多层筛技术*二、振动筛二、振动筛l振动筛新技术多层筛技术钻井院SSZY270-6K振动筛Derrick DP600双池振动筛*二、振动筛二、振动筛l振动筛新技术三层分流技术*二、振动筛二、振动筛l振动筛新技术NOV Brandt VSM多层振动筛MI-SWACO MD-3双轨迹振动筛*二、振动筛二、振动筛l振动筛新技术自动控制技术1）筛箱倾角自动调整功能：自动控制技术（Automated Shaker Control 简称ASC）。ASC技术使用超声波声纳系统采集筛箱内的液面高度，并与设定参数进行比较，从而实现筛箱倾角自动调整，使钻井液进入端的残留钻井液接近最优值。2）自动增强功能：当筛箱倾角达到最高点，且筛箱内的液面高度超出最优值时，激振电机自动增加转速，从而在相应挡位上增加最高可达21%的激振力，以保证钻井液出砂的稳定性，增加的激振力维持一定的时间后自动恢复正常。*二、振动筛二、振动筛*l除砂器和除泥器均基于水力旋流器原理三、旋流器三、旋流器用于钻井液固相控制的旋流器是一种带有圆柱部分的立式锥形容器。锥体上部的圆柱部分为进浆室，其内径即旋流器的规格尺寸，侧部有一切向进浆口，顶部中心有一涡流导管，构成溢流口。壳体下部呈圆锥形，锥角为1520。底部的开口称做底流口，其口径大小可调。l结构*l工作原理三、旋流器三、旋流器在压力作用下，含有固体颗粒的钻井液由进浆口沿切线方向进人旋流器。在高速旋转过程中，较大较重的颗粒在离心力作用下被甩向器壁，沿壳体螺旋下降，由底流口排出；而夹带细颗粒的旋流液在接近底部时会改变方向，形成内螺旋向上运动，经溢流口排出。这样，在旋流器内就同时存在着两股呈螺旋流动的流体，一股是含有大量粗颗粒的液流向下作螺旋运动，另一股携带较细颗粒连同中间的空气柱一起向上作螺旋运动。*l原理演示三、旋流器三、旋流器*l固相沉降速度三、旋流器三、旋流器 根据斯托克斯(Stokes)定律，固相颗粒在钻井液中的沉降速度vs可近似用下式表示：*l旋流器的使用与调节三、旋流器三、旋流器目前用于钻井液固控的旋流器多为平衡式旋流器。如果这种旋流器的底流口尺寸调节适当，那么在给旋流器输人纯液体时，液体将全部从溢流口排出；而含有可分离固相的液体输人时，固体将会从底流口排出，每个排出的固体颗粒表面都粘附着一层液膜。此时的底流口大小称做该旋流器的平衡点。平衡点*l旋流器的使用与调节三、旋流器三、旋流器如果将底流口调节到比平衡点的开口小时，在平衡点与实际的底流开口之间会出现一个干的锥形砂层。当较细颗粒穿过砂层时会失去其表面的液膜，并造成底流口堵塞。这种不合理的调节常称为“干底”，由“干底”引起的故障又称为“干堵”。如果底流口的开度大于平衡点所对应的内径，那么将有一部分液体从底流口排出，这种调节称为“湿底”。在实际操作中，理想的平衡点很难调节和保持。在仅有“干底”和“湿底”两种选择的情况下，还是宁选后者。只要液流损失不严重，可视为正常情况。干底和湿底*底流伞状排出底流绳状排出三、旋流器三、旋流器*l旋流器的使用与调节三、旋流器三、旋流器旋流器的理想工作状态：底流口有两股流流体相对流过。其中一股是空气的吸人，另一股则是含固相的稠浆呈“伞状”排出。只有这种工作状态，才能充分发挥旋流器的效力。空气被吸人的原因是由于向上的旋流束的高速运动使旋流区内形成一个低压区，被吸的空气和向上的旋流束一起从溢流口流出。伞状底流*l旋流器的使用与调节三、旋流器三、旋流器 当钻井液中固相含量过大，从而造成被分离的固相量超过旋流器的最大许可排量时，则底流呈“绳状”排出，此时底流口无空气吸人，因而很容易发生堵塞。在这种不正常的工作状态下，许多处于旋流器清除范围之内的固相颗粒，会折回溢流管并返回钻井液体系。绳状底流*旋流器的磨损与选材材料寿命，h普通钢20硬质合金500尼龙60混炼型聚氨酯100浇注型聚氨酯2000磨损区域：距底流口80150mm三、旋流器三、旋流器l旋流器的类型各种尺寸旅流器可分离的固相颗粒范围*三、旋流器三、旋流器l旋流器的类型各种尺寸旋流器在正常情况下的分离点*三、旋流器三、旋流器 分离点D50：如果某一尺寸的颗粒在流经旋流器之后有50%从底流被清除，其余50%从溢流口排出后又回到钻井液循环系统，那么该尺寸就称做这种旋流器的50%分离点，简称分离点。l除砂器和除泥器*除砂器安装23个12”或10”水力旋流器除泥器安装1020个4”水力旋流器除砂器和除泥器均采用砂泵供液三、旋流器三、旋流器除砂除泥器的配制与使用（SY/T 6223-2005）*处理量应为钻井时最大排量的110%125%。砂泵的工作压力应控制在0.2MPa-0.4MPa范围内。旋流器工作时，底流应呈伞状。所有密封处不应有泄漏。当除砂器和除泥器同时工作时，应由不同的砂泵供液。加重钻井液时不宜使用除泥器。使用油基钻井液时，不宜使用除泥器。三、旋流器三、旋流器在现代钻井液处理系统中，旋流器的应用正在日趋减少,主要原因有：1.振动筛技术进步，处理范围扩大，所用的细筛网可以去除较细颗粒，完全可以代替除砂器。2.旋流器的分离性能受钻井液密度和粘度的影响很大。3.离心机的使用日益广泛，处理量增大，其分离特性也明显优于旋流器。*三、旋流器三、旋流器四、四、泥浆清洁器泥浆清洁器*泥浆清洁器是一组旋流器和一台细目振动筛的组合。上部为旋流器，下部为细目振动筛。组合式除砂除泥器组合式除砂除泥器n组合式除砂除泥器n特点：将除砂器、除泥器组合为一体，节约了循环罐上的空间配备了大型的清洁筛箱，可作为普通振动筛使用。*四、四、泥浆清洁器泥浆清洁器五、离心机五、离心机卧式螺旋卸料沉降离心机副电机主电机螺旋转鼓差速器护罩*离心机是离心分离设备，主要用来清除钻井液中2l0m的固相物质，是最后一级钻井液固控设备。*五、离心机五、离心机离心机分类及性能类型转速r/min 离心力 g处理量m3/h中分点m重晶石回收离心机16001800 500700 2.39 47 大处理量离心机19002200 800 2345 57 高速离心机25003000 12002100 152525*五、离心机五、离心机应用离心机处理非加重钻井液在非加重的低固相钻井液中，离心法是很有效的固液分离方法。用于这方面的离心机通常是大处理量型离心机，每小时能处理2345m3的液体，处理34t/h固相。离心机将钻井液分离为溢液和底流两部分。底流中含有大量无用固相排到废浆池中;而有用的液相再返回到循环罐中去。*五、离心机五、离心机应用离心机处理加重钻井液在加重钻井液中应用离心机的首要目的是控制粘度。因为在高粘度下，钻井速度较慢。控制粘度的方法是将引起粘度增加的超细颗粒固相和胶体通过溢流分离出来，排至废料池，而将含有大量重晶石的底流重新返回钻井液循环罐内。*五、离心机五、离心机用离心机处理水力旋流器底流旋流器(除砂器、除泥器)底流含有较多的液体，将其送入离心机，离心机分离出的固体被排入废浆池，分离出的液体返回使用。这一方法来回收储浆池中的水也是很有效的。也可以用沉降式离心机来清洁完井液。在此情况下，一般使用高处理量离心机从昂贵的完井液中清除无用固相，使得这些完井液得到重复利用。*五、离心机五、离心机 为了提高离心机的分离效率，一般需对输人离心机的钻井液用水适当稀释，以使钻井液的漏斗粘度降至3438 s范围内为宜，稀释水的加人速度为0.380.5 L/s。离心机的转速对分离颗粒粒度也有很大影响。在使用离心机时，应注意选择合适的转速和处理量，以取得预期效果。*五、离心机五、离心机谢谢 谢！谢！*