复杂钻井作业中固控系统的要求
为了满足钻井工艺技术措施和钻井施工质量的需要，对复杂钻井施工作业过程中的固控系统进行优化。解决钻井固控系统存在的问题，高质量的钻井液固控系统，提高固控设备的性能，降低钻井液中的固相含量，提高固井施工的质量，保证钻探施工达到设计的质量标准。
固控系统
复杂钻井作业中的固控系统
石油钻井作业施工，直井是最简单的钻井施工任务。而定向井、水平井的钻井施工难度大，属于复杂钻井施工作业。针对水平井的钻井作业，需要钻探直井段、造斜井段、稳斜井段、水平井井段，各个井段之间需要吻合，才能形成合理的井眼轨迹，达到水平井钻探施工的质量。
钻井施工的固控系统是为了满足钻井液固控的技术要求，通过固控设备，合理控制钻井液中的固相含量，加强对钻井液的净化，使其性能满足复杂钻井施工的技术要求。尽可能降低钻井施工的成本，提高石油钻井施工的质量，满足油气田勘探开发的需要。
石油钻井过程中的固控系统主要实现钻井液固相和液相的控制和分离，将钻井液循环利用，也属于泥浆净化系统。固控系统由若干个模块化的组合罐体组成，避免泥浆罐产生罐底沉砂的情况发生，在泥浆罐上设计搅拌装置，整个循环系统各个罐体是独立的，又相互连通起来，形成一定的工艺流程，达到泥浆净化的要求，满足石油钻探施工的技术要求。
系统中设计多个净化设备，配套设备中含有振动筛、搅拌器和除泥器等，减少废弃水泥浆的排放，避免发生环境污染事故，提高石油钻井施工的安全环保性，达到绿色钻井施工的需要。
复杂钻井作业程序分析
离心机螺旋推进器形式及材质要求
螺旋推进器是钻井液离心机的一个主要部件。它的结构、材料、参数直接关系到钻井液离心机的分离效果、生产能力以及使用寿命。螺旋的只要作用是推送沉渣，但在沉降区和干燥区对其要求又有所不同。在沉降区悬浮液中的固体颗粒逐渐向转鼓壁形成沉渣区，螺旋应有利于移动沉渣而又不致剧烈的将沉渣搅起，造成已分离的沉渣和液相混合。在干燥区螺旋不仅继续移动沉渣而且应为沉渣和水分分离创造有利条件。
螺旋推进器一般由螺旋叶片、内筒和进料室等组成。
螺旋叶片是直接与沉渣接触输送沉渣的部件，常见的形式有：
A：连接整体螺旋叶片，常用并且容易生产制造
B：连续带状螺旋叶片，叶片刚性差，使用不多，主要用于沉淀分离。
C：断开式螺旋叶片
D：有附加叶片的螺旋叶片
螺旋有单头双头之分，由于双头螺旋便于加工并有利于平衡，所以绝大多数是双头螺旋。
螺旋叶片有2种布置，一种是螺旋叶片垂直于转鼓母线，这种便于焊接和校正，设计时常用。一种是叶片垂直于回转轴线。
由于螺旋推进器的叶片直接和沉渣接触，所以叶片对材料有很高的要求，叶片需要具有高度耐磨性，一般会在叶片表面堆焊或喷焊硬质合金，这种加工方式比较困难。目前出现了制造耐磨叶片的新工艺，其特点是用耐磨片用钎焊、熔接或粘结等方式固定在瓦形工件上，然后再将2着的组合件焊接到螺旋叶片上，使离心机保持较高的生产能力。
井场”绿色钻井“之固控系统
“绿色钻井”是指整个钻井过程中，着眼于污染预防，最大限度地减少原料和能源的消耗，降低生产成本，减少 和防止钻井过程对生态环境破坏的钻井。
为了将井底钻头破碎的岩屑及时携带到地面上来以便继续钻进，同时为了冷却钻头保护井壁，防止井塌井漏等 钻井事故的发生，旋转钻机配备有循环系统。循环系统包括钻井泵，地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其 中地面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥浆净化设备包括钻井液振动筛、除砂器、除泥器、离心机等。
钻井泵将泥浆从泥浆罐中吸入，经钻井泵加压后的泥浆，经过高压管汇、立管、水龙带，进入水龙头，通
过空心的钻具下到井底，从钻头的水眼喷出，经井眼和钻具之间的环行空间携带岩屑返回地面，从井底返回的 泥浆经各级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。
钻井工程是油气勘探开发活动中的一项野外作业工程，钻井生产过程中的“废浆、废水、废油”以及岩屑
、生产生活垃圾等废弃物不可避免地对周围环境产生污染和伤害，特别是在生态脆弱的敏感地区一旦出现这种 伤害，后果将是严重的，一时难以修复的。因此，大力推进清洁生产，积极实现可持续发展”树立绿色环保意 识，从源头控制污染，实现油气勘探开发的绿色环保，已经成为当今油气勘探开发企业义不容辞的责任和义务 。
四级固控设备钻井液循环系统，可强化钻井液固相控制；通过合理使用振动筛、除砂器、除泥器、旋流分离器及钻 井液清洁器等固控设备，能减少钻井液稀释及处理剂用量；封闭钻井液循环系统，可实现钻井液不落地，规避 了渗溢污染。
钻井过程中钻井液的重要性
现代钻井中不可缺少地要使用循环流体，除少量循环流体使用的是气体和泡沫外，绝大多数钻井用的循环流体都是液体，因此称钻井过程中使用的循环流体为钻井液。由于早期的钻井液只是黏土和水的混合液体，几乎没有其他化学成分，油田现场习惯称其为“泥浆”。钻井液在钻井过程中起着重要的作用。其主要功能有：
- 清洗井底
钻头在钻进过程中破碎岩石从而产生了大量岩屑，这些岩屑就是靠不断循环的钻井液来清除的。若岩屑不能被及时清除，则它将被重复破碎，就会影响钻头继续钻进岩石。
- 冷却、润滑钻头及钻柱
钻进过程中，钻头上因承受很严重的钻压负荷，导致钻头轴承及钻头工作面发热。同时，由于钻柱在旋转过程中不断地与井壁摩擦，不仅产生热量，而且加速钻柱磨损、增加功率消耗，而钻井液则可通过循环及时把热量带走，对钻具进行冷却，同时还能起到润滑作用，从而减小摩擦所产生的副作用。
- 形成泥饼，保护井壁
地层深处的岩石由于受顶部和周围岩石的压力而处于三维受压状态。当井眼钻开后，井眼周围的岩石必然要承受来自各个方向上的挤压而产生一个应力增量值，即应力集中。在这种情况下，如果井眼处岩石的强度不够大，就可能导致井壁垮塌。但若用含有加重剂、滤失量低的钻井液作用在周围井壁上，将使岩石上的应力减小，从而使“压缩性垮塌”的机会减少。但钻井液的密度不能过大，否则将导致岩石的“裂缝性破碎”，进而引起钻井液的漏失。并且加有各种添加剂的钻井液在循环过程中会在井壁上形成一层泥饼，优质的泥饼不但可以保护井壁不被钻井液冲刷，而且能减少钻井液漏向地层。
- 控制与平衡地层压力
当钻进到高压油（气）层时，若地层的油（气）层压力高于钻井液柱的压力，将发生“井喷”导致钻井事故。为此应配制密度适宜的钻井液，使钻井液柱的压力等于（通常是略大于）地层压力，以保证安全、快速地钻进。但密度不能过大，否则有可能把油（气）层堵死。
- 悬浮岩屑和加重剂
钻井过程中，钻井液在井眼环形空间的流速不可能太高，而清水由于密度低使其悬浮能力差，为把岩屑和加重剂循环排出地面，钻井液中还要加入其他各种添加剂以增加其悬浮能力。
- 提供所钻地层的有关地质资料
通过对流出地面的钻井液取样分析，可获得所钻地层的岩性及油气含量等资料。
- 将水功率传给钻头
钻井液从钻头水眼流到井底时，不仅清洗井底岩屑，而且还能降能量传到井底辅助机械破岩，喷射钻井就是利用钻头水功率的一种钻井工艺。国内外的钻井实践证明，喷射钻井工艺提高了钻井速度，并降低了钻井成本。
- 在地面分离清除钻屑
分散于钻井液中的固相颗粒称为钻井液中的固相。钻井液中的固相，一是来源于钻屑，二是为满足钻井工艺要求而人为加入的。
按固相在钻井液中所起的作用可分为两类：一类是有用固相，如膨润土、化学处理剂、重晶石等；另一类是有害固相，如钻屑、劣质膨润土、砂粒等。钻井液的固控系统，就是清除有害固相，保留有用固相，或者将钻井液中的固相总含量及粒度级别控制在钻井工艺所要求的范围之内，以满足钻井过程对钻井液性能的要求。油田现场也习惯称其为泥浆净化。
Read More »7000m钻机固控系统研究
关键词：深井钻机；固控系统；工艺流程；固控设备
近年来，我国中浅层井的开发已到中后期，目前集中需要开发深井、超深井钻机，对钻井液固控系统提出了更高的要求。固控系统从固控设备到钻井液循环罐，虽然技术上有较大的改进，工艺流程也趋向合理，但固控系统的配套中仍存在不少问题，尤其深井、超深井钻机的固控系统尚不够成熟。笔者分析了现代钻井所用固控系统的先进技术以及发展方向，并结合钻井液固控系统配套现状及固控设备的技术发展状况，根据钻机现场实际工艺需要，研究出一套既能满足生产需要，又能产生较好经济效益7000m深井钻机的固控系统。
1 国内外固控设备的现状及发展
1.1 国内固控设备的现状
国内的固控技术是八十年代发展起来的。近二十年来，随着喷射钻井、优化钻井、优质钻井液和油气层保护技术的全面实施，国内钻井液固相控制设备的理论研究和制造工艺水平得到了迅速的发展、推广和普及，但国产的固控设备在性能，寿命方面，尤其在材料、加工工艺、加工精度和配套使用的通用设备的质量上与国外相比，还有一定的差距。目前国内固控的主流配置以5级固相控制（筛分—除气—除砂—除泥—离心）为主。
1.2 国外固控设备的现状
国外的固控设备以美国的BRANDT、SWACO、DERRICK等公司为代表，它们生产的固控设备不仅性能良好、工作稳定、寿命长，而且均实现了设备标准化、系列化和专用化。质量和性能处于世界首位。国外配置固控系统设备，注重优化配置和效率评价，由此研发了钻井液固相控制专家系统。如美国的一种由4台钻井液振动筛和2台干燥器组成的固控系统，处理能力增加70%，不易堵塞，且分离出的固相颗粒由干燥器进行脱水，干燥的颗粒被排掉，脱出的液体回收，效果很好。
1.3 固控设备的发展方向
目前，国外的固控设备已发展成熟，且形成了设备类型的标准化、系列化和专用化。与国外相比，国内的固控设备总体技术水平还有一定差距，需要在固控设备类型、固控设备性能、寿命、以及整个固控系统的效率评价等方面着重发展。今后，国际固控设备的发展要求：节能降耗、安全环保。其主要从以下六个方面向前发展：固控系统的简化和优化；先除气、再筛分；改部
分处理为全处理；选择性固相控制技术；钻屑在线处理技术；钻井液重复利用技术。
2 深井钻机固控系统的设计
随着油气资源勘探开发的不断深入，深井定义也在不断变化，当前井深6000～9000米为深井范畴。此处，针对陆地钻井深度7000米以内的油气井勘探与开发的深井钻机，从固控系统的主要技术参数，固控设备的配置，固控系统的工艺流程几个方面，研究出一套7000米钻机的固控系统。
2.1 主要技术参数
（1）钻井液循环罐的有效容积的确定。
钻井液循环罐的有效容积是钻机固控系统的主要技术参数，下面以完钻井眼容积法加以说明。完钻井眼容积法是以完钻起钻后灌满井眼所需要的钻井液的容积作为钻井液系统所需要的最小容积。该方法假设未使用泥浆收集装置，且钻具内所有钻井液均流失。
名义钻深能力7000m，用Ф127mm（5in）钻杆和36T钻挺组合钻达井底的钻机所配套钻井液系统的容积。
7000m×O.O127m3/m=88.9m³
36000kg÷7754kg/m3=4.6m3
88.9m³+4.6m3=93.5m3
式中：
7754kg/m³—钻具的密度
O.O127m3/m—Ф127mm（5in）钻杆每米的外容积则灌满井眼所需要的钻井液的最小容积为93.5m3，另增加50％作为安全容积，即46.75m3，得最小在用容积约140m3，再加上储备容积，通常储备容积与在用容积相近，因此整套钻井液系统有效容积约为280m3，加上加重仓20m3，则总有效容积为300m³。由《SYT6223-2005钻井液净化设备配套安装使用和维护》中要求
7000m钻机的钻井液循环罐容积不小于270m³，完全满足要求。
（2）主要技术参数：
总容积：353m3
有效容积：300m3（不含沉砂仓等）
泥浆罐罐体尺寸（ 长× 宽× 高） ：11000×2800×2300mm（含撬座高300mm）
泥浆罐运输尺寸（ 长× 宽× 高） ：13500×3000×2800mm
泥浆罐数量：6个（底部倾斜式结构）
药品罐：1个
装机总功率：～650kw
2.2 固控系统工艺流程
2.2.1 钻井液净化工艺流程图。
钻井过程中，钻井液净化处理是由净化设备对钻井液一级级进行固、液分离，目前共分五级、通常称为五级净化：振动筛→除砂器→除泥器→泥浆离心机→除气器。对于深井钻机，钻井液均采用五级净化。井口返出的泥浆通过五级净化设备净化后，由钻井泵重复泵入井内循环使用。下面为7000m钻机固控系统典型工艺流程图（其中从左到右，从上到下依次为5、6、1、2、3、4号罐）。
2.2.2 主要配套的固控设备。
主要配套的固控设备，如表1所示。
| 设备名称 | 数量 | 备注 |
| 真空除气器 | 1台 | null |
| 钻井液振动筛 | 3台 | null |
| 除砂器 | 1台 | null |
| 除泥器 | 1台 | null |
| 钻井液离心机 | 1 | LW450×1000N2 |
| 砂泵 | 6台 | 55Kw |
| 剪切泵 | 1台 | 55Kw |
| 不给泵 | 1台 | 11Kw |
| 射流混合漏斗 | 3台 | 重晶石加料：300kg/min |
| 旋流混合漏斗 | 1台 | 膨润土加料：150KG/min |
| 泥浆搅拌器 | 11台 | 15Kw |
| 泥浆搅拌器 | 3台 | 7.5Kw |
| 泥浆搅拌器 | 1台 | 5.5Kw |
| 泥浆枪 | 14只 | 压力：6.4Mpa |
2.2.3 钻井液净化循环流程组成。
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