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钻井液固控系统


(Drilling Fluid Conditioning System)

? 一、泥浆的组成 ? 1、液相

? 2、有用固相
? 3、无用固相 ? 4、化学处理剂

二、钻井液固相含量对钻井的影响
? 1)比重增加
? 2)粘度增加 ? 3)钻井颗粒增加

? 4)泥饼厚度增加,失水量降低
? 5)影响钻井的水力程序

三、钻井液固相控制方法
? 1、稀释除砂法
? 2、替换除砂法 ? 3、重力沉降除砂法

? 4、化学除砂法
? 5、机械除砂法

三、钻井液固相控制系统 (非加重钻井液固相控制系统 )

加重钻井液固相控制系统

振动筛 (Shale shaker)
? 一、 振动筛的基本结构及工作原理

1-泥浆进口;2-泥浆盒;3-筛网;4-筛除固相颗粒;5-底座 6隔振元件;7-筛箱;8-液体和细固相颗粒

振动筛的基本工作原理
a-偏心轴 式 b-偏心 轮式 1-激振轴 2-轴承 3筛框 4-减 振弹簧 5-皮带轮 6-偏心轮 7-偏心质 量

二、振动筛的工艺特点与种类
? 1、特点 ? (1)钻井液振动筛筛分的介质是液体,废弃的是 固相颗粒。 ? (2)它所筛分的钻井液是一种物化性能变化很大 的液相、固相和化学处理剂组成的混合物。 ? (3) 它所分离的固相颗粒的粒度由几个微米到20 多毫米。由于要求筛下物越细越好,因此筛网使用 的最大目数目前已达到325目。 ? (4) 要求钻井液振动筛具有极好的运移性、安装 简单、筛网更换方便、操作粗放、工作可靠、易损 件少等特点。 ? (5)钻井岩屑在筛面上的筛分过程远比干物粒复

杂。

振动筛的类型
? (1)按筛箱上的运动轨迹分为 圆形轨迹筛、

直线轨迹筛、椭圆轨迹筛。 ? (2)按筛网绷紧方式分为 纵向绷紧筛和横 向绷紧筛。 ? (3)按筛分层数分为 单层筛和双层筛。 ? (4)按筛面倾角分为 水平筛和倾斜筛。 ? (5)按振动方式分为 惯性振动筛、惯性共 振筛、弹性连杆式共振筛、电磁振动筛等。

振动筛(直线筛)

三联筛

三、筛网 筛网的编织型式

a-正方网格 b-荷兰式网格 c-长方网格 d-斜纹网格

筛网的规格
? 筛网的规格通常用目数来表示。筛网的目数

即筛网经线(长度)方向或纬线(宽度)方 向上,每英寸长度内含有的钢丝数目或孔数

中国(上海)
筛网号 (目数) 50 60 80 100 120 150 180 200 丝 径 (mm) 0.152 0.122 0.102 0.081 0.081 0.06 0.05 0.05 孔尺寸 (μm) 360 300 220 172 130 108 90 77 孔眼有效面 积(%) 49.1 50.7 46.1 46.4 38.1 41.7 41.7 36.8 0.0535 丝 径 (mm) 0.229 0.190 0.139 0.117 0.094 0.066

美国(API)
孔尺寸 (μm) 279 234 178 140 117 103 孔眼有效 面积(%) 30.3 30.5 31.4 30.3 30.9 37.3

74

33.6

HYDROCYCLONE
? 1、The development and application of a

cyclone ? 2、the basic structure and working principle of a cyclone

The basic components of a conventional cyclone
? 1-overflow pipe ? 2-cover plate ? 3-casing ? 4-linear ? 5-rubber pocket

? 6-nut
? 7-bottom hole ? 8- inlet tube

The Working Principle of a Cyclone
? Centrifugal Decanting
? (内旋流、外旋流,盖

下短路流、循环流、空 气柱)

The Working Principle of a Cyclone

The Simulation of a Cyclone
? Made by Fan Qiang in 1998(using the software of 3Dmax)

3、The features of a cyclone
? Versatile and multi-function
? Simple structure ? Incomplete separating

? The wear of the linear

4、the fluid velocities in the cyclone
? D.F.Kelsall’s

experimental curves (D.F.Kelsall ? 1) Tangential Velocity Vt n=0.6-0.9

Vt r ? c
n

2)Axial velocity Vz

3)Radial Velocity Vr

5、The structure Parameters of a cyclone
? 1)cyclone size D

? 2)the diameter of the inlet tube

dn
? ? ? ? ? ?

dn=0.15D~0.25D 3) the diameter of the overflow pipe d d=0.2D~0.4D ? ? 12o ? 220 4)conical angle 5) the diameter of the bottom hole d0 do/d=0.15~0.8 6) the height of cylinder H H=1.5~1.6D 8)the depth of the overflow pipe h h=D/6~D

6、The working Parameters of a cyclone
? 1)Inlet pressure P
?

P=0.2~0.35Mpa ? 2)The properties of the suspension ? 3)Cyclone capacity Q ? 4)Cut size (D50 )

处理量计算公式 (简单)
Q ? 0.3534 d
2 n

p

公式中 Q—为旋流器的生产 能力, L/s; dn—进液管直径, cm; p—为进液压力, Kpa。

7、Cyclones used in solid controlling system

1)Desander

2)desiler

3)Mud cleaner

Mud cleaner

Mud cleaner

8、The material of a cyclone
? ? ? ? ? ? ? ?

1)steel 2)cast iron 3)rubber 4)ceramics 5)polyurethane 6)nylon 8)cast rock 9)polytetrafluroethyane

Note:
? 进口的形状
? 底流的调节方式 ? 插入深度的调节方式

? 多流道进口
? 磨损机理

? 可否用于加重材料的回收

离心机(Centrifuge)
?

一、离心机的基本结构和工作原理

1-v-型胶带;2-液力联轴器;3-电动机;4-进料管; 5-转鼓;6-螺旋输送器;7-行星差速器

离心机的工作原理
? 转鼓5和螺旋输送器6之间存在一定间隙,二

者同方向旋转,但通过行星差速器7使二者保 持一定的转差。 ? 钻井液由加料管进入螺旋输送器的空心轴, 在进入转鼓内。由于转鼓高速旋转,带动进 入转鼓的钻井液一起旋转,钻井液中的固相 被甩到转鼓壁上,由螺旋输送器推向转鼓小 端的卸料口排出,清洁的钻井液从转鼓大端 的溢流口排出,从而完成固液分离 。

离心机工作原理模拟动画 (制作:范强)

卧式螺旋沉降离心机的特点
? 自动、连续操作,无滤网和滤布,能长期运转,维 修方便 ; ? 应用范围广; ? 对物料的适应性较大,能分离的固相粒度范围较广, 并且在颗粒大小不均匀的条件下,能照常分离得很 好。能适应各种浓度悬浮液的分离,浓度的波动不 影响分离效果; ? 结构紧凑、易于密封,某些机型能在加压和低温条 件下操作 ? 结构比较复杂,造价较高

离心机在钻井液固相控制中的应用
? 钻井液离心机是固控设备中固液分离的重要

设备之一,一般情况下安装在固控系统的最 后一级,用来处理非加重钻井液,可以除去 2um以上的有害固相,处理加重钻井液可除 去钻井液中多余的胶体,控制钻井也的粘度, 回收重晶石;处理旋流器的底流,回收液相, 减少淡水或油的浪费。此外,离心机也是处 理废弃钻井液,防止污染环境的一种理想设 备。

高速离心机

变频离心机

中速离心机

固控系统

钻井液中固相的粒度分布
? 1、API粒度分级
?

按照API分类,泥浆中的固相颗粒的分类为:小于2um 称为胶体,2-44um称为超细颗粒,44-74um称为细颗粒, 74-250um称为中等颗粒,250-2000um称为中粗颗粒,大于 2000um称为粗颗粒。一般情况下,泥浆中的固体颗粒小于 2微米称为粘土,2~74微米称为泥,大于74微米的称 为API砂

? ? ? ? ?

2、硬底层钻井时固相的粒度分布 3、软底层钻井时固相的粒度分布 4、加重材料的粒度分布 5、固相控制系统 6、固相控制系统的发展

非加重钻井液固相控制系统

加重钻井液固相控制系统

除气器 (Degasser )
? 一、气侵钻井液的危害 ? 1.降低钻井液的密度。钻井液密度降低后,若井内钻井液 ? ? ? ? ?

净液柱的压力低于地层的压力,可能引起井涌或井喷。 2.使用于固控系统的砂泵、灌注泵、钻井泵的吸入不良, 甚至不能正常工作,引起设备的振动。 3.部分有毒气体(如硫化氢)逸出钻井液,可能引起现场 操作人员中毒。 4.可能引起火灾。 5.气侵后,钻井液粘度增大,使机械钻速降低。 为此,侵入钻井液中的气体必须清除掉,其清除方法一般 采用机械式除气器

二、机械法除气的基本原理
? 1.使气泡快速上升到液 ?

?
? ? ?

体表面 ut 为气泡的上升速度, m/s; dt 为气泡的直径,m; ρt为气泡的密度,kg/m3; ρm为泥浆的密度 , kg/m3; μ为泥浆的动力粘度, Pa.s

ut ?

dt2 ( ?t ? ?m) g 18?

? 2.使液体层变薄 ? 钻井液井振动筛处理后,流入泥浆罐中,由于泥浆 罐较深,不利于气泡快速上升到液体表面。因此, 某些除气器创造一定的条件,使液体层变薄,有利

于气泡快速上升到液体表面 ? 3.帮助气泡膨胀 ? ptvt=常数 ? 若将常压下的气侵钻井液置于真空状态下,即降低 压力,气泡的体积就可变大。真空度越高,气泡的 体积越大,这就是各种真空式除气器的工作原理

? 4.利用离心力场加速气泡的运动

? 气泡在离心力场中运动时,液体和气泡要受

到离心力场的作用,由于高速旋转产生的离 心力远远大于重力,若靠近旋转中心部分有 液气的分界面,则气体就能加速到达液面, 这就是离心式除气器的工作原理 . ? 5.气泡的破裂和逸出

? 1)将气泡置于真空环境下,减小气泡所受的

大气压力Pa,有利于气泡的破裂。 ? 2)增大气泡的半径可减小附加压力Py , 采用增大气泡体积的方法不仅有利于气泡快 速到达液体的表面,也有利于气泡的破裂。 ? 3)施加外力,将气泡挤破,一部分除气器 使钻井液高速冲击挡板的目的之一就是试图 挤破一部分气泡。

除气器装置(常压式除气器)
1一胶带;2一电动机; 3一轴承;4—轴; 5一泥浆池顶缘;6一泵座; 7—筛网;8一泵的螺旋形进口; 9—叶轮;10-泵壳;11—立管; 12一支架;13一盘阀 工作时,气侵钻井液从靠近泵上部的进口流 入离心泵的叶轮。然后被泵送到喷射罐。在 罐内,可调的盘形阀与立管端面之间的间隙 很小。因此钻井液经过阀口时,流速增大, 形成紊流薄膜,并撞击喷射室的侧壁,促使 气泡上升到表面破裂,并从顶部的排气口排 出。钻井液在重力作用下经排浆槽排向储液 罐,与此同时,由于泵轮的旋转,吸入室中 靠近转轴附近的钻井液压力降低,部分气体, 特别是大气泡在该处就被分离出来,沿泵轴 向上运动排入大气,从这两处排出的气体, 也可用抽风机输送到远离井场的地方排出

真空式除气器
? 真空除气器主要通过喷射器或真空泵从真空罐(室)中抽出气

? ? ? ?

体,使罐内保持真空,以便吸入气侵泥浆,尔后进行除气。 这类除气器通常具有以下设备: 1)喷射器或真空泵:用以保持真空罐适当的真空度,将待 处理的泥浆吸入,并排出分离气; 2)特定的锥形挡板:泥浆流经挡板时扩散成薄膜状,从而 易于气体逸出; 3)特定型式的离心泵或喷射泵:将脱气泥浆从真空除气室 中排出; 4)必要的液面控制装置:调节进入真空除气室的泥浆量, 保证除气室不会溢流,也不会抽空。

双喷射真空除气器
1-除气室;2-吸入管线;3-比重泥浆阀;4-双喷射器;5-缩颈管;6-导管;7-喷嘴;8-第一喷射器入口;9-导 管;10-调节阀;11-浮球机构;12-进气控制阀;13-旋流分离器;14-漏斗;15-出气口;16-脱气泥浆罐; 17泵;18-含气泥浆储罐;19-联通平衡管

双喷射真空除气器的工作原理
? 储存在罐16内经过除气室l处理的脱气泥浆,绝大部分由钻

井泵进行再循环,小部分借助泵17提供一股诱导液流,通过 缩颈管5时,在双喷射器4的入口处形成真空,于是,除气室 底部的脱气泥浆被吸入第一个喷射器的入口8,除气室顶部 的气体通过导管9被吸入第二喷射器的入口20,二者在导管6 内混合后,流入旋流分离器13,气体经出口15向上排至大气, 脱气泥浆则经漏斗14流入罐16。 ? 由于除气室顶部的气体经导管9被吸入喷射器,再经过旋流 分离器排出,故除气室顶部形成真空,罐18内的含气泥浆在 压差作用下进入陈气室,并在挡板上扩散成薄膜层,泥浆中 的游离气体及大气泡气体先行逸出,泥浆则顺挡板流向除气 室底部,再经过上述的循环,分离出溶解气体。 ? 脱气泥浆罐16和含气泥浆储罐18处于同一水平面上,下部由 联通关19连通。这样布置是为了保持罐18内液体压头不受井 内返出的含气泥浆流速变化的影响,即当罐18内的液面降到 容许高度以下时,脱气泥浆就经过平衡管流入罐18。脱气泥 浆因比重较大而存留罐底,同时为管2提供足够的压头。

离心式除气器
1-传动胶带 2-电机 3-上筒 4-轴承 5-排气区 6-挡泥板 7-排出腔 8-主轴 9-叶轮 1 0-主筒 11-过滤器

离心式除气器
? 离心式除气器的外部呈圆筒形,工作时,主筒插入气侵钻井

液中。电动机通过胶带传动装置驱动筒中的主轴和叶轮旋转。 气侵钻井液从主筒的下端经过过滤器进入除气主筒。叶轮驱 动钻井液作旋转运动,在离心力场的作用下,钻井液在主筒 内形成涡流。钻井液中的液相和固相被甩向主筒内壁,而气 体则向中心扩散,在主筒中心形成气柱。由于涡流作用,分 离后的钻井液沿主筒内壁旋转向上运动,以约25mm厚的环 形流螺旋状进入排出腔。由于排出腔过流面积大,进入排出 腔的钻井液流速降低,并从排出腔排出。主筒形成的气柱沿 主筒中心区域旋转向上运动,进入排气腔的上部,并从排气 口排走。在排出腔和排气区域之间有一块挡泥板,防止钻井 液窜入排气区。 ? 与真空型除气器相比,离心式除气器功率利用率高,所需功 率小,结构简单重量轻,占用空间小,成本低

真空除气器

搅拌器

砂泵

混合漏斗(旋流式)

混合漏斗(文丘里式)


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