一种深层钻探的钻井液固相控制方法及控制系统与流程

[0001]
本发明涉及石油、天然气、页岩气、煤层气、勘探作业钻井工艺技术领域，特别是涉及钻井工艺流程中的钻井液的固相控制方法，具体是一种深层钻探的钻井液固相控制方法及控制系统。


背景技术：

[0002]
近百年的勘探开采，地层浅部的自然资源已快耗尽。当今人类为了获取地层深部的石油、天然气、页岩气、煤层气来满足人类的生存需求，人类开始向地层更深处勘探，以获取更多的天然气、页岩气等资源。由于这类资源埋藏于地下6000米、7000米、8000米以致9000米的地层深部，为了获取资源，开采钻探过程中难度极大。早期的钻井技术，钻井装备、钻井工艺等都很难达到深层开采，必须采用适合该深度的钻井技术，才能钻探到地层深部的天然气、页岩气，开采出来，满足人类的需求。早期的石油、天然气、勘探钻井工艺采用的是3000米、4000米、5000米、6000米钻探装置，而现在已发展到钻探地层深部7000米、8000米、9000米配用的7000米钻机、8000米钻机、9000米钻机，并采用定向井、开窗井，水平井、斜井等钻井方法。由此该深层钻井工艺对钻井液也提出了更高的要求。由于勘探资源的加深，钻井工艺流程中使用的钻井液，最基本的参数粘度及密度都必须随之提高，粘度是将悬浮破碎的岩屑，携带返回到地面的能力。而通过钻井液固相控制方法，把岩屑从钻井液中分离出来排除钻井液体外，干净、清洁、不含其它有害矿物质的钻井液再循环使用成为关键。
[0003]
目前钻井液分为：非加重水基钻井液、密度＜1.26、以水为介质配制，及加重水基钻井液、密度＞1.26以上、以水为介质配制。非加重油基钻井液、密度＜1.26、以油为介质配制；及加重油基钻井液、密度＞1.26、以油为介质配制；在钻井液中加入适量重晶石粉及铁矿粉等矿物质以用于增加钻井液密度。在钻井工艺流程中，钻井液好比人体的血液一样重要，钻井液固相控制是实现优化钻井的重要手段。正确有效的固相控制可以降低钻具扭矩和钻具的摩擦阻力，减少环空抽吸及压力波动，减少压差卡钻机率，提高钻井效率，延长钻头的寿命，减轻设备磨损，改善下套管的条件，增强井壁的稳定性，保护油气层以及降低钻井液的费用，为科学钻井提供必要的条件。因此，钻井液固相控制是现场钻井工艺流程中极其重要的环节。
[0004]
现有技术中，当钻井液粘度＞55s、密度＞1.37时，钻井液净化流程图见图1所示，一般是经振动筛、清洁器、离心机等五级钻井液固控净化系统，图1清洁器是现有的水力旋流除砂器及水力旋流式除泥器，因受粘度、密度增高的影响，根本就不能工作了。这是由于它们的工作原理是，由砂泵叶轮的高速运转使钻井液返回到地面，含有岩屑矿物质的钻井液产生的动力，使具有一定的射流速度的钻井液进入除砂器，在除泥器涡壳内高速旋转，从而产生离心力场，岩屑从钻井液中分离出来，有害的固相岩屑从底部蜗壳底流口排出。由于地层深部返回到地面的钻井液，它的密度及粘度都同时提高了很多。砂泵压力下降，水力射流速度降低。钻井液在除砂器除泥器蜗壳内旋转速度下降，离心力场建立不起来造成了除砂器及除泥器不起作用。由于钻井技术的提高，深层钻井装备制造由当初的直井眼钻探到
当前的新的钻井工艺，开窗口、斜井、定向井、水平井等多项钻井工艺，这时就要求干净、清洁、不含其它有害矿物质的钻井液。
[0005]
由于现有的钻井液固相控制方法达不到深层钻井工艺方案的技术要求，影响了深层钻井工艺的使用效率，本发明人通过不间断的探索，发明了最新适用于深层石油、天然气、页岩气勘探钻井工艺流程中的钻井液固相控制方法及控制系统。


技术实现要素：

[0006]
本发明提供一种深层钻探的钻井液固相控制方法及控制系统，其目的在于解决钻探地层深度7000米至9000米的钻井液固相控制存在的砂泵压力下降、水力射流速度降低、钻井液在除砂器除泥器蜗壳内旋转速度下降、离心力场建立不起来造成了除砂器及除泥器不起作用、难于控制的技术问题。
[0007]
本发明的技术方案是这样实现的：
[0008]
本发明提供一种深层钻探的钻井液固相控制方法，所述的控制方法是，对于地层深度在7000米至9000米之间的深层钻井工艺中，循环使用的深层钻井液的控制方法；所述的深层钻井液是采用加重的油基钻井液，钻井液中岩屑密度为不低于2.6，在油基钻井液中加入矿物质后使其密度不大于2.00，所述矿物质是重晶石粉或铁矿粉构成所述的深层钻井液，在钻井工艺中循环使用时，将所述深层钻井液进行四级固控分离，包括如下步骤：
[0009]
步骤一，将所述深层钻井液经过振动筛，清除部分固相颗粒，所述振动筛设置为200目筛网，清除粒度>74μm的岩屑；
[0010]
步骤二，将步骤一得到的深层钻井液，再通过变频式无级调速离心式钻井液清洁器分离，其中控制变频式电机频率在27hz至60hz之间，电机转速在779r至1776r之间，清除钻井液中粒度直径30μm-74μm的固相颗粒；
[0011]
步骤三，将步骤二得到的深层钻井液，进一步依次通过中速离心分离机、高速离心分离机分离彻底净化。
[0012]
优选所述的钻井液中岩屑密度为2.6，在所述的油基钻井液中加入矿物质后使其密度为2.00。
[0013]
所述的加重的油基钻井液粘度大于198s。
[0014]
优选所述的加重的油基钻井液粘度为220s。
[0015]
优选所述的加重的油基钻井液粘度为250s。
[0016]
本发明提供一种深层钻探的钻井液固相控制系统，主要包括振动筛、离心式钻井液清洁器、中速离心分离机、高速离心分离机；所述离心式钻井液清洁器包括差速器、螺旋沉降离心机、电机，所述螺旋沉降离心机包括转鼓总成及其内部螺杆推进器，所述转鼓总成包括钻井进液管，所述电机为变频电机；所述离心式钻井液清洁器连接所述变频电机后构成变频式无级调速离心式钻井液清洁器，所述的变频式无级调速离心式钻井液清洁器还包括平衡式防爆型变频器、电控装置；所述进液管的进液端设置钻井液进口，所述的钻井液进口为横向的扁口，所述扁口周围的锥形管壁上分布钻井液扩散口；所述变频电机通过平衡式防爆型变频器控制电机频率在27hz至60hz之间，电机转速在779r至1776r之间。
[0017]
所述的平衡式防爆型变频器是将变频器的发热器件安装在变频器机箱上设置的铝板上，所述变频器机箱设置出风口，所述出风口设置风机。
[0018]
所述的钻井液扩散口为圆形或椭圆形孔。
[0019]
发明的效果
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本发明针对钻探地层深度7000米至9000米的钻井液采用加重的油基钻井液粘度大于198s，密度不大于2.00，实现提高将悬浮破碎的岩屑携带返回到地面的能力；并通过变频无极调速离心式钻井液清洁器，控制相适应的电机频率在27hz至60hz之间、电机转速在779r至1776r之间，达到去除钻井液中直径30μm-74μm的固相颗粒；通过采用市场已广泛运用、操作方便、调速范围广、结构简单、体积小的交流变频器控制变频电机的频率、转速，通过调整转鼓不同的转速范围来实现机械旋转时增加非常强的离心力；本发明一台设备代替原来的两台除砂器除泥器设备，原两台55kw-4级电机现在由一台55kw电机代替，不仅省电，而且新的钻井液固相控制系统减少了占地面积，吸散热好，适用于石油、天然气、页岩气野外勘探作业要求。
附图说明
[0021]
图1是传统钻井液固相控制方法的钻井液净化流程示意图，
[0022]
图2是本发明钻井液固相控制方法的钻井液净化流程示意图
[0023]
图3是本发明变频式无级调速离心式钻井液清洁器的钻井液进液管结构示意图，
[0024]
图4是本发明图3的a向视图，
[0025]
图5是zl2018219349893离心式钻井液清洁器结构示意图；
[0026]
图6是变频器机箱散热结构示意图。
[0027]
附图编号说明：
[0028]
钻井液进液管1、钻井液扩散口11、钻井液进口12；螺旋沉降离心机2、转鼓21、连接端23、进料管24、外壳体3、排液口31、排渣口32、排液管33、排渣箱34、差速器4、齿圈41、锁紧装置5、驱动轮6、支撑平台7、电机8、输出轴9；风扇10、散热器101、铝板连接法兰12、铝板13。
具体实施方式
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本发明提供一种深层钻探的钻井液固相控制方法，所述的控制方法是，对于地层深度在7000米至9000米之间的深层钻井工艺中，循环使用的深层钻井液的控制方法；所述的深层钻井液是采用加重的油基钻井液，粘度大于198s，优选所述的加重的油基钻井液粘度为220s，或优选所述的加重的油基钻井液粘度为250s；钻井液中岩屑密度为2.6或2.6以上，在油基钻井液中加入矿物质后使其密度不大于2.00或优选为1.90或2.00，所述矿物质是重晶石粉或铁矿粉一起构成所述的深层钻井液，在钻井工艺中循环使用时，将所述深层钻井液进行四级固控分离参见图2所示，包括如下步骤：
[0030]
步骤一，将所述深层钻井液经过振动筛，清除部分固相颗粒，所述振动筛设置为200目筛网时，可清除粒度>74μm的岩屑；
[0031]
步骤二，将步骤一得到的深层钻井液，再通过变频式无级调速离心式钻井液清洁器分离，其中控制变频式电机频率在27hz至60hz之间，电机转速在779r至1776r之间，可清除钻井液中粒度直径30μm-74μm的固相颗粒；
[0032]
步骤三，将步骤二得到的深层钻井液，进一步依次通过中速离心分离机、高速离心分离机分离彻底净化。
[0033]
本发明变频式无级调速离心式钻井液清洁器替代了原有的除砂器、除泥器，从而改变了传统的钻井液固相控制方法及系统，通过调整转鼓在不同的转速范围来实现不同的钻井液固控的要求。
[0034]
所述的油基钻井液、重晶石粉或铁矿粉为本技术领域常用的传统的油基钻井液、重晶石粉或铁矿粉，在此不再赘述。
[0035]
本发明的一种深层钻探的钻井液固相控制系统，主要包括振动筛、离心式钻井液清洁器、中速离心分离机、高速离心分离机；参见图2、3、4、5所示，所述离心式钻井液清洁器包括差速器4、螺旋沉降离心机2、电机8，所述螺旋沉降离心机包括转鼓总成及其内部螺杆推进器，所述转鼓总成包括钻井进液管1，其特征在于，所述电机8为变频电机；所述离心式钻井液清洁器连接所述变频电机后构成变频式无级调速离心式钻井液清洁器，所述的变频式无级调速离心式钻井液清洁器还包括平衡式防爆型变频器、电控装置；所述进液管的进液端设置钻井液进口12，所述的钻井液进口12为横向的扁口，所述扁口周围的锥形管壁上均匀分布一圈钻井液扩散口11；所述变频电机通过平衡式防爆型变频器控制电机频率在27hz至60hz之间，电机转速在779r至1776r之间。参见图3、4、5所示。所述的钻井液扩散口为圆形或椭圆形孔。
[0036]
所述离心式钻井液清洁器是选用zl2018219349893的专利技术。
[0037]
所述的平衡式防爆型变频器是将变频器的发热器件安装在变频器机箱上见图6，通过连接法兰12连接在铝板13上，所述变频器机箱设置出风口、散热器101，所述出风口设置风机。散热器为外购件。通过散热器、风机、铝板13将变频器的发热器件的热量及时扩散排出防爆。参见图6。
[0038]
所述的变频式无级调速离心式钻井液清洁器以zl2018219349893的专利技术为基础做出了适合深层钻井液处理的改进，首先，将电机改为变频电机以适合无极调速，改进了钻井液进液管1的进液口形状为扁口及增加多个圆形或椭圆形钻井液扩散口11避免堵塞，改进了机箱散热结构，实现调整转鼓在不同的转速范围安全运转。
[0039]
依据钻井液工艺学基础，离心力场的基本特性，及斯托克斯定律(工业离心机手册)fr＝rn2/900原理。
[0040]
分离因素fr越大时，物料所受的离心力也越大，分离的效果也就越好。fr值的大小与离心机转鼓的半径r成正比。fr值的大小与转鼓的转速n的平方成正比。为了实现其目标，适应不同的钻井液的要求，我们调整转鼓在不同的转速范围来实现。采用市场已广泛运用，操作方便，调速范围广，结构简单，体积小的交流变频器，开发了吸散热好，适用于石油、天然气、页岩气野外勘探作业要求的平衡式防爆型变频器机箱，来满足变频无极调速离心式钻井液清洁器在各种转速下的技术要求。
[0041]
实施例
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我国电网通用频率标准50hz 380v，例如：我门使用4级55kw电机时，电机在50hz时，电机实际转速为1480r。当我们通过变频器调整输入电机频率到60hz时，电机的实际转速50hz/1480r＝60hz/x，电机的实际转速x＝1480*60/50＝1776r。当我们通过变频器调整转入电机频率是40hz时，电机的实际转速50hz/1480r＝40hz/x，x＝40hz*1480/50hz＝1184r；随着科学技术的进步，变频器在电机拖动领域得到广泛的应用。启动时可以从0——n转，启动平稳(特别适应于野外自发电系统)降低了电机启动电流，延长了电机的使用寿
命。电机在运行中比采用工频运行省电的优点，在运行中能够严格按照设计工况要求运行。
[0043]
变频无极调速离心式钻井液清洁器，设计紧凑，减少了设备的配套即原来的两台除砂器除泥器由本发明变频无极调速离心式钻井液清洁器一台设备代替两台。
[0044]
对于地层深度在7000米深层钻探，加重的油基钻井液粘度为220s，钻井液中加入矿物质后使其密度为2.00，钻井液中岩屑密度为2.6，变频电机的频率可以在35hz—42hz范围使用，变频电机的转速在1036r—1243r间运行时，可去除钻井液中直径>32μm的固相颗粒。
[0045]
对于地层深度在8000米深层钻探，加重的油基钻井液粘度为220s，钻井液中加入矿物质后使其密度为2.00，钻井液中岩屑密度为2.6，变频电机的频率是在32hz—42hz运行，变频电机的转速是在947r—1243r范围间运行，可去除钻井液中直径30-74μm固相颗粒。
[0046]
对于地层深度在9000米深层钻探，加重的油基钻井液粘度为250s，钻井液中加入矿物质后使其密度为2.00，钻井液中岩屑密度为2.6，变频电机的频率是27hz—38hz间运行，变频电机的转速在799r—1125r范围间运行，可去除钻井液中直径30-74μm固相颗粒。
[0047]
在使用过程中该变频式无级调速离心式钻井液清洁器有效的控制了钻井液的固相含量，可去除钻井液中直径30-74μm固相颗粒，达到并超过原砂泵、除砂器、除泥器的工作性能指标。原除砂器只能清除＞74μm的固相颗粒；除泥器只能清除＞44μm的固相颗粒。由于本发明具有分离能力高，分离粒度范围广，从而使钻井液中的固相含量得到了有效控制，提高了钻井速度，同时也减轻了下一级中速离心机的负荷，预防了中速离心机超负荷疲劳运转，使得中速离心机卡机抱死现象得以避免，减少了设备的磨损，并节约电能。