一种钻井液净化冷却循环系统及其工艺方法与流程

本发明涉及油田勘探领域，尤其涉及一种钻井液净化冷却循环系统及其工艺方法。

背景技术：

1、钻井液是石油钻井过程必不可少的循环流体，在钻井过程中起着清洁井底、携带岩屑、冷却和润滑钻头及钻柱、平衡井壁岩石侧压力、防止对油气层的污染和井壁坍塌、平衡(控制)地层压力、悬浮岩屑和加重剂、有效传递水力功率、承受钻杆和套管的部分重力、水力破碎岩石等作用，良好的钻井液性能是安全高效顺利钻进的重要保证。钻井液主要由液相、固相和化学处理剂等按照一定比例调配而成组成。液相可以是水、油或乳状液；固相包括膨润土、加重材料和部分未被清除干净的岩屑；化学处理剂包括无机化合物、有机化合物及高分子化合物等。钻井液主要性能参数有温度、密度、粘度、动切力、滤失量、ph值、固相含量、滤液各种离子浓度等，其中温度和固相含量对钻井液性能影响最为显著。

2、随着油田勘探开发的难度和深度不断增加，一方面深井、超深井、大位移水平井等特殊复杂结构进和特殊工艺井越来越多，几乎占到钻井总数的60％以上，对钻井液的性能要求也越来越高。井筒中返回到地面的含有大量岩屑的固液混合物必须通过地面固液分离设备进行充分净化，以满足钻井工艺对钻井液性能的要求。大量钻井实践表明，在钻井液中有害固相颗粒每减少1％，钻头寿命可延长7％以上，钻井速度可提高29％以上，而且特别是细小固相颗粒的存在对固控设备、钻井泵的易损件以及井下工具、仪器、油气层保护都有着巨大影响，因此地面固控设备尽可能多地将参与循环的钻井液中有害固相分离出来。目前钻井液主要循环净化处理流程是从井筒上返的固液混合物依次通过地面的两联三网振动筛、除砂器、除泥器、中速离心机等固控设备进行固液分离，然后通过钻井泵泵入井筒再次循环。这种工艺主要存在的问题是：(1)振动筛筛网数量少、目数不高，处理量不足，分离精度低，筛网易堵塞，存在“糊筛”、“跑泥浆”情况发生，处理后的钻屑等固相含液率高，钻井液损失严重；(2)除砂器、除泥器采用的是旋流分离原理，受到处理介质的密度、粘度、固相含量、流速等影响较大，性能极不稳定，在旋流器内部的摩擦导致岩屑更加细化，清除更加困难，砂泵能耗高，分离出来的底流固相含液率高达85％以上；(3)整个工艺流程复杂、能耗高、有害固相清除率低；(4)钻井液中较高的固相含量导致钻井泵等地面循环设备以及井下工具仪器的易损件寿命大为缩短，严重影响钻井过程的连续性和钻井速度，导致钻井成本显著增高。

3、另一方一些高温高压井等井下复杂情况的井数也逐年增多。深井、超深井的钻探过程中，由于地层温度随钻井深度增加而增高，一般每100m地温梯度为3℃，以6000～7000m深井为例，井底温度可达180～210℃或更高，我国四川盆地、新疆的塔里木盆地、准格尔盆地一些深部地层的温度高达200～260℃，过高的井底温度导致循环钻井液温度过高的难题日益突出。钻井液的塑性粘度随温度上升而下降，密度随温度上升而减小。温度越高，携岩性能越差，传递功率越小；温度过高，会对钻井液的滤失性和流变性造成影响，会使添加的钻井液处理剂材料和添加剂的化学性能发生改变，从而影响井壁稳定和机械钻速。另外，过高的温度还会对井下钻具及随钻测量仪器造成损害，大大降低其使用寿命，从而影响钻探成本、效率和钻井作业的安全性。目前井底上返的较高温度钻井液主要采取延长循环流程，返回地面的钻井液在地面循环系统中沿钻井液槽流动，与周围空气发生热交换而自然冷却降温。因此，加长钻井液槽的循环路线，可以在一定程度上达到冷却钻井液的目的。这种方法一般应用于钻井液排量不大、返回的钻井液温度不太高的情况。这种冷却方式完全受气候条件影响，对于深井、超深井和高温高压井效果不明显，无法达到安全钻井对循环钻井液温度的要求。

4、cn216043599u，公开了一种高温钻井液筛分冷却装置，包括设置在箱体顶部的排风扇与进液口，倾斜设置在箱体中上方的振动筛网，设置在振动筛网下方的冷却集液床，设置在箱体下方的换热器与制冷装置，设置在箱体两侧的振动机，设置在循环管线上的钻井液循环泵和冷凝液循环泵，设置在板式换热器进出口、制冷装置进出口及冷凝液循环管线上的温度传感器，设置在冷凝液循环管线上的流量控制阀。

5、cn110284845a,公开了一种钻井液强制冷却装置及低温循环钻井方法，一种钻井液强制冷却装置，包括载冷剂冷却系统和对流换热系统组成，载冷剂冷却系统与对流换热系统串联在装置中，一种钻井液强制冷却装置的低温循环钻井方法，采用了上述钻井液强制冷却装置将钻井液的入井温度控制在40℃～50℃之间，包括钻井液冷却循环和载冷剂冷却循环，本发明的钻井技术可解决井下超高温造成的钻井液循环温度超过井下工具的耐温极限的技术瓶颈，通过降低钻井液的入井温度，可有效降低钻井液循环温度，提高井下工具的工作寿命，是高温井安全、高效钻井的有效手段，也是钻井作业往更深发展的关键技术。

6、因此，有针对性的对油田勘探领域提供一种钻井液净化冷却循环系统及其工艺方法，为解决深井、超深井、大位移水平井以及高温高压井施工过程中钻井液固相控制效果差、有害固相清除率低、钻井液漏失严重、钻井液循环温度过高、地面冷却效果差等问题，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种钻井液净化冷却循环系统及其工艺方法，充分清除钻井液中有害固相，显著提高钻井液固相控制效果，以解决传统施工过程中钻井液固相控制效果差、有害固相清除率低、钻井液漏失严重、钻井液循环温度过高、地面冷却效果差等问题。

2、为达到上述目的，本发明的解决方法是提供一种钻井液净化冷却循环系统，包括：依次连接且头尾相连的一级净化循环装置、二级净化循环装置、深度净化循环装置、加重循环装置、钻井泵、井筒，所述加重循环装置与冷却装置连接；优选地，所述一级净化循环装置、二级净化循环装置之间通过第一阀门连通管连接，二级净化循环装置、深度净化循环装置之间通过第二阀门连通管连接，所述深度净化循环装置和所述加重循环装置之间通过第三阀门连通管连接，钻井泵、井筒之间通过高压管线连接，所述井筒、一级净化循环装置之间通过导流管连接。

3、进一步地，所述一级净化循环装置包括：1号罐、三联五网振动筛、真空除气冷凝装置、第一搅拌器，所述1号罐分为相互连通的振动分离仓和真空除气仓，所述三联五网振动筛安装在振动分离仓罐面，真空除气冷凝装置和第一搅拌器安装在真空除气仓罐面；优选地，所述三联五网由三个单台振动筛并联安装在一个底座上，每个单台振动筛使用的是五张板式复合筛网，根据钻遇地层及钻井液性能，采用不同目数的筛网组合方式。

4、进一步地，二级净化循环装置包括2号罐、第二搅拌器、低速大排量离心机、第一海底阀、第一插板阀、第三搅拌器、中速离心机，2号罐分为低速离心分离仓和中速离心分离仓，低速离心分离仓和中速离心分离仓之间通过第一插板阀和第一海底阀连通或断开，第二搅拌器、低速大排量离心机设于低速离心分离仓罐面，第三搅拌器、中速离心机设于中速离心分离仓罐面；优选地，低速大排量离心机主要参数范围：滚筒直径为800-1000mm，滚筒转速为900-1200r/min，处理量为100-120m3/h，分离粒度为10-15μm，功率为75-90kw；所述中速离心机主要参数范围：滚筒直径为450-500mm，滚筒转速为1700-2200r/min，处理量为60-80m3/h，分离粒度为5-10μm，功率为45-55kw。

5、进一步地，深度净化循环装置包括3号罐、第四搅拌器、高速离心机、第二插板阀、第二海底阀、冷风机组、第五搅拌器、第六搅拌器，3号罐分为高速离心分离仓和过渡仓，所述高速离心分离仓和过渡仓之间通过第二插板阀、第二海底阀连通或断开；第四搅拌器、高速离心机设于高速离心分离仓罐面；第五搅拌器、第六搅拌器、冷风机组设于过渡仓罐面；优选地，所述高速离心机主要参数范围：滚筒直径为400-450mm，滚筒转速为2600-3200r/min，处理量为40-60m3/h，分离粒度为3-5μm，功率为37-45kw。

6、进一步地，所述冷风机组为轴流式冷风机组成，所述轴流式冷风机的数量为6-8个。

7、进一步地，所述加重循环装置包括：4号罐、第七搅拌器、第三海底阀、第三插板阀、第八搅拌器、射流混浆装置、1号加重泵、2号加重泵、管汇，4号罐分为混浆仓和钻井泵吸入仓，混浆仓和钻井泵吸入仓之间通过第三海底阀和第三插板阀连通或断开，第七搅拌器安装在钻井泵吸入仓罐面，第八搅拌器、射流混浆装置、1号加重泵、2号加重泵、管汇设于混浆仓罐面或罐端面，所述射流混浆装置、1号加重泵、2号加重泵分别与管汇连接，管汇与冷却装置连接，所述1号加重泵、2号加重泵吸入钻井液后通过管汇进入射流混浆装置和\或冷却装置中。

8、进一步地，冷却装置包括：设于支座上且相互连接的第一冷热交换装置、第二冷热交换装置和制冷机，所述第一冷热交换装置上设有出液管线，所述第二冷热交换装置上设有进液管线，所述出液管线与钻井泵吸入仓连接，所述进液管线与管汇连接；优选地，所述支座上还设有自动控制柜。

9、进一步地，所述第一冷热交换装置、第二冷热交换装置之间设有制冷剂中间连通管、钻井液连通管线，所述第二冷热交换装置通过制冷剂输入管线与制冷机连接，所述第一冷热交换装置通过制冷剂返出管线和制冷剂吸入管线与制冷机连接，所述出液口管线上设有出液阀门、出液温度传感器，所述进液管线上设有进液温度传感器、进液流量计，所述制冷剂返出管线上设有制冷剂流量计、制冷剂温度传感器、制冷剂吸入阀门、制冷剂循环泵、制冷剂排出阀门；优选地，所述第一冷热交换装置、第二冷热交换装置结构一致，包括：设备外壳和设于设备外壳内的u形管、蛇形管，蛇形管环绕于u形管且头尾与u形管内部连通，所述设备外壳内用于流通钻井液，所述u形管、蛇形管用于制冷剂的流通，所述第一冷热交换装置、第二冷热交换装置内钻井液通过钻井液连通管线流通。

10、一种钻井液净化冷却循环系统的工艺方法，井筒内含有钻屑、钻井液等固液混合物循环上返至地面，输送到一级净化循环装置进行初步的全流量固液分离和净化，再依次通过二级净化循环装置、深度净化循环装置进行固液分离和深度净化，分离之后液相进入加重循环装置再使用钻井泵将钻井液泵入到井筒内。

11、进一步地，当井筒内的固液混合物具有高温时，进行降温处理：深度净化循环装置将分离的液相进入过渡仓，再通过冷风机组进行钻井液初步降温，利用加重泵再将初步冷却后的钻井液泵入冷却装置内，使得钻井液与制冷剂进行充分的热交换，降温后钻井液自然流动到钻井泵吸入仓，再通过钻井泵泵入到井筒内。

12、本发明优点：

13、1)是采取三联五网振动筛取代传统的两联三网振动筛对井队上返的钻井液进行全流量固液分离和首级净化，不会发生跑浆和糊筛网现象发生，固相清除率高，大大提高首级净化的效果，减轻后续设备负担，降低了排出固相废弃物的含水率；

14、(2)采用大排量低速离心机替代使用效果差、分离出固相含水率高的旋流除砂器、除泥器，能够有效清除钻井液循环系统中大量细小有害固相，显著降低排出固相含水率，大大提高钻井液回收率，而且降低了能耗、提高了可靠性；

15、(3)整个净化循环系统工艺流程简单，系统易损件寿命长，可靠性高，有害固相清除率高，固相控制效果好，提高钻井速度，降低钻井成本；

16、(4)将钻井液冷却装置旁通安装加重循环装置一侧，直接使用现有的加重泵，无需另配大功率的供浆泵，降低冷却系统的能耗；

17、(5)采用无需冷却剂的冷风机组对完全净化之后的钻井液进行初步强制风冷，进一步采用制冷剂的两级串联冷热交换装置进行进一步降温，钻井液降温速度快，热交换效率高，不堵塞、不渗漏，流程简单，使用寿命长；

18、(6)将钻井液循环净化、固相控制与钻井液冷却高度融为一体，能满足各种地层钻探对钻井液性能的要求，系统结构紧凑、占地面积小，适用范围广；

19、(7)自动化程度高，劳动强度轻、安装维护保养简单，无需额外增加人员，符合健康、安全、环保要求。