CN101245695A

CN101245695A - 钻井液钻屑干式分离机

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Publication number: CN101245695A
Application number: CNA2007100845351A
Authority: CN
Inventors: 刘剑雄; 刘乔珊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2008-08-20

Abstract

本发明钻井液钻屑干式分离机涉及用于油田及矿山钻井过程中的钻井液钻屑干式分离机制造技术领域。目前为了完成钻井液与钻屑分离，用两台平面振动筛、一台除砂机、一台除泥机及一台离心机。本发明的特征为：由向上碗状不锈钢筛网总成、进料喇叭口、上部钻屑排出口、下部钻井液排出口、顶部废气排出口和振动甩干机构成，两台并列安装在拖撬上，钻井液从下部排出口排出，总钻屑含量小于0.3％；所有直径大于0.076mm的钻屑到达外筒上部从钻屑的排出口排出，检查钻屑的干燥程度，调整分离机的转速，转速越快钻屑越干燥。达到节约钻井液材料成本，减少废钻井液排放，符合钻屑干式回收，符合环保部门对钻井生产零排放的要求。

Description

钻井液钻屑干式分离机

技术领域：

本发明涉及用于油田及矿山钻井(以下简称钻井)过程中的钻井液钻屑干式分离机(以下简称分离机)制造技术领域。

背景技术：

在钻井过程中，在钻井液连续循环携带下，钻头不断破坏岩石所产生的碎屑(以下简称钻屑)被连续不断地带出井口，这时及时快速把钻屑(有害固相)从钻井液中分离出来就成为当务之急。根据钻井井下安全工作状况的需要，要求被泵入井内的钻井液钻屑含量尽量少，本发明人对从井口直接返出钻井液中所分离出的钻屑进行分析，见表2，表3及图1-1至图1-21，目前一般要求在钻井液中的残余钻屑含量(体积比)小于0.3％，其颗粒直径小于0.076mm(76μm)。

目前现场一般所采用的分离方法采用如下步骤：

1.传统上用两台振动筛首先去除直径大于0.3mm的较粗钻屑；也有双层筛网的先进振动筛去除直径大于0.2～0.17mm的较粗钻屑；最先进的有三台振动筛，始终保持两台完好运转，一台备用；

2.漏斗式除砂机，主要去除直径大于0.1mm的较粗钻屑；

3.漏斗式除泥机，主要去除直径大于0.076mm的较细钻屑；

4.离心机(根据具体情况间歇式运行)，去除直径大于0.01mm的较细钻屑和其他固相成分。

上述目前工作方法的主要缺点有下面四个：①环保压力大，在除去钻屑的同时，也不可避免地带走了一些钻井液并用大量清水冲洗带走，在陆地钻井队，需要挖一个体积为1000～2000立方米的大池子来临时存放这些含有大量钻井液、污水和钻屑，给后期处理带来巨大压力，为了防止污染井场附近地下水，现在应环保部门的要求在刚挖好的新池子内壁和底部铺垫了一层防止渗漏的工程布或者摸一层水泥进行防渗漏处理，在钻井生产中每天把产生的钻屑、废钻井液和污水专门用水泥罐车运到其他地方进行处理；在海上钻井施工，则选用经环保部门认可的可以排放的无毒钻井液，钻屑(含油钻屑外)、废钻井液用海水一起冲洗排放到海里。②根据现场测量，在除去钻屑的同时，每天不可避免地带走10～15立方米钻井液，当钻井液的粘度升高、尤其是当钻遇油气显示层使得钻井液中含有大量气泡时，则在振动筛前就会有更多的钻井液跑掉，造成很大的直接成本浪费。③当不锈钢筛网上面被钻井液覆盖面积大于三分之二时，就需要更换孔径大一些的不锈钢筛网，以避免钻井液跑掉，这样一来去除钻屑的效果就差一些。④振动筛前的钻井液飞沫给现场造成不好的工作环境和卫生条件。

发明内容：

钻井液是钻井的血液，钻井液的循环就和人的血液循环一样重要，所以，近几年来，钻井技术的进步，钻井速度的提高有很大一部分是由于钻井液原料成本的投入和技术的提高分不开的，表1是海上一口井的钻井液消耗材料计划。

该井为设计完钻井深2960米，为一至三开进入古潜山完钻的井，根据表1，配制钻井液的固相成分主要为直径小于0.076mm的重晶石(BaSO₄)、青石粉(CaCO₃)及直径小于0.048mm搬土等造浆粉。

根据测算，每1立方米钻井液原料成本为1000～2000元，当设计井深大于4500米时需要使用抗高温钻井液，则钻井液材料成本更高一些。

随着环保工作力度的加强，逐步要求钻井作业施工零排放，首先要求钻屑完全回收，则采取原来的传统办法，工作难度很大。

本发明所要解决的技术问题是提供一种能克服上述工作缺陷，对随钻井液上返到井口的混合钻屑颗粒，进行连续自动分离、脱浆、干式钻屑排出的全过程，可以在排出口进行装袋便于装运回收，做到钻井液完全回收再进入循环利用，为钻井施工过程零排放，走出坚实的第一步！

解决该技术问题采用的技术方案是：跳出原来的钻井液与钻屑分离的步骤方法，重新设计研制分离机，主要用于清除钻井液中直径大于≤0.076mm的钻屑，钻井不锈钢液完全回收利用进入再循环，而排出口排出的钻屑基本不含钻井液，不锈钢筛网架总成安装在不锈钢外筒内不会有液体渗出，这就是钻井液钻屑干式分离机；其形状结构为：主要由向上喇叭口状不锈钢筛网总成、进料

_______井钻井液消耗材料计划表表1

代号	名称	用量(吨)
代号	名称	用量(吨)	Na₂CO₃	纯碱	5
HZPF	海水造浆粉	20	Na₂CO₃	纯碱	5
HZPF	海水造浆粉	20	HV-CMC	高粘羧甲基纤维素钠盐	2
PAC-141	复合离子型聚丙烯酸盐	2.5	HV-CMC	高粘羧甲基纤维素钠盐	2
PAC-141	复合离子型聚丙烯酸盐	2.5	SR-1	抗钙高温高压降滤失剂	5
	天然高分子降失水剂	6	SR-1	抗钙高温高压降滤失剂	5
	天然高分子降失水剂	6	K-PAM	聚丙烯酸钾	2.5
MHP	无荧光防塌剂	8	K-PAM	聚丙烯酸钾	2.5
MHP	无荧光防塌剂	8	SP-851	无荧光消泡剂	2
NaOH	氢氧化钠	6	SP-851	无荧光消泡剂	2
NaOH	氢氧化钠	6	BaSO₄	加重剂	80
CaCO₃	青石粉	100	BaSO₄	加重剂	80
CaCO₃	青石粉	100	聚合醚		8
QS-2	超细碳酸钙	5	聚合醚		8
QS-2	超细碳酸钙	5	NPAN	水解聚丙烯腈铵盐	3
XC	生物聚合物	1.5	NPAN	水解聚丙烯腈铵盐	3
XC	生物聚合物	1.5		复合堵漏剂	5

说明：备用材料另外准备.

喇叭口、上部钻屑排出口、下部钻井液排出口、顶部废气排出口和振动甩干机构成。其形状结构：①经特殊加工处理的四层筒状不锈钢筛网安装在特制的网架总成上，不锈钢筛网架总成的底盘与分离机相联系，底盘中央安装锥形导流叶轮，转速n3～20转/秒；不锈钢筛网架朝上喇叭式开口，由内向外，孔径分别为(图5～6)：3.86mm，0.61mm，0.216mm，0.076mm，各层网的开口角度α(网的坡面与中心轴的夹角)分别为15～25度组合安装，网架最外边直径1480mm，网架最里边直径800mm，网架高度505mm，网架总成安装在离心甩干机内，②甩干机总成包括不锈钢外筒、30千瓦立式防爆无级调速电机、7.5千瓦防爆振动机、传动连接轴承、机底部为三角式减振底座，连同所有的配件都安装在一个宽2.1米，长2.5米的底座拖撬上，若为两台分离机一起安装，则底座拖撬总长为5.0米；③甩干机不锈钢外筒外径1600mm，外筒高度650mm，在505～620mm有一个115×200mm的钻屑排出口，④外筒底部靠近外沿与外筒连接处有一个直径250mm钻井液排出口，⑤外筒上部为直径1610mm的盖板，中心为混合钻井液进口，为圆锥型双喇叭口，上喇叭口开口直径780mm，下倒喇叭口开口直径700mm，上、下喇叭口中间的细脖子直径277mm，距离网架底盘面60mm，⑥在钻井液进口外侧的盖板上有直径100mm高度2米的废气排出口。所有电机及其控制开关均为防爆电器，两台分离机并列安装的外形尺寸长5米，宽2.1米，高1.8米(不含废气排出口)，总重量约8000千克。

所有被四层网分别截留的钻屑，在离心力作用下获得沿网框坡面向上的分力由下向上进行螺旋式上升运动，在上升的过程中，某一个颗粒质点M可以有流动，滑动，滚动，跳动等几种运动形式，在上升的过程中，首先离开钻井液相区，继续往上升，随着旋转半径的加大，离心力也随着加大，依次把在其表面吸附较细颗粒、泥团、泥饼、泥膜等甩掉，这样，到达上部不锈钢外筒钻屑排出开口处排出时，就基本上为很干净的钻屑，不含有钻井液体了。

本发明与现有技术相比有如下优点：①连续干式除去钻井液中的钻屑，其中孔径3.86mm，0.61mm，而且其强度也较大的不锈钢筛网截留了90％的钻屑，从而保护了孔径0.216mm，0.076mm，而且强度也小的不锈钢筛网只截留10％的钻屑，提高了单位面积不锈钢筛网的使用效率，同时有强度大的不锈钢筛网在下方进行保护，延长了不锈钢筛网的使用寿命，废气从盖板上方的排空管排走。②本发明的分离机核心部件被密封在不锈钢筒内，不会有钻井液滴和飞沫到处飞溅，现场干净卫生。③钻屑排出基本上为很干净的钻屑，不含有钻井液体，便于装运回收，达到减量排放，保护环境的目的。④钻井液通过外筒的排出口排出直接进入再循环系统，没有钻井液的外泄，达到既节约了成本又保护环境的双重目的。⑤可以根据钻屑排出口处取样观测其干燥程度，及时调整分离机的转速(无级调速)，分离机的转速越高，钻屑越干燥，当用手抓握能成团，放下能散开为准，避免了由于钻井液粘度提高或含气泡而跑钻井液的情况发生。⑥提高钻井生产的综合经济效益。

附图说明：

图1-1至图1-21钻屑粒度分析图，为根据表1的分析数据绘制的曲线图。

图2为本发明钻井液钻屑干式分离机纵向剖面示意总图：1原始钻井液入口，2钻屑出口，3钻井液出口，4盖子，5上下喇叭口总成，6直径100mm的废气排空管，7导流锥及叶片总成，8网架总成，9防爆调速电机、防爆振动机、传动、及不锈钢外筒总成，10拖撬宽2100mm，长50000mm

图3不锈钢网架总成剖面图，本图是对图2的局部细化，A：A组不锈钢筛网含上、下两层不锈钢筛网；B：B组不锈钢筛网含上、下两层不锈钢筛网；7-2支撑柱子φ50×6钢管；7-3倒喇叭导流板到B组含下层不锈钢筛网的下部约200毫米高处，与轴线夹角3度。

图4网架总成顶部固定大圆环俯视平面图，7-1顶部网架固定大圆环，钢板厚度8毫米，专门为B组不锈钢筛网钻屑出口的八个开孔；7-2支撑柱子φ50×6钢管；7-4底部网架固定圆盘，钢板厚度10毫米；7-5专门为B组不锈钢筛网钻屑出口的八个开孔。

图5A：A组不锈钢筛网经向剖面示意图，比例尺相当于图2的两倍，7-5上、下框粗钢筋φ12，在与经向钢筋联结的上(或下)有φ8深6的定位孔；7-6经向钢筋φ10，与轴线夹角15～20度，在圆周方向上每22.5度布置一根共十六根；7-7下层不锈钢筛网孔径φ0.61，上、下层不锈钢筛网的间隙30mm；7-8上、下层纬向钢筋φ10，各三条纬向钢筋；7-9上层不锈钢筛网孔径φ3.86；7-10下层不锈钢筛网的保护网孔径φ2.2；7-11增加上、下层网间空间的附加纬向钢筋φ10。图6B：B组不锈钢筛网经向剖面示意图，比例尺相当于图2的两倍，7-5上、下框粗钢筋φ12，在与经向钢筋联结的上(或下)有φ8深6的定位孔7-6经向钢筋φ10，与轴线夹角20～25度，在圆周方向上每隔22.5度布置一根共十六根；7-8上、下层纬向钢筋φ10，每层三条纬向钢筋；7-10下层不锈钢筛网的保护网孔径φ2.2；7-11增加上、下层网间空间的附加纬向钢筋φ10；7-12上层不锈钢筛网孔径φ0.216；7-10上层不锈钢筛网的保护网孔径φ2.2；7-13不层不锈钢筛网孔径φ0.076。

图7A组与B组下层不锈钢筛网面的局部结构图：从内往看表现为弧状倒等腰梯形小振动筛，共64个，图中空心箭头表明筛面上，大于不锈钢筛网孔径的钻屑可能的运动方向纬向：a随钻井液越过边框架跌落到上、右和右上方的小筛子上，b沿上、右两个边框与筛面的夹角滑动到右上角直径为φ6的逃逸小孔进入右边的小筛子上。而细粒的钻屑则随钻井液直接通过不锈钢筛网。小筛子上、下边各为钢筋周长的十六分之一，边框高度10毫米，左、右斜边各为经钢筋长的四分之一，边框高度20毫米；7-15角直径为φ6的逃逸小孔，方向平行于纬向钢筋，孔底位于网面上方2毫米，要求边框接触不锈钢筛网面的结点焊接平整，磨光。

图8质点M在旋转筛面上的力学分析图，Z旋转轴及方向，L不锈钢筛网面剖面线，F₁重力，F₂离心力，F₃合力，P₁沿不锈钢筛网面的上升分力，P₂对不锈钢筛网面正压分力，α不锈钢筛网面与轴线的夹角，即不锈钢筛网架喇叭口的开口角，γ合力F₃与L的夹角，β离心力F₂与合力F₃的夹角，7-13B组下层不锈钢筛网孔径φ0.076。

图9质点M在逐渐加大筛面倾斜角θ的分析图，F₁重力，P₂对不锈钢筛网面正压分力，P₃沿不锈钢筛网面的下滑分力，当由水平逐渐加大倾斜角θ时，在筛面上的钻屑颗粒开始向下滚动，7-13B组下层不锈钢筛网孔径φ0.076。

图10在水平筛面上的沙漏分析图，θ′沙漏最大倾角7-13B组下层不锈钢筛网孔径φ0.076。

图11在逐渐减小筛面倾斜角θ″的沙漏分析图，当倾斜角逐渐减小，沙漏钻屑在筛面上发生停留时的筛面倾斜角θ″，7-13B组下层不锈钢筛网孔径φ0.076。

具体实施方式：

一、分别制造底座拖撬、防爆调速电机及传动总成(含不锈钢外筒及盖子)、网架总成、导流锥总成、喇叭口(上及下)总成及盖子等。装配时所有与旋转有关的配件要求保持同心轴以减小不必要的振动，调节好导流锥与喇叭口之间的间隙以达到对钻井液最佳的导流加速效果，同时使得钻井液尽量以较快的速度到第一层达筛网的下部。如附图2所示。

二、多层粒度分选不锈钢筛网架总成(简称网架总成)：这是本发明的核心部分，如附图4至附图7所示，要求倒等腰梯形的四个角的焊接保持平整防止磨破筛网。根据表2和3；图1-1至1-21、图2、图8至图11：发现钻屑颗粒直径φ＞0.61mm占90％左右，从最大直径21.76mm，最大重量2.392克，到直径只有0.054mm及更小的粉尘，重量小于0.00000001克，直径相差400多倍，重量差23920000多倍！分选差，可以说是泥沙俱下，所以采用四层孔径不同的不锈钢筛网从自内到外按大网格不锈钢筛网、中网格不锈钢筛网、小网格不锈钢筛网顺序排列，构成多层粒度分选不锈钢筛网。对于网架喇叭口的开口角度α，我们进行了认真细致的分析研究。

三、分离机工作原理：当分离机开机运转正常后，打开进口开关，混合钻井液在倒喇叭口处进入网架托盘导流锥离心力的作用下逐渐加速到达第一层网，直径大于3.86mm的钻屑被截留；所有直径小于3.86mm的钻屑和钻井液迅速通过并进入A组下层网，直径大于0.61mm的钻屑被截留；所有直径小于0.61mm的钻屑和钻井液迅速通过并得到加速后甩向(导流板)B组上层网，直径大于0.216mm的钻屑被截留；所有直径小于0.216mm的钻屑和钻井液迅速通过并进入B组下层网，直径大于0.076mm的钻屑被截留；所有直径小于0.076mm的钻屑和钻井液迅速通过到达外筒，从钻井液的排出口排出，总钻屑含量小于0.3％；所有直径大于0.076mm的钻屑到达外筒上部，从钻屑的排出口排出，检查钻屑的干燥程度，调整分离机的转速，转速越快钻屑越干燥；废气从上方直径100mm的排空管排走。

附一、公式推导及参数的选择：

图8所示，质量为m克的质点M在与旋转轴Z相交成夹角α的筛面上，设Z垂直与水平面，逆时针旋转，角速度ω＝2πn，n单位转/秒，旋转半径r，单位米。则力学分析：F₁为质点M所受的重力＝mg，g为重力加速度；质点M所受的向心力(向心力与离心力大小相等，方向相反)＝mrω²，F₂为离心力，其方向垂直Z沿水平面向外，图中水平向右；根据力学四边形分析原理，合力

F_{3} = \sqrt{{F_{1}}^{2} + {F_{2}}^{2}}

方向与F₂ ²的夹角β＝arctg F₁/F₂；沿筛面向上的分力P₁与合力的夹角γ＝90°-α+β，则

P₁＝F₃cosγ

显然，如果ω较小，则γ就较大，当γ＞90度时，P₁为负数，说明钻屑只能下降而不能上升。

即P₁＝F₃cos为便于计算，取g＝10米/秒²化简得沿筛面向上升的分力公式(F₁/F₂＝mg/mrω²＝0.2533/rn²)

同样可得筛面正压力公式

P₁反映了质点M可以沿筛面向上升的能力，显然，如果ω较小，则γ就较大，当γ＞90度时，P₁为负数，说明钻屑只能下降而不能上升。

P₂反映了质点M对筛面的正压力，显然，质点M的直径小于所在筛面网孔直径时，则反映了质点M将随钻井液迅速通过所在筛面网的能力。

上升参数K＝P₁/P₂…………………………………………………………(3)

把公式(1)(2)代如(3)得另一表现方式K＝ctg γ

图9所示，大于筛面网孔直径的干燥钻屑颗粒被平放在筛面，当逐渐加大筛面的倾角θ，使得钻屑颗粒由静止状态开始发生滑动或滚动，这时把倾角θ定义为钻屑颗粒在筛面上的临界稳定角(表2)，当筛面的倾角大于θ时，干燥钻屑颗粒将发生向斜下方滚动或滑动，则

临界系数k＝tgθ …………………………………………………(4)

图10所示，当把一定颗粒直径(≥0.61mm)的钻屑放在漏斗内垂直往下自由漏沙到水平筛面上时，可以形成一个锥形沙堆，沙堆的斜边与水平面的夹角θ′，这时把倾角θ′定义为钻屑颗粒在水平筛面上的沙漏临界平面锥稳定角(表3)。

图11所示，当把一定颗粒直径(≥0.61mm)的钻屑放在漏斗内垂直往下自由漏沙到倾斜的筛面上，同时使筛面的倾角由θ′逐渐减小，一直到钻屑能停留在筛面上时，这时把倾角θ″定义为钻屑颗粒在倾斜筛面上的沙漏临界动平衡稳定角(表2)。

根据上述试验得出：θ′＞θ＞θ″……………………………………(5)

对于粒径≥0.61mm，θ′20～36度，平均32.4度；θ17.5～20度，平均18.3度；θ″14～17.6度，平均15.3度；

对于粒径＜0.61mm，θ′32.5～37度，平均35.8度；θ22～26.7度，平均22.8度；θ″17.5～20.5度，平均18.2度；

A与B组网架α的选择设计：1，当α＜θ″时，钻屑颗粒将在筛面上堆积，发生沉积现象，影响分离效果；

2，当α＞θ′时，钻屑颗粒将快速逃离筛面，来不及甩干，同时有一起甩走钻井液的可能；

3，当α在θ′～θ″时，选取合适的数值，既能够使钻屑颗粒离开分离机时比较干燥，这就是我们对钻屑颗粒进行大量的分析的目的，也是本发明的关键参数。

对比公式(3)、(4)、(5)发现，当暂时不考虑钻井液对钻屑颗粒的润滑、蠕动和振动效应(使钻屑颗粒变得更容易滚动)，则只要满足

P₁/P₂＞tgθ…………………………………………………………………(6)

钻屑颗粒在旋转、振动并向上呈角α喇叭口形的筛面上将发生向上的螺旋上升运动直到从网架上部被甩走离开分离机。

例子1：在A组筛面上设m＝1克＝0.001千克，直径10mm，n＝10转/分，α＝20度，r＝0.5米，从表2查得θ₁＝18.3度，代入(1)(2)计算得(总合力F₃＝1.9739牛顿)：

P₁＝0.66571牛顿

P₂＝1.85826牛顿

P₁/P₂＝0.35824，tgθ₁＝0.33072，满足公式(5)的条件，说明该处质点M可以沿筛面向上升。

在B组筛面上设m＝0.0007克＝0.0000007千克，直径0.60mm，n＝10转/分，α＝25度，r＝0.6米，从表2查得θ₂＝22.8度，代入(1)(2)计算得(总合力0.00166牛顿)：

P₁＝0.00069牛顿

P₂＝0.00151牛顿

P₁/P₂＝0.4570，tgθ₂＝0.4204，满足公式(6)的条件，说明该处质点M可以沿筛面向上升。

Claims

1. 钻井液钻屑干式分离机本发明涉及用于油田及矿山钻井(，以下简称钻井)过程中的钻井液钻屑干式分离机(以下简称分离机)制造技术领域。目前为了完成钻井液与钻屑的快速分离工作，使用两台平面振动筛、一台除砂机、一台除泥机及一台离心机。本发明的特征为：钻井液钻屑干式分离机由碗状不锈钢筛网总成、进料喇叭口、上部钻屑排出口、下部钻井液排出口、顶部废气排出口和振动甩干机构成，每台分离机的处理量30升/秒，两台并列安装在一个长5000mm，宽2100mm的拖撬上，能够满足一个钻井队的正常钻井队对从井口返出的钻井液中快速分离出直径大于0.076mm钻屑的要求，可以替代目前正在使用的两台振动筛、一台除砂机的工作，并部分替代一台除泥机及一台离心机的工作。

2. 根据权利要求1所述的钻井液钻屑干式分离机，其特征是碗状不锈钢筛网总成经特殊加工处理的由内向外A组两层和B组两层共四层碗状不锈钢筛网安装在特制的网架总成上，其中A组下层的下面和B组两层的下面又各有一层孔径2.2mm不锈钢筛网，合计7层不锈钢网，不锈钢筛网架总成的底盘与甩干机相联系；碗状不锈钢筛网朝上喇叭式开口，由内向外，孔径分别为(图5～6)：3.86mm，0.61mm，0.216mm，0.076mm，各层网的开口角度α(网的坡面与中心轴的夹角)分别为15～25度组合安装，网架最外边直径1480mm，网架最里边直径800mm，网架高度505mm，网架总成安装的底盘中央安装有直径680mm，高度350mm并装有四个叶片的导流锥。

3. 根据权利要求1所述的钻井液钻屑干式分离机，其特征是甩干机总成包括不锈钢外筒、30千瓦立式防爆无级调速电机，转速n3～20转/秒、7.5千瓦防爆振动机、传动连接轴承、甩干机底部为三角式减振底座，连同所有的配件都安装在一个宽2100mm，长2500mm的底座拖撬上，若为两台分离机一起安装，则长2.5米的底座拖撬总长为5000mm。