【正文】 且分離粒度的間距要適當(dāng)，有一定的重疊，使上一級固控設(shè)備處理不完全的較小顆粒在下一級固控設(shè)備中仍可被處理。圖4　鉆井液固控系統(tǒng)流程井口返出鉆井液通過管線可分別或同時輸送到各振動篩，經(jīng)過振動篩處理后進(jìn)入沉砂倉；從沉砂倉溢流出來的鉆井液經(jīng)過泥漿槽進(jìn)入除砂倉；除砂器處理后的泥漿進(jìn)入除泥倉，除泥器處理后的泥漿經(jīng)過泥漿槽進(jìn)入離心機(jī)倉；離心機(jī)處理后的泥漿經(jīng)過泥漿槽進(jìn)入鉆井液吸入倉，由鉆井泵重復(fù)泵入井內(nèi)循環(huán)使用。國內(nèi)鉆井液固控系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)及主要內(nèi)容：（1） 優(yōu)化的目標(biāo)以滿足鉆井工藝流程為基礎(chǔ)、設(shè)備投入和運(yùn)行成本最優(yōu)化為目標(biāo)，使系統(tǒng)具有合理的流程、較強(qiáng)的鉆井液處理能力。同時，在固控系統(tǒng)的系列化過程中，堅(jiān)持設(shè)備匹配合理化，主要功能構(gòu)件和零部件模塊化，產(chǎn)品系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、環(huán)保化，得到一套科學(xué)、簡潔、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、可操作性強(qiáng)的固控系統(tǒng)系列配套技術(shù)方案。 模塊化模塊化的含義包括功能的模塊化(能形成標(biāo)準(zhǔn)化的鉆井液補(bǔ)給模塊、固相凈化模塊、材料添加混合模塊、鉆井液檢驗(yàn)/吸入模塊和鉆井液儲備模塊)；固相控制設(shè)備、輔助設(shè)備、電器電路的模塊化；對人行通道、護(hù)欄、上下梯子以及罐體設(shè)計的模塊化。以形成標(biāo)準(zhǔn)的模塊配置，便于快捷安裝、拆卸、維修和更換，適應(yīng)不同地域用戶的需求。如對循環(huán)罐設(shè)計的模塊化，使每個罐之間都有標(biāo)準(zhǔn)的快捷接口裝置，各罐之間既相互獨(dú)立又可相互聯(lián)通，可按需求進(jìn)行組合、配套、增減罐的數(shù)量。 系列化指固控系統(tǒng)在大小，規(guī)格，適應(yīng)不同的地質(zhì)條件、地理?xiàng)l件、工況條件等方面的系列化、個性化的要求，便于用戶根據(jù)鉆機(jī)的型號和需求選配固控系統(tǒng)。模塊化和系列化的研究對于固控設(shè)備的制造和使用方都能起到節(jié)約成本、方便實(shí)用的作用，并可促進(jìn)固控系統(tǒng)行業(yè)的健康發(fā)展。 設(shè)備匹配合理化在進(jìn)行系列化優(yōu)化方案設(shè)計的同時，進(jìn)行設(shè)備匹配合理化研究，根據(jù)鉆機(jī)型號、使用功能等因素優(yōu)化流程，合理選擇固控設(shè)備，使其既不浪費(fèi)財力、物力又能達(dá)到最佳的處理效果。 通用化 在總結(jié)現(xiàn)場安裝及制造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過采集實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)和用戶反饋信息，確定出設(shè)備合理統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式、接口尺寸和快捷方便的連接方式，實(shí)現(xiàn)固控系統(tǒng)系列產(chǎn)品之間的互換性和統(tǒng)一性。 標(biāo)準(zhǔn)化制定出一整套標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)設(shè)計，形成標(biāo)準(zhǔn)化零部件產(chǎn)品，并由此建立一套行業(yè)專業(yè)鉆井液固相控制系統(tǒng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。如固控系統(tǒng)配套標(biāo)準(zhǔn)、固控系統(tǒng)配套評價辦法、固控設(shè)備產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、其他部件或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等。為了能合理使用固控設(shè)備，還應(yīng)編寫固控設(shè)備現(xiàn)場操作指南，并針對不同的鉆井液類型及性能要求，對現(xiàn)場工人進(jìn)行設(shè)備操作指導(dǎo)。 性能及可靠性此項(xiàng)的重點(diǎn)在提高振動篩的處理能力及篩網(wǎng)壽命；提高旋流器的分離效率、底流的可控能力和耐磨壽命；提高離心機(jī)的處理能力和壽命、提高砂泵的效率及其密封件等的使用壽命；開發(fā)新的井場廢棄物處理系統(tǒng)等，達(dá)到精簡固控設(shè)備、節(jié)約購置費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用和電費(fèi)的目的。 環(huán)保鉆井作業(yè)后，井場會留下一定的鉆井液和鉆屑，這些廢棄物處理不當(dāng)會對環(huán)境造成很大的危害。因此，應(yīng)做到對鉆井作業(yè)中的廢棄物實(shí)施妥善處理，采用鉆井廢棄物化學(xué)絮凝強(qiáng)化固液分離無害化處理技術(shù)，經(jīng)過處理的水可直接排放。主要污染物，油類≤5mg/L，COD≤100mg/L，懸浮物≤70mg/L；對廢棄鉆井液及鉆屑進(jìn)行固化處理實(shí)驗(yàn)，確定最佳配方，固化后的固化體抗壓強(qiáng)度要高，有毒物質(zhì)含量小于GB5094—1992的規(guī)定。 優(yōu)化的主要內(nèi)容1)鉆井液罐的容量和有效系數(shù)的確定[11][12]①容量和有效系數(shù)以井身結(jié)構(gòu)、鉆頭尺寸、井徑擴(kuò)大率等主要參數(shù)測算井筒內(nèi)有效鉆井液容積，同時考慮固控設(shè)備的擺放位置、內(nèi)部管路、罐上部鉆井液槽等影響因素，確定固控系統(tǒng)總?cè)莘e及有效容積系數(shù)，以滿足正常鉆井時對鉆井液量的需要。確定原則：，確定容積的同時必須使罐上的設(shè)備布置合理，方便操作。，能夠確保事故得到處理，包括能夠儲存1～2種不同功能的鉆井液，能實(shí)現(xiàn)加重鉆井液和其他混配調(diào)節(jié)鉆井液性能的鉆井液處理劑，以應(yīng)付井噴等惡性事故的發(fā)生；當(dāng)發(fā)生井漏導(dǎo)致鉆井液大量漏失時，可通過系統(tǒng)向井內(nèi)補(bǔ)充液體，以維持井壁穩(wěn)定，給事故的處理預(yù)留必要的時間。，根據(jù)鉆機(jī)型號進(jìn)行固控系統(tǒng)設(shè)計時，不同型號的固控系統(tǒng)其容量之間保持適當(dāng)?shù)拈g隔。即各罐大體上應(yīng)具有相同的外形尺寸，系統(tǒng)罐群間只是數(shù)量不等。② 流程的科學(xué)確定鉆井液固控系統(tǒng)對鉆井液的處理流程包括去除固相流程、補(bǔ)給泵補(bǔ)給流程、原材料混合/添加流程和鉆井泵的吸入/灌注流程。在對流程進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)先按設(shè)計好的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)容量及固控設(shè)備的選擇要求進(jìn)行設(shè)備組合配置。在配置時，使用高目數(shù)振動篩網(wǎng)，對水力旋流漏斗系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合使用高性能離心機(jī)等措施，在不降低固相去除效果的前提下，有效減少固相凈化級別；選擇凈化設(shè)備的工作時間，使鉆井液的固相含量和黏度控制在理想的范圍內(nèi)。同時為滿足不同鉆井工藝的要求，配置或預(yù)留相應(yīng)位置，具備特殊化需求的加重、剪切、灌注、吸入、清水、鉆井液槍、補(bǔ)給等管路接口，使固控系統(tǒng)的流程更加合理與完善。③鉆井液罐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計根據(jù)罐體容積及結(jié)構(gòu)形式，選擇最優(yōu)的起吊、拖、拽、拉的位置，選擇最優(yōu)制造加工材料，以滿足公路鐵路運(yùn)輸要求，適合不同環(huán)境地域施工。2)關(guān)鍵設(shè)備的研制關(guān)鍵設(shè)備制約著我國鉆井液固相控制系統(tǒng)的發(fā)展。因此，新設(shè)備的研制成功可以大大簡化固控設(shè)備配置及優(yōu)化工藝流程。目前，我國固控系統(tǒng)基本按五級凈化配置：振動篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)、除氣器，相應(yīng)配置砂泵、攪拌器和混合器。優(yōu)化設(shè)備匹配合理的重要目標(biāo)就是通過優(yōu)化提高振動篩、離心機(jī)處理能力和效果，提高固相含量的可選擇性，從而減少除砂器、除泥器的配置，使鉆井液固相控制系統(tǒng)的動力功率降低20%～30%。①振動篩[13]在鉆井過程中，井底產(chǎn)生的鉆屑由鉆井液帶到地面，振動篩是最先、最快、最大量清除鉆屑的固控設(shè)備，也是鉆井必備的第一級處理設(shè)備。振動篩的技術(shù)水平主要反映在處理能力(處理量和分離顆粒)、工作的可靠性、壽命的長短和操作維護(hù)方便性等方面。因此，指導(dǎo)思想應(yīng)該是改善振動篩的適應(yīng)性、提高其使用壽命。重點(diǎn)放在提高振動篩在現(xiàn)場使用中的處理能力、壽命，使篩網(wǎng)目數(shù)達(dá)到200目，可將大于74μm的固相顆?；九懦?；使用雙軸平動橢圓軌跡篩，合理布置激振器，采用合理的篩網(wǎng)繃緊方式乃至采用高強(qiáng)度材料和可靠的電機(jī)固定的裝置。在鉆井液固相顆粒的大小、含量和粘度等性能不變的情況下，鉆井液固相顆粒動切應(yīng)力越大，固相顆粒的起跳阻力越大，固相顆粒的運(yùn)移速度也就越小。國外某些振動篩的理論研究充分認(rèn)識到了這一點(diǎn)，鉆井液從鉆井液分配器流出，在進(jìn)入振動篩網(wǎng)之前，設(shè)置了一個鉆井液沖擊槽(如圖所示)，避免了鉆井液對篩網(wǎng)的直接沖刷，最大限度地減少井口返出的鉆井液所受的動切應(yīng)力，不但固相顆粒的受力和運(yùn)動更加合理，而且減少鉆井液跑冒現(xiàn)象并增大鉆井液處理量，延長篩網(wǎng)的使用壽命。圖5 鉆井液沖擊槽設(shè)置位置近幾年來，國產(chǎn)振動篩的理論研究和制造工藝水平都有較大的發(fā)展，特別是在理論研究方面，例如振動篩的運(yùn)動軌跡、篩網(wǎng)壽命等，已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。但國內(nèi)振動篩的研究似乎沒有注意到鉆井液沖擊槽在振動篩上的重要作用，只是在仿Derrick振動篩上運(yùn)用了這種結(jié)構(gòu)，而在我國自主研究的振動篩上并沒有設(shè)置此種結(jié)構(gòu)。因此，在選用振動篩時要注意選用帶有此種結(jié)構(gòu)的振動篩。此外，由于各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品在材料、加工工藝、加工精度和配套使用的通用設(shè)備等方面的不同，造成產(chǎn)品實(shí)際能夠達(dá)到的技術(shù)性能有很大的區(qū)別。所以在選配振動篩時，要詳細(xì)了解材料、加工工藝、加工精度和配套使用的通用設(shè)備等情況，而不是單從標(biāo)明的技術(shù)參數(shù)來選擇。在選用振動篩時，除了根據(jù)固相粒度分布選擇適合的篩網(wǎng)外，還應(yīng)考慮的另一個重要因素是篩網(wǎng)的許可處理量，振動篩的處理能力應(yīng)能適應(yīng)鉆井過程中的最大排量。影響振動篩處理量的因素除自身的運(yùn)動參數(shù)外，還有鉆井液類型、密度、粘度、固相粒度分布及含量、篩網(wǎng)尺寸等。為了滿足大排量的要求，有時需要2～3臺振動篩并聯(lián)使用。②離心機(jī)鉆井行業(yè)專家普遍認(rèn)同離心機(jī)在固控系統(tǒng)中的重要作用，、234轉(zhuǎn)速為1300～2200的中速離心機(jī)。目前，離心機(jī)主要有中速離心機(jī)和高速離心機(jī)2種主流產(chǎn)品。中速離心機(jī)指轉(zhuǎn)速為1300～2200，產(chǎn)生的離心力為重力的800倍左右，處理量為40～60的離心機(jī)，這種離心機(jī)用來清除5～7的固相顆粒；高速離心機(jī)指轉(zhuǎn)速為2500～3300，產(chǎn)生的離心力為重力的1200～2100倍左右，分離粒度可達(dá)2～5的離心機(jī)。高速離心機(jī)分2種：一種為全變頻控制高速離心機(jī)，這種離心機(jī)處理量可根據(jù)鉆井液性能自動調(diào)節(jié)，并能通過對負(fù)載實(shí)時監(jiān)測與全變頻自動閉環(huán)控制技術(shù)，有效地控制鉆井液性能，是鉆深井和水平井等特殊工藝要求井理想的固相凈化設(shè)備；另一種是固定轉(zhuǎn)速高速離心機(jī)，這種離心機(jī)一般設(shè)置2～3個比普通離心機(jī)轉(zhuǎn)速高的轉(zhuǎn)速，由操作人員對鉆井液的性能進(jìn)行判斷，人工調(diào)節(jié)離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到較好的鉆井液處理效果。然而，離心機(jī)在我國鉆井行業(yè)應(yīng)用的時間比較短，高品質(zhì)離心機(jī)主要依賴于進(jìn)口。我國目前生產(chǎn)的40m60m3離心機(jī)與國際品牌相比在處理能力、處理質(zhì)量、能量消耗及使用壽命方面有一定差距。開發(fā)具有國際先進(jìn)水平的基于電力變頻或液力平臺的離心機(jī)，使分離顆粒達(dá)到小于7μm非常重要。旋流分離器[14]我國固控設(shè)備制造廠基本上都可制造旋流器，即除砂器、除泥器和微型旋流分離器。旋流器的質(zhì)量指標(biāo)主要是耐磨性，旋流器的性能主要是分離粒度即D50，D50越低，旋流器的分離效果越好。在除砂器、除泥器的配置上要注意分離顆粒范圍既要有一定間距，又要有一定的重疊。旋流除砂器分離粒度一般在44～74，旋流除泥器分離粒度一般在15～44，微型旋流分離器分離的固相顆粒粒徑5～10，可從鉆井液中分離出膨潤土。但現(xiàn)場實(shí)際配套的許多除砂器和除泥器分離顆粒相近(除砂器為20～50，除泥器為15～45)，經(jīng)除砂器處理的鉆井液又經(jīng)除泥器處理，致使除泥器起不到清除固相顆粒的作用。 造成以上現(xiàn)象的主要原因是國內(nèi)旋流器的制造水平達(dá)不到要求，效果也達(dá)不到鉆井工藝要求。所以，很多用戶選擇2臺除砂器代替1臺除砂器、1臺除泥器的配套方案。有些用戶簡單地在原安裝除泥器的位置安裝第2臺除砂器，工藝流程不予改變，很多學(xué)者認(rèn)為此做法不可取。既然2臺除砂器的性能參數(shù)相同，應(yīng)該采用并聯(lián)的工藝流程，以互為備用或在快速鉆進(jìn)時增大鉆井液的處理量。但對于對鉆井液性能要求較高的煤層氣井，合理的配套方案仍是配套1臺除砂器和1臺除泥器，采用串聯(lián)的工藝流程，在選擇除砂器和除泥器時應(yīng)選擇分離粒度范圍不同的產(chǎn)品，例如除砂器的分離粒度為40～60，除泥器的分離粒度為15～45，則可達(dá)到較好的處理效果。真空除氣器目前國內(nèi)使用的真空除氣器除氣效率低，達(dá)不到除氣的目的。如何使真空除氣器安全、可靠、高效運(yùn)行，是當(dāng)前必須解決的問題?？刹捎靡环N新型真空除氣器，該除氣器采用的是一種既具有真空又具有自由逸出的復(fù)合式除氣方式，同時還具有高功能、高安全控制和可靠保護(hù)措施，以保證除氣器的安全、高效作用，使除氣效率大于90%，抽真空時間小于30s，排氣管的滴液量小于80ml。⑤砂泵目前，固控系統(tǒng)用砂泵普遍存在過流部件壽命短、密封不可靠、砂泵效率不高等問題。因此對砂泵的研制主要采取優(yōu)化砂泵葉輪和渦殼結(jié)構(gòu)，改進(jìn)砂泵密封結(jié)構(gòu)及材料，對過流部件選用耐磨性和工藝性優(yōu)良的新材料等措施，研制出零泄漏、1年免維護(hù)的新型砂泵。攪拌器攪拌器是固控系統(tǒng)中的常規(guī)設(shè)備，現(xiàn)在廣泛采用的蝸輪傳動攪拌器及皮帶加錐齒輪攪拌器普遍存在著傳動效率低(70%)、漏油、溫升高、壽命短的缺點(diǎn)。研發(fā)ZJC系列攪拌器，使效率達(dá)到85%以上，實(shí)現(xiàn)3年免維護(hù)。3)設(shè)備匹配合理化研究通過優(yōu)化研究，可使鉆井液固相控制系統(tǒng)處理后的鉆井液含沙量%、固液分離出的泥餅持水率30%，故障停機(jī)率1%，系統(tǒng)設(shè)備制造配套能力可達(dá)50套/年以上。大量實(shí)踐證明，4000m以上鉆機(jī)的凈化設(shè)備選用“422”配置(即四臺振動篩、兩臺除砂器、兩臺離心機(jī))模式，優(yōu)化了鉆井液凈化流程，提高了凈化效果，實(shí)現(xiàn)了固控系統(tǒng)裝備配置的優(yōu)化組合，提升了國內(nèi)大型鉆機(jī)的配套工藝水平，對提高鉆井速度和降低鉆井成本、減少事故的發(fā)生，具有明顯的效果。優(yōu)化設(shè)計的方案實(shí)施后，在保證處理效果的前提下，不僅不會增加投資成本，反而可降低日后使用及維護(hù)的費(fèi)用，同時可提高決策能力、管理和使用水平。在鉆進(jìn)過程中，由于煤系地層泥巖造漿嚴(yán)重，尤其是三牙輪鉆頭切削造成的巖屑在不能被及時攜帶到地面后造成二次或者多次破碎，有些巖屑顆粒極小，在整套固控系統(tǒng)無法及時去除或者井隊(duì)固控系統(tǒng)配備不完善的情況下，只有通過換漿才可解決問題。為保證鉆井液密度符合要求，需根據(jù)鉆井液的消耗情況及時補(bǔ)充；每鉆進(jìn)150m左右進(jìn)行一次部分換漿，在鉆遇煤層前要徹底換漿，排掉地面上的鉆井液后，還要通過循環(huán)，將井筒內(nèi)的鉆井液徹底換掉。在鉆進(jìn)中，對于循環(huán)槽和沉淀坑內(nèi)的巖屑要及時清理。要求非煤系地層鉆進(jìn)每一小班測定鉆井液常規(guī)性能（密度、粘度、PH值等）4次，煤系地層鉆進(jìn)每一小時測定一次?？傊@煤層氣井時，根據(jù)近平衡壓力鉆井中甲烷氣解吸后滑脫到井口時產(chǎn)生的最大壓力，來選用封井器的壓力級別。井口裝置應(yīng)配套齊全，安裝除氣器、液氣分離器和方鉆桿上下旋塞，以便發(fā)生氣侵井涌時能及時排氣處理。甲烷氣易燃、易爆，在煤層段作業(yè)施工中井場要樹立風(fēng)向標(biāo)，井場內(nèi)禁止動用明火，禁止空井等等，嚴(yán)格按氣井作業(yè)要求執(zhí)行井控技術(shù)條例。通過整套固控設(shè)備和工程措施的處理，鉆井液固相可以得到較好的凈化，對提高后續(xù)設(shè)備(鉆井泵、鉆具、井下儀器等)的使用壽命、節(jié)約泥漿材料用量、提高機(jī)械鉆速、保護(hù)煤氣儲層等方面具有積極意義。 煤層氣鉆井水力參數(shù)設(shè)計在地質(zhì)勘探中，按慣例，氣體鉆井常用于干旱缺水和漏失地區(qū)。從保護(hù)煤層的角度來講，氣體(一般多用空氣)是一種非常規(guī)流體，可以防止鉆井液化學(xué)添加劑、鉆屑壓進(jìn)和堵塞煤的裂縫系統(tǒng)，可以避免煤吸收液體后基質(zhì)膨脹．使煤層孔隙度和滲透率降低，所以對煤層傷害最小，尤其適于低滲透、高水敏煤層 但氣體鉆井的缺點(diǎn)是對付復(fù)雜地層的能力差(如地層出水井壁坍塌等)，遇地下水易結(jié)“泥環(huán)”；需要空壓機(jī)增壓機(jī)等投資較大的設(shè)備，此設(shè)備需要中、高壓力，一般依賴于進(jìn)口；易引起井下著火與爆炸，造成井下鉆具破壞，故限制了其應(yīng)用范圍當(dāng)井眼出水不能再用空氣鉆井。據(jù)調(diào)研，出于對保護(hù)煤層不受傷害的需要，美國現(xiàn)大部分的煤