王 奇,侯召坡,李鳳玉,牟長清,柴占文，張 杰，高 潔

(渤海石油裝備制造有限公司，河北 青縣 062650)

在中國石油天然氣股份有限公司二期低碳重大專項《中國石油低碳與清潔發(fā)展關鍵技術研究及應用》中的課題3《水基鉆井廢棄物循環(huán)利用及資源化技術研究與示范應用》的研究內(nèi)容中，要實現(xiàn)鉆井廢液的初步機械分離和回收工藝，振動篩是必不可少的關鍵設備[1]。鉆井液振動篩處理效果的好壞，振動軌跡是1個重要的參數(shù)[2]。鉆井液振動篩的振動軌跡主要有2種[3]：一種為直線軌跡，另一種為平動橢圓軌跡，各有優(yōu)缺點[4]。直線軌跡最突出的特點是拋擲指數(shù)大[5]，平動橢圓軌跡則不易使處理的鉆屑出現(xiàn)二次破裂。在復雜的鉆井過程中，采用單一軌跡振動的振動篩往往有不適合處理的井段，但如果鉆井現(xiàn)場配備2種單一軌跡的振動篩分別工作則成本及占地面積大。為了解決此問題，華油一機(河北)鉆井裝備有限公司開發(fā)了S310-2型雙軌跡振動篩，在一種篩型上直線軌跡和平動橢圓軌跡都能實現(xiàn)，節(jié)約了設備成本和占地面積，同時也對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，提高振動軌跡精度，以求穩(wěn)定、良好的處理效果。

本文在同樣的工況下，對不同軌跡的S310系列鉆井液振動篩進行現(xiàn)場測試和分析，重點是對新設計的S310-2型雙軌跡振動篩在不同鉆井過程中使用不同的振動軌跡進行測試，記錄3個與振動軌跡密切相關的性能參數(shù)，對新型振動篩的性能進行評估。

1) 鉆井液振動篩處理量。合格的振動篩，在整個鉆井周期的絕大部分時間內(nèi)都應該實時處理完產(chǎn)出的鉆井液。在鉆井過程中出現(xiàn)較為復雜的情況下，不同的振動軌跡，鉆井液振動篩的處理量也有明顯不同[6]。

2) 振動篩處理巖屑含水率。鉆井液振動篩通過振動，把鉆井液分離成2部分，一部分為含有細小巖屑的液相，透過篩網(wǎng)進入下一級處理設備進行處理[6]；另一部分為大顆粒巖屑，含有少量鉆井液，被振動篩排出，而這部分少量的鉆井液是被浪費掉的。這部分浪費掉的鉆井液越少，說明振動篩的性能越優(yōu)異。

3) 軌跡平穩(wěn)性[7]。鉆井液振動篩主要是通過不同的振動軌跡從而實現(xiàn)鉆井液固液分離，一種穩(wěn)定、適合工況的軌跡可以保證振動篩的高效工作，也可降低故障的發(fā)生及延長部件的壽命。

1 現(xiàn)場測試條件

1) 振動篩。被測試的振動篩由華油一機(河北)鉆井裝備公司生產(chǎn)，1臺S310-1型直線振動篩，2臺S310-2C型雙軌跡振動篩。在試驗過程中，1臺S310-2C型振動篩全程為平動橢圓振動，另1臺S310-2C型振動篩根據(jù)鉆井液情況隨時變換振動軌跡為直線軌跡，或平動橢圓軌跡。

2) 鉆機系統(tǒng)。在某井隊進行測試，鉆機為ZJ40型，最大鉆井深度3 100 m。配備2臺F-1300型泥漿泵，單臺泵的最大排量為167.5 m3/h，雙泵工作情況下泥漿最大返排流量為335 m3/h。

3) 地質(zhì)情況及其他參數(shù)。試驗的地層以華北地區(qū)地層平原、明化鎮(zhèn)、東營、館陶組和沙河街組為主。因為這些地層有砂巖、泥巖，鉆井液成分由簡單到復雜，可以全面測試振動篩的性能。鉆井液黏度為23～65 s，地層越深，黏度越高。在平原組采用120目篩網(wǎng)。進入東營和館陶組后，更換為200目篩網(wǎng)。篩網(wǎng)均為粘接鉤邊不銹鋼網(wǎng)絲篩網(wǎng)。

2 振動篩處理量現(xiàn)場測試對比

2.1 振動篩處理量概念

受很多不確定的因素影響，鉆井液振動篩的處理量并沒有明確公認的公式來進行分析。根據(jù)經(jīng)驗，篩箱的振動軌跡、振動電機的振動頻率，參振質(zhì)量的振幅及篩箱傾角等振動篩本身設計參數(shù)對處理量有明顯影響[8-10]。工程上，只要振動篩全部處理其篩面上通過的鉆井液，恰好不出現(xiàn)“跑漿”現(xiàn)象，則此時通過振動篩的鉆井液當量即為振動篩在此時刻的處理量。

2.2 振動篩處理量測量方法

如圖1所示，3臺振動篩下方分別對應相同容積的儲液倉。在鉆井過程中，通過控制閥，使單臺振動篩進行全部鉆井液處理，在到達其“跑漿”臨界點時，再開啟另外的振動篩進行輔助處理。在一定的時間內(nèi)，測量被測試振動篩相對應的儲液倉內(nèi)的鉆井液體積，即可得出振動篩的處理量Q。

(1)

式中：Q為振動篩的處理量，m3/min；t為時間，min；V為t時間內(nèi)振動篩下方儲液倉內(nèi)增加的鉆井液體積，m3。

圖1 振動篩處理量測試的鉆井液儲存原理

2.3 振動篩處理量測試結(jié)果對比

表1為3臺振動篩的處理量測試數(shù)據(jù)(時間t=10 min)。

表1 鉆井液振動篩處理量現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

采用表1的數(shù)據(jù)繪制圖2，該圖的3個區(qū)是根據(jù)3種篩型測試的處理量而化分的，這3個區(qū)域也與井深對應的地層高度吻合。可以看出，采用雙軌跡振動篩，在不同地層變軌為合適的振動軌跡，其處理效果大部分優(yōu)于采用單一軌跡處理的效果。

1) 第1區(qū)域。為0～500 m井段，大部分為測試井一開工藝段，鉆進地層以平原組、明化鎮(zhèn)組為主，地層組成以黃色粘土、灰色散砂和粗砂巖為主。鉆井液為清水，漏斗黏度23 s。此區(qū)域特點為鉆井泵排量較小、鉆井液成分簡單、鉆屑顆粒較大。

與第1區(qū)域?qū)恼駝雍Y處理效果如圖3。采用直線振動軌跡處理鉆井液時，因直線振幅較橢圓大，物料振動行程短，鉆井液透過篩面較多，因此在篩面上方的鉆井液成球狀，如圖3a。橢圓軌跡篩在處理該情形鉆井液時，透篩率較低，篩面上方鉆井液較厚，如圖3b。這也是圖2中采用直線振動軌跡的振動篩較橢圓振動軌跡處理量大的原因。

2) 第2區(qū)域。在500～2 400 m井段，為測試井二開工藝段，鉆進地層為明化鎮(zhèn)、館陶及東營組為主，地層組成以紫紅色泥巖、粘土為主。鉆井液中開始加入坂土及其他材料，漏斗黏度逐步上升到60 s。

與第2區(qū)域?qū)恼駝雍Y處理效果如圖4。鉆井進入二開后，因鉆井液黏度上升，加之相應地層易“造漿”，使鉆井液中粘泥增加，鉆屑顆粒小而粘。直線振動篩開始出現(xiàn)“篩糊”現(xiàn)象，如圖4a，鉆井液透篩率大幅度降低，很大一部分鉆井液都停留在篩面上方，較容易發(fā)生“跑漿”現(xiàn)象，處理量下降，造成鉆井液浪費。橢圓軌跡振動篩能夠有效避免“篩糊”現(xiàn)象，在處理過程中一直能夠保持較好的透篩率，處理量穩(wěn)中有升，如圖4b。

圖2 3種振動篩的鉆井液處理量測試曲線

a S310-1型直線篩 b S310-2C型篩(平動橢圓軌跡)

a S310-1型直線篩 b S310-2C型篩(平動橢圓軌跡)

3) 第3區(qū)域。在2 400～3 000 m井段，鉆井進入二開后期時，因沙河街組以散砂、黃色粘土為主，各振動篩又基本恢復到如圖3效果。

圖3～4的現(xiàn)象說明,即使在同一井處理鉆井液，直線振動篩和平動橢圓軌跡振動篩都有最佳適應的地層和適應的鉆井液。

優(yōu)化后的雙規(guī)跡振動篩可根據(jù)鉆井液情形，靈活調(diào)整振動軌跡，在1臺篩型上分別根據(jù)最佳處理條件變換振動軌跡，從而使振動篩的處理效果達到最佳[11]。

3 振動篩處理巖屑含水率測試對比

振動篩處理的巖屑含水率參數(shù)直接反應通過振動篩處理可回收多少鉆井液，這個參數(shù)在鉆井初期鉆井液成本低廉時不是特別重要，但是在鉆井后期，尤其是鉆井液成本大幅度提高的深井、超深井時，成為決定振動篩是否能夠合格工作的最重要的參數(shù)之一。

3.1 巖屑含水率測量方法

采用1 000 mL的不銹鋼量杯，在振動篩的排砂口取同時刻振動篩篩出的固相，秤取質(zhì)量后，減去量杯質(zhì)量，記為M1；放入烘干爐，烘干；取出干燥物，秤取質(zhì)量，減去量杯質(zhì)量，記為M2，則被測物的含水率H為：

(2)

3.2 巖屑含水率測量結(jié)果對比

在整個鉆井周期比較有代表性的階段每隔150 m取20組數(shù)據(jù)，如表2。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制散點圖，如圖5。

表2 不同軌跡振動篩處理鉆井液的固相含水率對比

圖5 不同軌跡振動篩處理鉆井液的固相含水率

從表2、圖5可知，3臺振動篩處理同一地層的的鉆井液時，排出的固相含水率有很大不同。因振動篩相同軌跡振動時排出的固相含水率并不是隨地層深入而線性變化的，所以需要計算、比較不同軌跡振動時排出的鉆井液固相含水率。

根據(jù)該井鉆井設計書得知，井筒容積為152 m3，鉆屑膨脹系數(shù)2.5，總計產(chǎn)生380 m3鉆屑。其中，振動篩約處理全部80%的鉆屑，則振動篩排出的鉆屑總量約為304 m3。為了便于說明，設在整個鉆井周期，泵排量的值是如表2中不變的幾個數(shù)值，采用單臺單一振動軌跡的篩型進行鉆井液的全處理。在井深150 m時，鉆屑排量為K1，S310-1型直線振動篩處理后排出的鉆屑含水率為X1，S310-2C型優(yōu)化振動篩(平動橢圓)處理后排出的鉆屑含水率為Y1，S310-2C型優(yōu)化振動篩(雙軌跡)處理后排出的鉆屑含水率為U1，此時刻泵排量為Z1。井深300 m時，各參數(shù)為K2、X2、Y2、Z2。以此類推，到井深為3 000 m時，各參數(shù)為K20、X20、Y20、U20、Z20，鉆屑總量為V，干鉆屑密度為2.2×103～2.8×103kg/m3，取平均值為2.5×103kg/m3。鉆井液密度為1.01×103～1.2×103kg/m3，取平均值為1.1×103kg/m3，清水的密度為1.0×103kg/m3。有下列關系式：

在任意時刻產(chǎn)生的鉆屑總量為V時

(3)

采用S310-1型直線振動篩全處理后排出的鉆井液總量V1：

(4)

采用S310-2C型振動篩(平動橢圓)全處理后排出的鉆井液總量V2：

(5)

采用S310-2C型振動篩(雙軌跡)全處理后排出的鉆井液總量V3：

(6)

將表2各項數(shù)據(jù)代入式(3)～(6)得出：V1=891.37 m3，V2=852.20 m3，V3=774.21 m3。在此井中，單獨使用直線軌跡振動篩和單獨使用平動橢圓振動篩，后者節(jié)約的鉆井液量為V1-V2=39.17 m3，差值不是十分明顯。如果采用雙軌跡振動篩，實時根據(jù)鉆井情況進行直線振動軌跡和平動橢圓振動軌跡調(diào)整，對比直線振動軌跡篩和平動橢圓軌跡篩，分別節(jié)約鉆井液V1-V3=117.16 m3和V2-V3=77.99 m3。圖6可直觀地看出各型振動篩排出鉆井液的差值。

圖6 不同軌跡振動篩處理后排出鉆井液體積

目前，隨著深井、超深井技術發(fā)展和油田提高采油氣率的要求，鉆井液成本呈逐步上升趨勢。例如，1口深井到五開(約7 000 m)，鉆井液總費用可達幾百萬元。因此，為了節(jié)約鉆井液、降低鉆井費用，應針對不同的泥漿條件，選用不同振動軌跡的振動篩來處理鉆井液，使其綜合性能達到最優(yōu)。

4 軌跡平穩(wěn)性測試

軌跡的平穩(wěn)性在振動篩優(yōu)化設計中屬于最重要的性能之一。軌跡平穩(wěn)性參數(shù)主要體現(xiàn)振動篩的參振質(zhì)量上的每個點繞整體質(zhì)心運動的相同程度。各點運動軌跡越接近，振動篩的軌跡平穩(wěn)性就越好，處理效果也就越平穩(wěn)、可控。在振動篩的制造中，振動篩的參振質(zhì)量質(zhì)心與合力的位置至關重要，質(zhì)心與合力作用線或力心的重合精度越高，整體參振質(zhì)量在工作中的平動性就越好。

4.1 現(xiàn)場測量振動軌跡儀器和測試方法

現(xiàn)場測量振動篩振動軌跡的儀器選用自動分析并可轉(zhuǎn)換成圖表的遠程分析儀，該儀器可直接輸出振動軌跡，并分析振幅、垂直加速度及其他振動參數(shù)。分析原理如圖7。

自動分析儀中各測量參數(shù)儀器配置如表3。

圖7 振動軌跡測試儀工作原理

使用該儀器在現(xiàn)場測試時，因振動篩參振質(zhì)量主要為篩箱，且篩箱質(zhì)量相對其中軸線對稱，所以將測振儀器的傳感器吸附在篩箱一端側(cè)板上，即可反應整體篩箱振動情況。為了提高測試精度，在篩箱一側(cè)的側(cè)板上的合適位置取A、B、C、D4個位置點，分別放置4個傳感器，如圖8。其中，A、B、C、點主要測量x軸方向振動參數(shù)，C、D點主要測量y軸方向振動參數(shù)。

表3 振動參數(shù)測試儀配備設備

圖8 振動測試傳感器分布示意

自動分析儀中輸出各參數(shù)描述如圖9。

在圖9中，能夠直接體現(xiàn)振動軌跡穩(wěn)定的參數(shù)主要為合成軌跡圖、垂直振幅、垂直加速度、振動軌跡(長軸)的斜率。合成軌跡圖直觀地反應了振動篩在1個振動周期內(nèi)的振動軌跡，垂直加速度與重力加速度相除后就是拋擲指數(shù)，垂直振幅的1/2即為振動篩的設計振幅，振動軌跡的斜率為振動角度的正切值。

在工程應用中，由于鉆井液性能復雜多變，同一井鉆井液的性能變化甚至多達上百次，所以各參數(shù)的變化范圍具體影響振動篩的性能實際上并沒有具體量化的關系。但是，從大量現(xiàn)場應用經(jīng)驗來看，各參數(shù)越穩(wěn)定，振動篩的整體性能就越好[10]。

對圖10～11進行數(shù)據(jù)整理，如表4。

4.2 現(xiàn)場測量軌跡圖對比

在測量振動篩現(xiàn)場振動軌跡時，選取鉆井過程中較為穩(wěn)定的井深約1 000 m工況進行測試，限于論文篇幅原因，從測試結(jié)果圖中選用比較有代表性的圖進行研究。

4.2.1 S310-1型直線振動篩軌跡圖分析

S310-1型直線篩A、B、C、D4點測試結(jié)果如圖10～11。

選取對軌跡平穩(wěn)性有直接關系的振幅、拋擲指數(shù)、長軸斜率參數(shù)做變化趨勢圖，如圖12～14。

從表4，圖12～14看出，現(xiàn)場測試的S310-1型直線振動篩越接近排砂口端，各項參數(shù)成下降趨勢，而理論上應該均為一條直線。A、B、C3個x軸上的點下降明顯，C、D2個y軸上點略有下降。導致這種情形的主要原因是2臺振動電機合力作用線未通過振動篩整體參振質(zhì)量的質(zhì)心，而是略靠近振動篩篩箱進液口方向。在這種情況下，振動篩雖然能夠正常使用，但是對振動篩的處理能力有一定的影響，且會縮短振動部件的壽命。

4.2.2 S310-2C型優(yōu)化振動篩軌跡圖分析

S310-2C型優(yōu)化振動篩軌跡測試分為2部分，第1部分為直線軌跡的參數(shù)測試，第2部分為平動橢圓軌跡的參數(shù)測試，2部分均在同一臺振動篩上進行測試。

圖9 自動分析儀參數(shù)說明

圖10 S310-1型直線振動篩(A、B點)振動參數(shù)界面

圖11 S310-1型直線振動篩(C、D點)振動參數(shù)界面

表4 S310-1型直線振動篩振動參數(shù)

圖12 S310-1型直線振動篩振幅趨勢

圖13 S310-1型直線振動篩拋擲指數(shù)趨勢

圖14 S310-1型直線振動篩長軸斜率趨勢

1) 直線軌跡振動參數(shù)測試。

選取優(yōu)化設計的S310-2C型振動篩，按直線軌跡振動，A、B、C、D4點振動參數(shù)測試結(jié)果如圖15～16。

圖15 S310-2C型優(yōu)化振動篩直線直線軌跡(A、B點)振動參數(shù)界面

圖16 S310-2C型優(yōu)化振動篩直線直線軌跡(C、D點)振動參數(shù)界面

對圖15～16進行數(shù)據(jù)整理，如表5。

選取振幅、拋擲指數(shù)、長軸斜率參數(shù)做變化趨勢圖，如圖17～19。

從表3、圖17～19可以看出，現(xiàn)場測試的S310-2C型優(yōu)化振動篩直線軌跡各參數(shù)基本平穩(wěn)，出現(xiàn)波動是因為振動電機偏心塊旋轉(zhuǎn)造成實際合力作用線有微小變化，但變化總在振動篩整體參振質(zhì)量的質(zhì)心附近，通過圖表分析，在允許誤差范圍內(nèi)。

表5 S310-2C型優(yōu)化振動篩直線軌跡振動參數(shù)

圖17 S310-2C型優(yōu)化振動篩直線軌跡振幅趨勢

圖18 S310-2C型優(yōu)化振動篩直線軌跡拋擲指數(shù)趨勢

圖19 S310-2C型優(yōu)化振動篩直線軌跡長軸斜率趨勢

2) 平動橢圓軌跡振動參數(shù)測試。

選取S310-2C型振動篩，按平動橢圓軌跡振動，A、B、C、D4點振動測試結(jié)果如圖20～21。

圖20 S310-2C型優(yōu)化振動篩平動橢圓軌跡(A、B點)振動參數(shù)界面

圖21 S310-2C型優(yōu)化振動篩平動橢圓軌跡(C、D點)振動參數(shù)界面

對圖20～21進行數(shù)據(jù)整理，如表6。

表6 S310-2C型優(yōu)化振動篩平動橢圓軌跡振動參數(shù)

選取振幅、拋擲指數(shù)、長軸斜率參數(shù)做變化趨勢圖,如圖22～24。

圖22 S310-2C型優(yōu)化振動篩平動橢圓軌跡振幅趨勢

圖23 S310-2C型優(yōu)化振動篩平動橢圓拋擲指數(shù)趨勢

圖24 S310-2C型優(yōu)化振動篩平動橢圓軌跡長軸斜率趨勢

從表6、圖22～24可以看出，現(xiàn)場測試的S310-2C型優(yōu)化振動篩平動橢圓軌跡各參數(shù)基本平穩(wěn)，出現(xiàn)波動是因為振動電機偏心塊旋轉(zhuǎn)造成實際力心有微小變化，從而影響軌跡曲線。

5 測試軌跡圖對比結(jié)果分析

將被測試所得振動篩的3種軌跡參數(shù)進行對比分析，如圖25～27，在振動軌跡參數(shù)的平穩(wěn)度方面，優(yōu)化后的振動篩較普通振動篩有很大提高。由前文分析可知，在處理量和處理后的巖屑干燥度方面，優(yōu)化后的振動篩要優(yōu)于普通振動篩。

圖26 振動篩軌跡參數(shù)變化對比圖(拋擲指數(shù))

圖27 振動篩軌跡參數(shù)變化對比圖(長軸斜率)

6 結(jié)論

1) 不同軌跡的振動篩，在處理不同鉆井時期的鉆井液時各有優(yōu)缺點[12]。在鉆井液黏度不高，巖屑以砂巖、頁巖為主時，選擇直線軌跡振動篩，其輸砂速度塊[13]。在鉆井后期，鉆井液成分復雜，黏度大幅增高，巖屑以泥為主，選擇平動橢圓軌跡振動篩，能提高鉆井液的回收再利用率[14]。在試驗井中，平動橢圓軌跡振動篩較直線軌跡的振動篩可多回收9.15%的鉆井液。采用雙軌跡振動篩，可多回收13.14%的鉆井液，這對日趨昂貴的鉆井液來說有著重要意義。

2) 優(yōu)化設計后的振動篩可順利實現(xiàn)2種軌跡振動。尤其是經(jīng)過優(yōu)化后，極大地提高了振動篩力心/作用線與振動篩參振質(zhì)量的質(zhì)心之間的重合精度[15]，處理效果要好于普通直線軌跡振動篩。