鉆井液振動篩的維護使用

馬燚松

（中石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司，重慶400042）

鉆井液振動篩是對鉆井液進行固相含量控制的第一級設(shè)備，是固控設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，承擔著清理大量鉆屑，控制固相含量，降低下級固控設(shè)備的工作負載，為下級固控設(shè)備提供滿足處理要求的鉆井液。鉆井工藝要求鉆井液振動篩既要盡可能多地清除有害固相，又要盡可能多地回收鉆井液。鉆井液振動篩一旦發(fā)生故障，將造成下一級固控設(shè)備超負荷運轉(zhuǎn)，甚至無法正常工作，從而導(dǎo)致鉆井液固相含量超標，使得鉆井液性能變差，嚴重影響鉆井安全和鉆速。

為了提高鉆井液振動篩的性能，從結(jié)構(gòu)上先后從單軸慣性振動篩、雙軸慣性振動篩向節(jié)能智能振動篩發(fā)展。篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了單層篩布、單層勾邊篩布、雙層勾邊平板篩網(wǎng)、波紋錐形篩網(wǎng)到現(xiàn)在主流的復(fù)合框架多層篩網(wǎng)，篩網(wǎng)的目數(shù)由低目數(shù)向高目數(shù)篩網(wǎng)發(fā)展。

1 鉆井液振動篩的工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

鉆井液振動篩主要由底座、篩箱、篩網(wǎng)、緩沖罐、激振電機、減震彈簧、運轉(zhuǎn)控制裝置、角度調(diào)節(jié)裝置組成。

1.2 鉆井液振動篩的篩分過程

鉆井過程中，當鉆井液通過井眼攜帶巖屑返回井口，經(jīng)過高架槽進入錄井罐、分流管，流入振動篩，當鉆井液分流到振動篩篩網(wǎng)上時，固液開始分離。固液分離是有個過程的，鉆井液初流到振動篩篩網(wǎng)上不可能立即全部分離，而是在少部分過篩的同時，大部分液相先沿著篩網(wǎng)的表面立即分開，并在篩網(wǎng)表面形成鉆井液層，鉆井液層隨分離的進行越來越薄，直到某一位置篩面上液相終止。一般稱液相終止的位置為液相終止線。過終止線后，固相顆粒仍繼續(xù)前進直至離開振動篩。鉆井液振動篩正常工作時，確保液相終止線位于最后一張篩網(wǎng)的有效長度的2/3～3/4位置，即鉆井液鋪滿最后張篩網(wǎng)的2/3～3/4。

篩分的過程包括了液相的透篩和固相在篩網(wǎng)上的運動。固相是形狀和尺寸都不規(guī)則的巖屑或巖屑團，而鉆井液是具有特定變性的流體。固相顆粒沉浸在鉆井液中，經(jīng)過分離后仍是被鉆井液包圍的濕顆粒。所以振動篩和篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)、鉆井液的性能、振動篩的安裝情況都會直接影響篩分過程和振動篩的使用效果。

1.3 鉆井液振動篩的篩分原理

鉆井液振動篩通過激振電機的偏心力矩使篩箱產(chǎn)生直線運動、圓形運動或平動橢圓型運動軌跡。

直線型振動篩2臺電機中垂線與篩面夾角成a角（見圖1），2臺激振電機轉(zhuǎn)動方向相反，產(chǎn)生激振動力，在X方向（兩電機的底座安裝平面）相互抵銷，激振力為零。而在Y方向上(中垂線方向)2臺電機的激振力互相疊加從而帶動整個篩箱沿Y軸方向做往復(fù)運動，同時使篩網(wǎng)面上的鉆井液沿Y軸方向被拋上，然后自由落下時讓鉆井液撞擊篩網(wǎng)加速鉆井液的固液分離，同時向前移動，這樣不斷地被拋上落下使鉆井液通過篩網(wǎng)漏入鉆井液罐內(nèi)，而鉆井液中的大于篩網(wǎng)孔眼固體顆粒被篩出，從而起到了鉆井液的固液分離和凈化作用。直線型振動篩有排砂流暢、處理量大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、配套使用成本低等優(yōu)勢，但同時又存在易塞堵、顆粒易破碎、不適應(yīng)粘土地層等缺點。

平動橢圓篩A、B兩臺電機中垂線與篩面夾角成a角（見圖2），2臺激振電機轉(zhuǎn)動方向相反，產(chǎn)生激振動力，在X方向（兩電機的底座安裝平面）相互抵銷，激振力為零。而在Y方向上(中垂線方向)2臺電機的激振力與C電機產(chǎn)生的激振力互相疊加，從而形成了與X方向成橢圓運動規(guī)律的合力。使巖屑在篩面上沿篩網(wǎng)表面成橢圓軌跡滾動，在平動橢圓運動模式下，激振力有所減小，但延長了固相在篩面駐留時間，使排出的固相更加干燥，提高了鉆井液的回收率，延長篩網(wǎng)壽命并減少使用費用。具有良好的適應(yīng)性，尤其對付易碎、粘泥地層優(yōu)勢突出。

2 鉆井液振動篩在現(xiàn)場使用常見故障分析

2.1 鉆井液振動篩跑漿

2.1.1 跑漿現(xiàn)象

跑漿是鉆井液流入振動篩時，鉆井液的固相與鉆井液未徹底分離，造成了部分鉆井液和固相一起直接從振動篩的出口流出的現(xiàn)象。跑漿是振動篩在現(xiàn)場使用過程中出現(xiàn)頻率最高，最普遍的故障，一方面造成了鉆井液的大量浪費，同時制約了鉆井參數(shù)的優(yōu)化和機械鉆速的提高，從而影響了鉆井速度和井身質(zhì)量。

2.1.2 跑漿原因分析

2.1.2.1 鉆井液的性能導(dǎo)致跑漿

（1）鉆井液中固相含量太多，固相顆粒分散，尺寸與篩網(wǎng)的尺寸接近，造成固相顆粒堵塞篩網(wǎng)的篩孔，阻礙鉆井液的固液分離，從而導(dǎo)致跑漿。

（2）鉆井液的粘度過高，一方面造成鉆井液固液分離時流過篩網(wǎng)孔的阻力增大，阻礙了鉆井液快速穿透篩網(wǎng)流入鉆井液罐；另一方面，粘度過高，造成了鉆井液與固相顆粒的粘合能力增強，增加了固液分離的難度，降低了固液分離效率和速度。

（3）鉆井液比重太高，流入相等流量的鉆井液的重量增加，造成了振動篩的負荷增加，在同樣功率情況下，振動篩的振幅和拋擲指數(shù)都會降低，從而降低振動篩的處理量，產(chǎn)生跑漿。

2.1.2.2 振動篩原因造成跑漿

（1）篩床自身設(shè)計不合理導(dǎo)致跑漿。振動篩的篩床是振動篩的關(guān)鍵部分，其電機的安裝位置、振動篩彈簧的位置、篩床的重量、篩網(wǎng)的幅度等參數(shù)都需要進行精確計算和多次反復(fù)試驗，優(yōu)選振動源方能達到理想效果。目前，國內(nèi)有部分廠家仿造高性能振動篩，未進行精確計算和試驗，雖然結(jié)構(gòu)相似，但是效果相差甚遠。

（2）激振電機的激振力小，導(dǎo)致鉆井液在激振力作用下做拋物運動時的幅度降低，降低了鉆井液的固液分離能力和巖屑在篩網(wǎng)上向外的運移速度，從而導(dǎo)致跑漿。

（3）篩網(wǎng)抗磁化能力差導(dǎo)致磁化的巖屑附著的篩面上堵塞篩網(wǎng)導(dǎo)致跑漿。鉆井液從井底帶出的巖屑部分為礦物質(zhì)，在地球磁場的作用下被磁化，流入振動篩時，如果振動篩篩網(wǎng)的抗磁化能力差，就容易附著在篩網(wǎng)表面，導(dǎo)致跑漿。

2.1.2.3 現(xiàn)場維護使用原因?qū)е屡軡{

（1）篩網(wǎng)目數(shù)過高，篩網(wǎng)的透漿率相應(yīng)會降低，如果鉆井過程中鉆井液排量過大與篩網(wǎng)不匹配一樣會導(dǎo)致跑漿。

（2）篩箱仰角調(diào)節(jié)過小，會加速鉆井液在篩網(wǎng)上的流動速度，降低了鉆井液與篩網(wǎng)的接觸時間，從而降低篩網(wǎng)的透漿率，導(dǎo)致跑漿。

（3）振動篩維修或者安裝過程中，振動電機接線錯誤造成旋轉(zhuǎn)方向錯誤，導(dǎo)致振動篩無法達到共振，同時鉆井液和巖屑在篩床上的受力方向發(fā)生改變，不能安裝設(shè)計的投擲角度進行拋物運動，大大降低振動篩的固液分離效率和巖屑向外的移動速度，從而導(dǎo)致跑漿。

（4）振動篩在使用過程中未及時按照鉆井液性能調(diào)整振動電機偏心塊的百分比，其百分比調(diào)整太低，造成激振力降低造成跑漿。

（5）供漿量超過了振動篩的最大處理量，也會導(dǎo)致跑漿。

（6）振動篩在使用過程中，鉆井液中的巖屑與篩網(wǎng)網(wǎng)孔的金屬絲發(fā)生摩擦，會造成編織篩網(wǎng)的金屬磨損粗糙，使得的網(wǎng)孔形狀發(fā)生變化，網(wǎng)孔變不規(guī)則造成篩網(wǎng)網(wǎng)孔堵塞，使用過程中跑漿。

2.2 鉆井巖屑堆積排除不暢

2.2.1 現(xiàn)象

振動篩在現(xiàn)場使用過程中，偶爾會發(fā)現(xiàn)篩網(wǎng)上某個位置堆積成團的巖屑，巖屑粘接在篩網(wǎng)上不往外移動，不及時清理，巖屑團越積越多，增加了振動篩篩箱的重量，加重了振動篩的負載，最終導(dǎo)致跑漿。

2.2.2 原因分析

（1）篩網(wǎng)未繃緊或者篩箱的篩網(wǎng)張緊條變形不能將篩網(wǎng)繃緊，在篩網(wǎng)松弛部位產(chǎn)生一個振動干擾源，改變了篩網(wǎng)的振動頻率，消減了松弛部位鉆井液和巖屑的激振力，改變了該部位的投擲角度和運動軌跡，從而造成巖屑在該位置的聚集。

（2）減震彈簧彈力不一致，篩箱橫向擺差過大，支撐點不在同一平面，在彈簧彈力低的部位，篩箱不能很好形成共振，造成了篩箱的振幅及激振力下降，巖屑的移動速度太慢，從而造成了巖屑的聚集。

（3）振動篩在運行時，從鉆井液的進入口到巖屑的排出口方向，定義鉆井液進入口為前排出口為后，其篩床的激振力和振幅是由低向高變化的，同時巖屑向外的移動速度也是由低向高變化的，如果現(xiàn)場在使用過程中將一至四號篩網(wǎng)的目數(shù)不一致，如果順著鉆井液的移動方向，其篩網(wǎng)的目數(shù)由低到高，由于巖屑在前面的移動速度較慢，而低目數(shù)篩網(wǎng)會分離出大量巖屑，就會造成巖屑在前面的篩網(wǎng)的大量堆積，加重振動篩的負載，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致巖屑聚集排砂不暢。

（4）篩箱仰角調(diào)節(jié)過大，造成巖屑和鉆井液在做拋物線運動時，拋物線的軌跡和斜率發(fā)生變化，巖屑的運移速度降低，嚴重時就會造成巖屑的堆積排除不暢。

2.3 振動篩運動軌跡畸變

2.3.1 現(xiàn)象

振動篩運行時，鉆井液在篩網(wǎng)上四處飛濺，飛濺的幅度較高，鉆井液和巖屑不向外成直線軌跡運動，振動篩的處理效果極差。振動篩正常運行時鉆井液和巖屑在篩箱內(nèi)應(yīng)該是向外快速流動，當越過液相終止線后能明顯看到巖屑成直線向外快速運動排除。

2.3.2 原因

振動篩的底座未牢固固定在剛性的鉆井液罐支撐梁上，在振動篩運行時底座振動形成一個振動源，嚴重干擾篩床的正常振動，造成了篩床的振動波形發(fā)生畸變，從而造成了鉆井液和巖屑在篩箱內(nèi)的運動軌跡雜亂，從而影響其處理效果。

3 鉆井液振動篩的現(xiàn)場使用建議

3.1 根據(jù)地層巖屑的情況，選購合適的振動篩

為了保證鉆進液在篩網(wǎng)上的固液分離正常進行，使鉆井液振動篩既有較大的處理量又有較高的排屑速度，顆粒在篩網(wǎng)表面應(yīng)該做拋擲運動。拋擲的過程中，顆粒呈拋射狀向排出口輸送，拋擲指數(shù)和拋擲角度對其影響很大。拋擲指數(shù)較小，當固相顆粒處于淹沒狀態(tài)時，運移速度太慢會容易堵塞篩網(wǎng)，使處理量減小，甚至造成跑漿、鉆井液流失。當固相顆粒分離出來以后，運移速度太慢則會增加小顆粒透篩的機率，甚至形成固相顆粒在篩網(wǎng)上堆積，使篩網(wǎng)因負荷過大而提前破壞。拋擲指數(shù)也不能過大，只要能滿足固相顆粒能克服它與鉆井液之間的粘附力而分離出來即可，過大會增大顆粒下落時對篩網(wǎng)的碰撞，造成微小顆粒更多透篩的概率，也加劇篩網(wǎng)的磨損，降低篩網(wǎng)的使用壽命，同時也對振動篩的強度提出了更高的要求。

不同區(qū)域地層差異較大，巖屑的特性差異也較大，所使用的鉆井液性能和參數(shù)都有很多區(qū)別。選購振動篩時應(yīng)根據(jù)對于地域的地層巖屑情況、鉆井液性能和鉆井參數(shù)，充分考慮振動篩振幅、拋擲指數(shù)、運動軌跡、拋擲角度、電機的安裝位置、彈簧的安裝位置、振動頻率幾個關(guān)鍵參數(shù)，選擇與之匹配的振動篩。

針對地層復(fù)雜、巖屑性質(zhì)變化大的區(qū)域，可以考慮選用變頻和激振力可調(diào)式直線、平動橢圓雙軌跡振動篩，根據(jù)地層巖屑的性質(zhì)優(yōu)選合適的頻率、激振力、拋擲角度和運動軌跡。一般巖屑顆粒大、比重高情況，激振力選高，振動頻率選低；巖屑顆粒小易碎情況，激振力選低，振動頻率選高，選擇與之匹配的參數(shù)。

3.2 選擇使用合適的篩網(wǎng)

建議選用抗磁化能力強篩網(wǎng)，使用過程中選用與鉆井液性能匹配的篩網(wǎng)目數(shù)。針對粉砂巖和流砂等易堵塞地層可選用解堵篩網(wǎng)。

3.3 正確安裝可靠固定振動篩

底座支撐剛性較差和未可靠固定會造成振動篩使用過程中運動軌跡畸變現(xiàn)象，在安裝過程中應(yīng)確保振動篩的底座安裝在剛性好的支撐可靠的剛性底座上，并可靠緊固。

3.4 使用過程中合適調(diào)整仰角

篩箱的仰角不合適會造成跑漿和集砂現(xiàn)象，使用過程中，應(yīng)根據(jù)液相終止線的位置調(diào)整仰角，鉆井液振動篩正常工作時，確保液相終止線位于最后一張篩網(wǎng)的有效長度的2/3～3/4位置，即鉆井液鋪滿最后張篩網(wǎng)的2/3～3/4。

3.5 調(diào)整合適激振力

激振電機兩端的偏心塊是用于調(diào)整電機激振力，在使用過程中應(yīng)根據(jù)鉆井液性能和流量調(diào)整其百分比，調(diào)整時2個激振電機偏心塊的百分比必須一樣，否則振動篩不能形成共振，影響處理效果。

3.6 正確維護保養(yǎng)

進行振動篩的維護保養(yǎng)更換減震彈簧時，必須更換性能、彈性相同的彈簧，嚴禁新舊彈簧混用。更換激振電機時，應(yīng)更換型號相同、性能相近的電機，否則振動篩很難達到共振，影響使用效果。

4 結(jié)語

本文從現(xiàn)場鉆井液振動篩的使用情況，根據(jù)現(xiàn)場使用過程中遇到的一些常見故障的處理經(jīng)驗，進行了分析總結(jié)，在現(xiàn)場使用過程中也得到了很好的驗證。