鉆井液負壓過濾裝置篩網運移速度研究

焦金剛，楊向前，郭華(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引言

在石油勘探開發(fā)中，振動篩作為最重要的固控裝置應用廣泛，但其缺點非常明顯：效率低、噪音大、有害氣體彌漫[1-2]。近些年來，帶式負壓過濾裝置的應用，對鉆井液的固控處理提供了環(huán)保、清潔的新方向[3-4]。帶式真空過濾機是將篩網固定在傳動軸上轉動，通過負壓提高篩網的過濾效率，并抽走有害氣體，分離出的固相隨著篩網轉動運移走[5-6]。帶有固相的篩網運移出過濾區(qū)域后，可通過水刀、氣刀等方式進行清潔后，在機器中循環(huán)返回到過濾區(qū)域。

在負壓的影響下，篩網的過濾效率將發(fā)生變化，篩網運移速度如何設置才能提高帶式真空過濾機整體過濾效率是所關注的焦點。本文通過室內實驗研究，對不同目數的篩網過濾效率進行分析，并通過篩網轉移速度模型，研究了鉆井液在篩網上形成濾餅且影響過濾效率時，有效地將篩網移開需多大的運移速度，對設計負壓過濾裝置有參考意義。

1 篩網過濾分析

1.1 過濾效率計算模型

鉆井液過濾時，在一定的負壓下，經篩網后濾液排下至濾瓶，而固相則被截留在篩網上形成濾餅。這個過程可以看作恒定負壓下的過濾，其過濾效率公式[7]為：

式中：θ為過濾時間(s)；q為鉆井液處理能力(m3/s)；qe為篩網當量的過濾介質阻力(m3/s)；K為過濾常數，無量綱。

根據帶式真空過濾機的鉆井液處理能力，其過濾量與時間、篩網及過濾效率的關系方程可表示為：

式中：t為單位時間(s)；q為鉆井液處理能力(m3/s)；B為篩網有效寬度(m)；h為濾餅的平均厚度(m)；δ為濾餅密度(kg/m3)；V為篩網運移速度(m/s)；W為濾餅的含水率，無量綱。

由公式(1)可以求得過濾量與過濾效率的關系，而公式(2)則可以根據篩網的尺寸、過濾量、濾參數等，求得篩網的運移速度。

1.2 室內實驗裝置及方案

根據負壓過濾裝置的基本原理，設計實驗方案，通過室內實驗，可以測得過濾常數K、篩網當量的過濾介質阻力qe，進而分析過濾效率與過濾量。在泥漿實驗室，選用真空負壓泵、緩沖杯、量杯、過濾漏斗、篩網等組成負壓過濾實驗裝置，如圖1。

圖1 篩網過濾效率實驗裝置

具體負壓過濾室內實驗步驟設計如下：

(1)配制渤海地區(qū)常見的鉆井液體系，配制完成后加入不同比例的巖屑，配制不同含屑量的鉆井液，攪拌均勻。

(2)利用漏斗控制鉆井液的流量，并通過調節(jié)真空負壓泵，將抽真空的壓力傳感器的指示值維持在負壓0.02 MPa范圍，在此條件下進行含巖屑的鉆井液過濾作業(yè)。

(3)通過秒表在鉆井液通過篩網過濾的過程中，在不同的時間，記錄不同的濾液量。

(4)當鉆井液通過篩網開始過濾時，便開始計時，并記錄計量瓶上的數據；當篩網下不再有連續(xù)的濾液進入計量瓶，則認為濾餅嚴重影響了過濾效率，結束一組實驗。

2 過濾實驗數據分析

在現場作業(yè)中，通常鉆井液的巖屑含量在5%以下，極端情況下，巖屑含量會在20%以上。為了在篩網過濾實驗中，對鉆井液中巖屑含量與過濾效率進行分析，將分別以20%、5%、2%的巖屑含量配制鉆井液。

篩網的目數直接影響鉆井液過濾后的固相含量，目數越大，過濾后的鉆井液中固相越少?，F場作業(yè)通常采用120目以下的篩網，能滿足絕大部分情況下的鉆井液過濾后的效果。為了更好地研究篩網目數對負壓過濾裝置過濾效率的影響，選取了40目、80目、120目、170目、200目分別進行過濾實驗。目數越大，也意味著篩網易堵塞，若篩網運移不及時，則裝置的整體效率將降低。

具體的結果及實驗數據如下：

(1)鉆井液含有20%的巖屑。本組實驗過程中，由于鉆井液中含有大量的巖屑，固相沉積非常快，整體的過濾性能較差，即使是40目的篩網，也會很快形成濾餅，篩網下隨即不再有連續(xù)的濾液，整體的過濾效果不佳，按照實驗方案制定標準的實驗結束，不能采集有效的數據。實驗結果和現場實際情況相符，當鉆井液含有大量巖屑時，通常需要非常大地振動，才能提高過濾效率，但過濾效果依然不佳。

(2)鉆井液含有5%、2%巖屑。對于含有5%或2%巖屑的鉆井液，40目篩網由于網眼大，阻礙小，鉆井液通過速度快，部分細小的固相隨之通過篩網，濾餅的沉積過程長，篩網可以長時間的使用。也就是說，對于含屑量5%或2%的鉆井液，負壓過濾裝置可以長時間使用40目的篩網，無需過多的注意運移走篩網。

當鉆井液通過80目，120目的篩網時，濾餅逐漸形成，濾液由連續(xù)大量濾下到斷斷續(xù)續(xù)滴下，在30～60 s之間。根據記錄到的實驗數據，分析篩網的過濾常數關系，如圖2和圖3所示。

而鉆井液通過170目數以上的篩網時，由于網眼過小，細小的固相將很快堵塞網眼，導致鉆井液通過篩網困難。

圖2 含5%巖屑鉆井液篩網網過濾常數關系曲線

圖3 含2%巖屑鉆井液篩網過濾常數關系曲線

(3)篩網運移速度分析。根據以上實驗數據分析，可以求得不同巖屑含量鉆井液通過不同目數篩網時的過濾常數，結合公式(1)和(2)，按照負壓過濾裝置180方每小時的處理量，對有利于負壓過濾裝置過濾效率的篩網運移速度進行了計算分析，結果見表1。

表1 篩網的運移速度 單位：m/s

可以看出，負壓過濾裝置中篩網的運移速度與鉆井液中巖屑的含量、篩網的目數都有關系。篩網目數越大，鉆井液中巖屑含量越小，篩網運移速度可以設計的越慢。反之，篩網的運移速度需設計的越快，將篩網上形成的、影響過濾效率的濾餅及時運移走。

4 結語

(1)鉆井液中的巖屑含量對篩網過濾效率影響較大：在20%巖屑含量下，即使實驗中網眼最大的40目篩網，網面上也會快速的形成濾餅，堵塞篩網網眼，嚴重影響過濾效率。

(2)篩網的目數不但影響過濾后鉆井液中的固相含量，也是影響負壓過濾裝置中篩網運移速度的主要因素。目數越大，濾餅形成速度加快，需設計較快的篩網運移速度。

(3)當鉆井液中巖屑含量較小，且篩網目數較小時，篩網的運移速度可以設計的比較慢；巖屑含量越大，目數越大，篩網的運移速度需要設計的越快。根據鉆井液中巖屑含量和篩網目數，設置有效的篩網運移速度，才能及時運走篩網上形成的濾餅，才能提高帶式真空過濾裝置的整體過濾效率。