如果清潔的泥漿是鉆井作業(yè)的生命液，那么控制井筒巖屑和固相含量則是保持井眼良好工況的首要前提。除固控設(shè)備及其相關(guān)技術(shù)工藝外，鉆機設(shè)備和鉆井工藝方面都步入了自動化時代。相信，未來技術(shù)的進(jìn)步或能改變這一方面。隨著超聲波傳感器和智能振動篩的不斷發(fā)展，固控設(shè)備的自動化時代也來到了。
主圖
新型振動篩的特點
2015年，一款多頻振動篩出現(xiàn)在OTC市場。該產(chǎn)品能運用50級的多頻振動對鉆井液進(jìn)行凈化處理。這款振動篩通過采用采礦業(yè)“激振器”產(chǎn)生的不同頻率和振幅來實現(xiàn)振動速度的高速變化，使振動篩篩目上的振動力倍增。為了推動固控設(shè)備向著自動化的方向發(fā)展，正在設(shè)計的振動篩具有兩個特點。一是采用超聲波傳感器實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)測量；二是振動篩工作時可以實現(xiàn)自控操作，無需人工干預(yù)。
“這些特點正在與其它先進(jìn)技術(shù)齊頭并進(jìn)，針對當(dāng)前和未來更深更長水平段鉆井的需求，也包括通過提高鉆井液回收率及篩出更干巖屑來達(dá)到進(jìn)一步節(jié)省成本的經(jīng)濟(jì)需求。正如該行業(yè)大多數(shù)技術(shù)創(chuàng)新一樣，挑戰(zhàn)是將這些新技術(shù)應(yīng)用到該領(lǐng)域的重要動力。”一位在?？松梨诠鹃_發(fā)研究部工作了39年的前研究顧問Leon Robinson博士說：“人們正在取得各種各樣的重大技術(shù)突破，把從實驗室剛剛驗證的技術(shù)拿到現(xiàn)場試用就是向前邁出了一大步”。
新固空設(shè)備提效阻漏
對于一些公司來說，他們或許不愿考慮使用新的固控設(shè)備和技術(shù)，Robinson博士敦促他們仔細(xì)看一看新的固控設(shè)備是如何影響鉆井性能和鉆井效率的。Robinson博士說：“鉆速低是由于未能使巖屑離開井底所引起的。如果你不能使巖屑使迅速離開井底，鉆頭會再次研磨同一批巖屑，使鉆井速度降下來，就好像巖石很硬鉆頭鉆不動鉆速很慢一樣。另外，你會遇到高扭矩高摩阻的井下工況，你可能在想你已經(jīng)加了13.6t鉆壓，可是你卻可能只給鉆頭加了6.8t鉆壓，原因是有6.8t的井眼摩阻，這部分摩阻抵消了一部分鉆壓，使你不能將13.6t的鉆壓全都加到鉆頭上。”
低效的固控設(shè)備可能是導(dǎo)致許多非生產(chǎn)時間的罪魁禍?zhǔn)祝缇?、卡鉆、井控事故等。Zaxxon儀器公司的常務(wù)總經(jīng)理Norman認(rèn)為，從多個不同層級上看，鉆進(jìn)產(chǎn)生的過量巖屑對泥漿體系是有害的，在實際作業(yè)中，泥漿凈化系統(tǒng)中沒能有效地去除和處理好鉆出的巖屑，由此產(chǎn)生誘發(fā)性井漏是常見的事，甚至更嚴(yán)重的井漏事件。你可能會遇到環(huán)空泥漿漏光的情形，所有這突如其來的事態(tài)都會因你沒有迅速采取有效的阻漏措施而導(dǎo)致井漏發(fā)生。
一種新型解決方案
Norman建議探索多種方式，在固控和鉆井效率之間找到更有效的量化關(guān)系。他說：“就像用‘拇指規(guī)則’或‘直覺’… 這樣的術(shù)語來形容鉆井隊經(jīng)驗豐富的鉆井人一樣，但如果他們能接受更多的信息，想象會發(fā)生怎樣的可能性”。一種可能的解決方案仍在研發(fā)之中。這可能是一種卡箍式測量工具，采用超聲波技術(shù)實時測量流體密度、流量、顆粒尺寸分布和流變學(xué)參數(shù)。這種工具被命名為Rheopipe 。Rheopipe是一種超聲波傳感器，這種傳感器能接在管線外面。Zaxxon儀器公司自2013年夏季以來一直在研發(fā)這種工具。這項研發(fā)的最終版本將能測量管線滿眼流體和半滿眼流體的多項數(shù)據(jù)。
Norman說道：“我們能把這種儀器接在離心機一側(cè)的吸入液流管線和另一側(cè)的流出液流管線上，測量移除固體的移動效率”。這使得振動篩和離心機的效率被量化，因為泥漿在流進(jìn)和流出這些儀器的前后會得到兩種狀態(tài)的測量。Zaxxon儀器公司是從其它行業(yè)正在使用的測量流量的類似工具中得到的這一靈感，如食品加工業(yè)、化學(xué)制品業(yè)和化妝品業(yè)。
圖說：Elgin Hyper-G型振動篩在2015年的OTC市場上熱銷
傳感器的量化測試
來自Zaxxon儀器公司的消息，由殼牌發(fā)起的最初的流量循環(huán)測試在美國休斯敦進(jìn)行，并已證明傳感器通過管線讀取數(shù)據(jù)的能力。另一個計劃在2015年11月進(jìn)行的流量循環(huán)試驗將運用環(huán)流來測試鉆井泥漿系統(tǒng)的傳感器，確定傳感器在測量鉆井液密度、流量、固體顆粒尺寸分布和泥漿流變學(xué)等參數(shù)的有效性。Norman說：“從這一點上看，在用管夾傳感器借助一個計劃的160管線的測試中，我們正取得一些良好結(jié)果，但數(shù)據(jù)有些嘈雜，需要將信號進(jìn)行放大來處理，而且傳感器需要更大的采集功率”。
如果能夠證明這些傳感器的效率，Norman估計，一臺小型陸上鉆機可能需要6-8個超聲波傳感器，一個深水鉆井船可能需要20-30超聲波傳感器裝置。由于這些傳感器可以無需任何焊接安裝在管線外部，因此傳感器在新老鉆機上都能使用。傳感器可能會與一個獨立的外置PLC（可編程控制器）一同安裝，破譯或解碼傳感器采集的數(shù)據(jù)，由傳感器的發(fā)射裝置通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給PLC。Norman說：“我們可以把傳感器夾在立管上、每個泥漿泵上、吸入管線和離心機上、離心機的泄流管線上以及其它的液流管線上。無論你把傳感器安裝在哪兒都能測量相關(guān)部位液流的屬性。鉆井隊現(xiàn)場和辦公文職人員的任何人都能很容易獲取這些信息。整套傳感器系統(tǒng)會讓我們使用較少的傳感器，捕獲我們所需的數(shù)據(jù)，提供一個完整的優(yōu)化鉆井液性能的處理系統(tǒng)”。
Zaxxon公司確信，這些超聲波傳感器能提供一扇看不見的時間損失窗戶，利用一個更加自動化的工藝來幫助作業(yè)者理解采用的固控技術(shù)需要做什么才能真正提高鉆井效率。 “如果你看看其它行業(yè)在歷史長河里所走過的自動化道路，沒有人走到半路又掉回頭來回到手動方法，我們的行業(yè)也沒有什么不同，現(xiàn)在做準(zhǔn)備已經(jīng)很慢了”Norman說到。
環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)與回收的挑戰(zhàn)
鉆井液部門主管Ben Hiltl說：“當(dāng)今市場上幾乎每一款標(biāo)準(zhǔn)的用在鉆井泥漿凈化上的液流振動篩大約為6-8種振動頻率，這種振動篩更可能從結(jié)構(gòu)上損害振動篩的振動藍(lán)，這里提供的所有振動篩，包括我們的產(chǎn)品的問題都集中在振動藍(lán)能接受多大的輸入流量，以及泥漿究竟能得到多大的振動能量”。Hiltl認(rèn)為，這些振動篩作為第一道防線確實能從泥漿中分離出所鉆的固體巖屑，但這或許并不能充分滿足作業(yè)者重點針對廢物管理要達(dá)到的當(dāng)今的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，如EPA 9095B標(biāo)準(zhǔn)。另外，行業(yè)衰退和業(yè)績低迷意味著作業(yè)者正在尋找可回收的能夠再利用的昂貴的鉆井液，利用各種輔助設(shè)備來實現(xiàn)這些目標(biāo)，這些設(shè)備包括離心巖屑干燥機或烘干振動篩，使用更細(xì)孔徑的篩目。相比液流振動篩，這些烘干振動篩沒有采用多級方式對巖屑進(jìn)行脫漿處理。
多頻振動篩的應(yīng)用
2015年的OTC市場上，鉆井液服務(wù)公司展出了商業(yè)化的多頻振動篩，根據(jù)公司發(fā)布的信息，這款多頻振動篩能對泥漿進(jìn)行多達(dá)50級的凈化處理，起初的驅(qū)動力源自Chevron的支持，因為這家石油公司曾尋找多種途徑來篩出更干的巖屑，首次設(shè)計了一臺可以烘干巖屑的振動篩，而這款振動篩也能作為一臺液流振動篩或泥漿凈化器來使用。這款振動篩在篩目網(wǎng)下面添加了一系列獲得專利的激勵器，在振動篩振動時激勵器能增加篩目上的重力，振動篩通過一個彈性體將重物與一個拍打器連接起來進(jìn)行前后擺動，拍打器安裝在篩網(wǎng)下面，當(dāng)振動篩的振動藍(lán)在篩目上施加重力時，激勵器給振動篩增加的重力運用在篩目上，Hiltl說：“振動篩的振動與拍打器的拍打使擺動越來越大，高重力僅施加在篩目的表面，而非振動篩設(shè)備上”。
無論是多頻振動篩還是標(biāo)準(zhǔn)振動篩通常都運行在1800rpm的轉(zhuǎn)速下，根據(jù)Hiltl的介紹，激勵器能提高施加給鉆井液的重力從8到50個等級，而且，多頻振動篩還能通過一個無極變頻器（VFD）使每一個周期的重力強度產(chǎn)生變化，而標(biāo)準(zhǔn)振動篩的振動強度則保持恒定。由于重力周期重復(fù)地加速和減速，這使得新款振動篩能產(chǎn)生多頻振動，避免篩目的篩孔堵塞，當(dāng)較小的固體顆粒在振動篩篩目的篩孔停留時，減少了體積的處理過程，對于使用恒頻振動篩而言這是一個風(fēng)險。
多頻振動篩的振動頻率從30到1000赫茲，施加的重力范圍能被調(diào)整，例如：一名操作員可以通過無極變頻器來提高施加在篩網(wǎng)上的振動重力，從而到達(dá)一個所需的范圍，如30-50 級。振動篩上的激勵器選自一個帶有專利的采礦技術(shù)，一個從事鉆井液服務(wù)的合資公司FSIVIRTO公司正在使用此項技術(shù)。JV公司使用了同類型的激勵器，采煤業(yè)在篩選煤時使用過這樣的激勵器，它與鉆井行業(yè)使用的振動篩功能很相似。（未完待續(xù)）
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