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(jī)設(shè)備和鉆井工藝方面都步入了自動(dòng)化時(shí)代。相信，未來(lái)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(dòng)篩的不斷發(fā)展，固控設(shè)備的自動(dòng)化時(shí)代也來(lái)到了。
主圖
新型振動(dòng)篩的特點(diǎn)
2015年，一款多頻振動(dòng)篩出現(xiàn)在OTC市場(chǎng)。該產(chǎn)品能運(yùn)用50級(jí)的多頻振動(dòng)對(duì)鉆井液進(jìn)行凈化處理。這款振動(dòng)篩通過(guò)采用采礦業(yè)“激振器”產(chǎn)生的不同頻率和振幅來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)速度的高速變化，使振動(dòng)篩篩目上的振動(dòng)力倍增。為了推動(dòng)固控設(shè)備向著自動(dòng)化的方向發(fā)展，正在設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩具有兩個(gè)特點(diǎn)。一是采用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量；二是振動(dòng)篩工作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自控操作，無(wú)需人工干預(yù)。
“這些特點(diǎn)正在與其它先進(jìn)技術(shù)齊頭并進(jìn)，針對(duì)當(dāng)前和未來(lái)更深更長(zhǎng)水平段鉆井的需求，也包括通過(guò)提高鉆井液回收率及篩出更干巖屑來(lái)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?jiǎng)恿Α?rdquo;一位在?？松梨诠鹃_(kāi)發(fā)研究部工作了39年的前研究顧問(wèn)Leon Robinson博士說(shuō)：“人們正在取得各種各樣的重大技術(shù)突破，把從實(shí)驗(yàn)室剛剛驗(yàn)證的技術(shù)拿到現(xiàn)場(chǎng)試用就是向前邁出了一大步”。
新固空設(shè)備提效阻漏
對(duì)于一些公司來(lái)說(shuō)，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(shuō)：“鉆速低是由于未能使巖屑離開(kāi)井底所引起的。如果你不能使巖屑使迅速離開(kāi)井底，鉆頭會(huì)再次研磨同一批巖屑，使鉆井速度降下來(lái)，就好像巖石很硬鉆頭鉆不動(dòng)鉆速很慢一樣。另外，你會(huì)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(shí)間的罪魁禍?zhǔn)?，如井漏、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(gè)不同層級(jí)上看，鉆進(jìn)產(chǎn)生的過(guò)量巖屑對(duì)泥漿體系是有害的，在實(shí)際作業(yè)中，泥漿凈化系統(tǒng)中沒(méi)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(jiàn)的事，甚至更嚴(yán)重的井漏事件。你可能會(huì)遇到環(huán)空泥漿漏光的情形，所有這突如其來(lái)的事態(tài)都會(huì)因你沒(méi)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(shuō)：“就像用‘拇指規(guī)則’或‘直覺(jué)’… 這樣的術(shù)語(yǔ)來(lái)形容鉆井隊(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的鉆井人一樣，但如果他們能接受更多的信息，想象會(huì)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(cè)量工具，采用超聲波技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)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(lái)一直在研發(fā)這種工具。這項(xiàng)研發(fā)的最終版本將能測(cè)量管線滿眼流體和半滿眼流體的多項(xiàng)數(shù)據(jù)。
Norman說(shuō)道：“我們能把這種儀器接在離心機(jī)一側(cè)的吸入液流管線和另一側(cè)的流出液流管線上，測(cè)量移除固體的移動(dòng)效率”。這使得振動(dòng)篩和離心機(jī)的效率被量化，因?yàn)槟酀{在流進(jìn)和流出這些儀器的前后會(huì)得到兩種狀態(tài)的測(cè)量。Zaxxon儀器公司是從其它行業(yè)正在使用的測(cè)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(shuō)：Elgin Hyper-G型振動(dòng)篩在2015年的OTC市場(chǎng)上熱銷
傳感器的量化測(cè)試
來(lái)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(cè)試在美國(guó)休斯敦進(jìn)行，并已證明傳感器通過(guò)管線讀取數(shù)據(jù)的能力。另一個(gè)計(jì)劃在2015年11月進(jìn)行的流量循環(huán)試驗(yàn)將運(yùn)用環(huán)流來(lái)測(cè)試鉆井泥漿系統(tǒng)的傳感器，確定傳感器在測(cè)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(shuō)：“從這一點(diǎn)上看，在用管夾傳感器借助一個(gè)計(jì)劃的160管線的測(cè)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(hào)進(jìn)行放大來(lái)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(jì)，一臺(tái)小型陸上鉆機(jī)可能需要6-8個(gè)超聲波傳感器，一個(gè)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(wú)需任何焊接安裝在管線外部，因此傳感器在新老鉆機(jī)上都能使用。傳感器可能會(huì)與一個(gè)獨(dú)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(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給PLC。Norman說(shuō)：“我們可以把傳感器夾在立管上、每個(gè)泥漿泵上、吸入管線和離心機(jī)上、離心機(jī)的泄流管線上以及其它的液流管線上。無(wú)論你把傳感器安裝在哪兒都能測(cè)量相關(guān)部位液流的屬性。鉆井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(huì)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(gè)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(jiàn)的時(shí)間損失窗戶，利用一個(gè)更加自動(dòng)化的工藝來(lái)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(zhǎng)河里所走過(guò)的自動(dòng)化道路，沒(méi)有人走到半路又掉回頭來(lái)回到手動(dòng)方法，我們的行業(yè)也沒(méi)有什么不同，現(xiàn)在做準(zhǔn)備已經(jīng)很慢了”Norman說(shuō)到。
環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)與回收的挑戰(zhàn)
鉆井液部門(mén)主管Ben Hiltl說(shuō)：“當(dāng)今市場(chǎng)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(dòng)篩大約為6-8種振動(dòng)頻率，這種振動(dòng)篩更可能從結(jié)構(gòu)上損害振動(dòng)篩的振動(dòng)藍(lán)，這里提供的所有振動(dòng)篩，包括我們的產(chǎn)品的問(wèn)題都集中在振動(dòng)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(dòng)能量”。Hiltl認(rèn)為，這些振動(dòng)篩作為第一道防線確實(shí)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(diǎn)針對(duì)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(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，這些設(shè)備包括離心巖屑干燥機(jī)或烘干振動(dòng)篩，使用更細(xì)孔徑的篩目。相比液流振動(dòng)篩，這些烘干振動(dòng)篩沒(méi)有采用多級(jí)方式對(duì)巖屑進(jìn)行脫漿處理。
多頻振動(dòng)篩的應(yīng)用
2015年的OTC市場(chǎng)上，鉆井液服務(wù)公司展出了商業(yè)化的多頻振動(dòng)篩，根據(jù)公司發(fā)布的信息，這款多頻振動(dòng)篩能對(duì)泥漿進(jìn)行多達(dá)50級(jí)的凈化處理，起初的驅(qū)動(dòng)力源自Chevron的支持，因?yàn)檫@家石油公司曾尋找多種途徑來(lái)篩出更干的巖屑，首次設(shè)計(jì)了一臺(tái)可以烘干巖屑的振動(dòng)篩，而這款振動(dòng)篩也能作為一臺(tái)液流振動(dòng)篩或泥漿凈化器來(lái)使用。這款振動(dòng)篩在篩目網(wǎng)下面添加了一系列獲得專利的激勵(lì)器，在振動(dòng)篩振動(dòng)時(shí)激勵(lì)器能增加篩目上的重力，振動(dòng)篩通過(guò)一個(gè)彈性體將重物與一個(gè)拍打器連接起來(lái)進(jìn)行前后擺動(dòng)，拍打器安裝在篩網(wǎng)下面，當(dāng)振動(dòng)篩的振動(dòng)藍(lán)在篩目上施加重力時(shí)，激勵(lì)器給振動(dòng)篩增加的重力運(yùn)用在篩目上，Hiltl說(shuō)：“振動(dòng)篩的振動(dòng)與拍打器的拍打使擺動(dòng)越來(lái)越大，高重力僅施加在篩目的表面，而非振動(dòng)篩設(shè)備上”。
無(wú)論是多頻振動(dòng)篩還是標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)篩通常都運(yùn)行在1800rpm的轉(zhuǎn)速下，根據(jù)Hiltl的介紹，激勵(lì)器能提高施加給鉆井液的重力從8到50個(gè)等級(jí)，而且，多頻振動(dòng)篩還能通過(guò)一個(gè)無(wú)極變頻器（VFD）使每一個(gè)周期的重力強(qiáng)度產(chǎn)生變化，而標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)篩的振動(dòng)強(qiáng)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(dòng)篩能產(chǎn)生多頻振動(dòng)，避免篩目的篩孔堵塞，當(dāng)較小的固體顆粒在振動(dòng)篩篩目的篩孔停留時(shí)，減少了體積的處理過(guò)程，對(duì)于使用恒頻振動(dòng)篩而言這是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。
多頻振動(dòng)篩的振動(dòng)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(guò)無(wú)極變頻器來(lái)提高施加在篩網(wǎng)上的振動(dòng)重力，從而到達(dá)一個(gè)所需的范圍，如30-50 級(jí)。振動(dòng)篩上的激勵(lì)器選自一個(gè)帶有專利的采礦技術(shù)，一個(gè)從事鉆井液服務(wù)的合資公司FSIVIRTO公司正在使用此項(xiàng)技術(shù)。JV公司使用了同類型的激勵(lì)器，采煤業(yè)在篩選煤時(shí)使用過(guò)這樣的激勵(lì)器，它與鉆井行業(yè)使用的振動(dòng)篩功能很相似。（未完待續(xù)）
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