Dans le processus de forage, une excellente performance du fluide de forage est une condition préalable à l'amélioration de la vitesse de forage, à la réduction des coûts de forage, à la prévention des accidents de fond et à la protection des formations productrices de pétrole et de gaz. Le système de contrôle des solides du fluide de forage est la garantie du maintien de la performance du fluide de forage.
Avec le développement de l'industrie d'exploration pétrolière, les profondeurs de forage augmentent constamment et les formations rencontrées deviennent de plus en plus complexes. Les puits spéciaux tels que les puits profonds, les puits ultra-profonds, les puits horizontaux et les puits sous-équilibrés deviennent plus courants, imposant des exigences plus élevées aux systèmes de contrôle des solides du fluide de forage.
Ces dernières années, les systèmes de contrôle des solides ont connu des améliorations technologiques significatives, des réservoirs de circulation de fluide de forage aux équipements de contrôle des solides, et le flux de processus est devenu plus rationnel. Cependant, de nombreuses idées fausses subsistent concernant la correspondance des systèmes de contrôle des solides.
1. Réservoir de circulation de fluide de forage.
Le volume effectif du réservoir de circulation de fluide de forage doit être suffisant pour accueillir le volume de circulation maximal du fluide de forage pendant le forage, et avoir une capacité de réserve adéquate. Il doit également être capable de s'engager facilement dans la circulation et de contrôler le puits en cas d'urgence. Ces dernières années, avec l'expansion continue des marchés étrangers et les exigences croissantes de la technologie de forage sur les systèmes de contrôle des solides du fluide de forage, il y a eu un phénomène d'expansion aveugle du volume des réservoirs de circulation de fluide de forage.
Un volume excessif du système de contrôle des solides augmente le coût de la relocalisation de la sonde de forage et les coûts du fluide de forage. Par conséquent, un volume raisonnable est l'objectif poursuivi par les utilisateurs.
La taille d'un réservoir unique et le nombre de réservoirs de circulation dans un système de contrôle des solides sont généralement déterminés en fonction de facteurs tels que la hauteur de la base du derrick, les conditions de transport locales et le volume effectif requis par la sonde de forage. Un espace suffisant doit être prévu à la surface du réservoir de circulation pour accueillir les équipements de contrôle des solides, les agitateurs et les pompes de transfert de fluide de forage. De plus, l'espace doit être pris en compte pour le raccordement des tuyauteries, des réservoirs de boue, des accessoires, des tuyauteries d'aspiration et de refoulement des pompes, des tuyauteries d'eau et d'autres équipements. Le volume de chaque compartiment est principalement déterminé par l'espace d'installation disponible pour les équipements de contrôle des solides tels que les tamis vibrants, les dessableurs, les désilteurs et les centrifugeuses, ainsi que leurs équipements auxiliaires.
2. Flux de processus du système de contrôle des solides et correspondance des équipements.
Le flux de processus de l'ensemble du système de contrôle des solides doit répondre aux exigences des cinq étapes de contrôle des solides du fluide de forage (criblage — dégazage — dessablage — désiltage — centrifugation) et de lestage de la boue. Une correspondance optimisée des équipements de contrôle des solides est cruciale. Les capacités de traitement des étapes 1 à 5 des équipements de contrôle des solides doivent être mutuellement adaptées, avec un espacement approprié entre les tailles de particules séparées et un certain degré de chevauchement, permettant aux particules plus petites non complètement traitées par l'étape précédente d'être toujours traitées par l'étape suivante.
2.1 Purification et circulation du fluide de forage.
La boue de tête de puits retournée par les tuyauteries peut être transportée individuellement ou simultanément vers divers tamis vibrants. Après traitement par les tamis vibrants, elle entre dans la chambre de décantation du sable. La boue débordant de la chambre de décantation entre dans la chambre de dessablage via le réservoir de boue (en cas d'intrusion de gaz dans la boue, un dégazeur sous vide peut être activé pour aspirer la boue de la chambre de dégazage avant qu'elle n'entre dans la chambre de dessablage).
La boue traitée par le dessableur entre dans la chambre de désiltage. La boue traitée par le désilteur entre dans la chambre de centrifugation via le réservoir de boue. La boue traitée par la centrifugeuse entre dans la chambre d'aspiration du fluide de forage via le réservoir de boue. Elle est ensuite pompée à plusieurs reprises dans le puits pour être réutilisée par la pompe de forage. Un schéma de flux plus rationnel pour le système de contrôle des solides du fluide de forage est montré dans la figure ci-dessous.
2.2 Flux de processus et sélection des tamis vibrants.
Les déblais de forage générés au fond du puits pendant le forage sont transportés à la surface par le fluide de forage. Les tamis vibrants sont le premier équipement de contrôle des solides, le plus rapide et le plus volumineux pour éliminer les déblais de forage, et sont un dispositif de traitement de première étape essentiel pour le forage.
Le niveau technique d'un tamis vibrant se reflète principalement dans sa capacité de traitement (volume de traitement et particules séparées), sa fiabilité opérationnelle, sa durée de vie et sa facilité d'utilisation et de maintenance. Avec la taille, la teneur et la viscosité des particules solides du fluide de forage restant constantes, plus le cisaillement dynamique sur les particules solides est important, plus la résistance initiale au mouvement des particules est grande et plus la vitesse de transport des particules est faible.
La recherche théorique sur les tamis vibrants à l'étranger a pleinement reconnu ce point. Avant que le fluide de forage ne s'écoule du distributeur dans le tamis vibrant, une goulotte d'impact de fluide de forage est installée pour éviter le lavage direct de l'écran par le fluide de forage, minimisant ainsi le cisaillement dynamique du fluide de forage retournant de la tête de puits.
Non seulement la force et le mouvement des particules solides sont plus rationnels, mais cela réduit également les fuites de fluide de forage et augmente le débit de fluide de forage, prolongeant la durée de vie de l'écran. Cependant, en raison des différences de matériaux, de technologie de traitement, de précision de traitement et d'équipements généraux compatibles entre les fabricants, les performances techniques réelles des produits varient considérablement.
Par conséquent, lors de la sélection d'un tamis vibrant, il est crucial de comprendre en détail les matériaux, la technologie de traitement, la précision de traitement et les équipements généraux compatibles, plutôt que de se fier simplement aux paramètres techniques indiqués. Outre la sélection d'un tamis approprié en fonction de la distribution granulométrique des particules solides, un autre facteur important à considérer lors du choix d'un tamis vibrant est son débit admissible. La capacité de débit du tamis vibrant doit pouvoir accueillir le débit de refoulement maximal pendant le forage.
Les facteurs affectant le débit du tamis vibrant comprennent ses propres paramètres de mouvement, le type de fluide de forage, la densité, la viscosité, la distribution granulométrique et la teneur en particules solides, ainsi que la taille de l'écran. Pour répondre aux exigences de débits élevés, il faut parfois utiliser 2 à 3 tamis vibrants en parallèle.
2.3 Processus de fonctionnement et équipement des hydrocyclones.
La plupart des fabricants d'équipements de contrôle des solides dans mon pays peuvent produire des hydrocyclones, à savoir des dessableurs et des désilteurs. Le principal indicateur de qualité des hydrocyclones est la résistance à l'usure, et leur performance est principalement déterminée par la taille des particules de séparation, D50. Un D50 plus bas indique une meilleure efficacité de séparation.
Lors de la configuration des dessableurs et des désilteurs, il est important de s'assurer que les plages de séparation des particules ont à la fois un espacement suffisant et un chevauchement. Selon les normes de classification et les tailles de particules de séparation des hydrocyclones, les hydrocyclones avec un diamètre intérieur de volute cylindrique de Φ150–300 mm et une taille de particule de séparation de 44–74 μm sont classés comme dessableurs.
Les hydrocyclones avec un diamètre intérieur de volute cylindrique de Φ100–125 mm et une taille de particule de séparation de 15–44 μm sont classés comme désilteurs. Cependant, de nombreux dessableurs et désilteurs réellement utilisés sur le terrain séparent des particules de tailles similaires (dessableurs pour 20–50 μm et désilteurs pour 15–45 μm). Le fluide de forage traité par un dessableur est ensuite traité par un désilteur, rendant le désilteur inefficace pour éliminer les particules solides. La raison principale est que de nombreux hydrocyclones sont mal fabriqués et ne répondent pas aux exigences du processus de forage. Par conséquent, de nombreux utilisateurs optent pour une configuration à deux dessableurs au lieu d'un seul dessableur et désilteur.
Certains utilisateurs installent simplement un deuxième dessableur à l'emplacement du désilteur d'origine sans modifier le flux de processus. Cette approche n'est pas recommandée, car les deux dessableurs ont des paramètres de performance identiques. Un flux de processus parallèle doit être utilisé, servant de sauvegarde mutuelle ou augmentant le débit de fluide de forage pendant le forage rapide.
Pour les puits spéciaux avec des exigences de performance élevées du fluide de forage, une configuration raisonnable reste un dessableur et un désilteur en série. Cependant, lors de la sélection des dessableurs et des désilteurs, des produits avec différentes plages de tailles de particules doivent être choisis. Par exemple, un dessableur avec une taille de particule de séparation de 47–76 μm et un désilteur avec une taille de particule de séparation de 15–47 μm peuvent obtenir un meilleur effet de traitement.
2.4 Flux de processus de la centrifugeuse.
Les experts de l'industrie du forage s'accordent généralement sur le rôle crucial des centrifugeuses dans les systèmes de contrôle des solides. La plupart des équipes de forage en Chine sont équipées de centrifugeuses à moyenne vitesse avec une puissance unitaire principale de 18,5, 22, 37 ou 45 kW et des vitesses de rotation de 1300–2200 tr/min. Actuellement, les centrifugeuses sont principalement divisées en deux types : les centrifugeuses à moyenne vitesse et les centrifugeuses à haute vitesse.
Les centrifugeuses à moyenne vitesse font référence aux centrifugeuses avec une vitesse de rotation de 1300–2200 tr/min, générant une force centrifuge d'environ 800 fois celle de la gravité, et une capacité de traitement de 40–60 m³/h. Ces centrifugeuses sont utilisées pour éliminer les particules solides de 5–7 μm. Les centrifugeuses à haute vitesse font référence aux centrifugeuses avec une vitesse de rotation de 2500–3300 tr/min, générant une force centrifuge d'environ 1200–2100 fois celle de la gravité, et capables de séparer des particules d'une taille de 2–5 μm.
Les centrifugeuses à haute vitesse sont divisées en deux types : l'une est une centrifugeuse à haute vitesse à contrôle de fréquence entièrement variable. La capacité de traitement de cette centrifugeuse peut être ajustée automatiquement en fonction des propriétés du fluide de forage, et elle peut contrôler efficacement les propriétés du fluide de forage grâce à une technologie de contrôle en boucle fermée automatique à conversion de fréquence et à surveillance de charge en temps réel. C'est un dispositif de purification de phase solide idéal pour le forage de puits profonds et de puits horizontaux avec des exigences de processus spéciales.
L'autre type est la centrifugeuse à haute vitesse à vitesse fixe. Ces centrifugeuses ont généralement 2 à 3 vitesses supérieures aux centrifugeuses ordinaires. Les opérateurs évaluent les propriétés du fluide de forage et ajustent manuellement la vitesse de la centrifugeuse pour obtenir de meilleurs résultats de traitement du fluide de forage. Les centrifugeuses ont joué un rôle de plus en plus important dans le traitement des fluides de forage. De nombreuses équipes de forage sont équipées de deux centrifugeuses. Il est important de noter que lors de l'utilisation de deux centrifugeuses avec des spécifications techniques identiques (généralement des centrifugeuses à moyenne vitesse, parfois avec des capacités de traitement différentes), un processus parallèle doit être utilisé pour la sauvegarde ou pour augmenter la capacité de traitement du fluide de forage pendant le forage rapide.
Actuellement, des entreprises étrangères telles que Derrick et Swaco ont produit des centrifugeuses à haute vitesse à contrôle de fréquence entièrement variable. Ces centrifugeuses à haute vitesse sont coûteuses et nécessitent des opérateurs hautement qualifiés, nécessitant une opération et une maintenance par des ingénieurs électriciens spécialisés. Actuellement, seules quelques équipes de forage nationales opérant à l'étranger sont équipées de ce type de centrifugeuse à haute vitesse.
En Chine, pour les puits spéciaux avec des exigences de performance élevées du fluide de forage, il est recommandé d'utiliser un processus impliquant une centrifugeuse à moyenne vitesse et une centrifugeuse à haute vitesse de fabrication nationale connectées en série. Le fluide de forage, après avoir été traité par une centrifugeuse à moyenne vitesse, entre dans le réservoir d'alimentation d'une centrifugeuse à haute vitesse. Après un traitement supplémentaire par la centrifugeuse à haute vitesse, il entre dans le système de circulation pour être réutilisé.
À ce stade, la phase solide du fluide de forage est efficacement purifiée, ce qui est bénéfique pour prolonger la durée de vie des équipements en aval (pompes de forage, outils de forage, instruments de fond, etc.), économiser la consommation de matériaux de boue et augmenter la vitesse de forage mécanique.
3. Conclusions.
1) Sélectionner des tamis vibrants avec de bonnes performances et une conception raisonnable, et choisir le nombre et la taille des tamis vibrants requis en fonction des propriétés du fluide de forage.
2) Sélectionner des dessableurs et des désilteurs avec de bonnes performances et des paramètres de correspondance raisonnables, et adopter un flux de processus en série pour obtenir de meilleurs effets d'élimination des dessableurs et des désilteurs.
3) Utiliser un flux de processus en série de centrifugeuses à moyenne et haute vitesse pour améliorer la durée de vie des équipements en aval (pompes de forage, outils de forage, instruments de fond, etc.), économiser la consommation de matériaux de boue et augmenter le taux de forage mécanique.
Les résultats de l'analyse statistique montrent qu'environ 90 % du coût de maintenance quotidien du fluide de forage pendant le forage est lié au contrôle des solides. Le coût de la barytine, un agent de lestage dans le fluide de forage, représente environ 75 % du coût total des matériaux du fluide de forage.
Par conséquent, sélectionner et utiliser correctement les systèmes et équipements de contrôle des solides peut éliminer considérablement les déblais de forage, réduire la consommation de fluide de forage et de ses matériaux et agents de traitement associés, et ainsi obtenir de meilleurs avantages économiques.
