Nel processo di perforazione, eccellenti prestazioni del fluido di perforazione sono un prerequisito per migliorare la velocità di perforazione, ridurre i costi di perforazione, prevenire incidenti in pozzo e proteggere le formazioni produttrici di petrolio e gas. Il sistema di controllo dei solidi del fluido di perforazione è la garanzia per mantenere le prestazioni del fluido di perforazione.
Con lo sviluppo dell'industria dell'esplorazione petrolifera, le profondità di perforazione aumentano costantemente e le formazioni incontrate diventano sempre più complesse. Pozzi speciali come pozzi profondi, ultra-profondi, orizzontali e a bassa pressione diventano sempre più comuni, ponendo requisiti più elevati ai sistemi di controllo dei solidi del fluido di perforazione.
Negli ultimi anni, i sistemi di controllo dei solidi hanno visto significativi miglioramenti tecnologici, dai serbatoi di circolazione del fluido di perforazione alle attrezzature di controllo dei solidi, e il flusso di processo è diventato più razionale. Tuttavia, esistono ancora molte incomprensioni riguardo all'abbinamento dei sistemi di controllo dei solidi.
1. Serbatoio di circolazione del fluido di perforazione.
Il volume effettivo del serbatoio di circolazione del fluido di perforazione deve essere sufficiente ad accogliere il volume massimo di circolazione del fluido di perforazione durante la perforazione, e avere un'adeguata capacità di riserva. Deve anche essere in grado di impegnarsi prontamente nella circolazione e controllare il pozzo in caso di emergenza. Negli ultimi anni, con la continua espansione dei mercati esteri e le crescenti esigenze della tecnologia di perforazione sui sistemi di controllo dei solidi del fluido di perforazione, si è verificato un fenomeno di espansione cieca del volume dei serbatoi di circolazione del fluido di perforazione.
Il volume eccessivo del sistema di controllo dei solidi aumenta il costo di rilocalizzazione dell'impianto di perforazione e i costi del fluido di perforazione. Pertanto, un volume ragionevole è l'obiettivo perseguito dagli utenti.
Le dimensioni di un singolo serbatoio e il numero di serbatoi di circolazione in un sistema di controllo dei solidi sono generalmente determinati in base a fattori quali l'altezza della base del derrick, le condizioni di trasporto locali e il volume effettivo richiesto dall'impianto di perforazione. Deve essere fornito spazio sufficiente sulla superficie del serbatoio di circolazione per accogliere le attrezzature di controllo dei solidi, gli agitatori e le pompe di trasferimento del fluido di perforazione. Inoltre, deve essere considerato spazio per il collegamento di tubazioni, serbatoi di fango, accessori, tubazioni di aspirazione e scarico delle pompe, tubazioni dell'acqua e altre attrezzature. Il volume di ogni compartimento è determinato principalmente dallo spazio di installazione disponibile per le attrezzature di controllo dei solidi come vagli vibranti, desander, desilter e centrifughe, nonché dalle loro attrezzature ausiliarie.
2. Flusso di processo del sistema di controllo dei solidi e abbinamento delle attrezzature.
Il flusso di processo dell'intero sistema di controllo dei solidi dovrebbe soddisfare i requisiti per cinque stadi di controllo dei solidi del fluido di perforazione (setacciatura—degassazione—desanding—desilting—centrifugazione) e pesatura del fango. L'abbinamento ottimizzato delle attrezzature di controllo dei solidi è cruciale. Le capacità di elaborazione degli stadi 1-5 delle attrezzature di controllo dei solidi dovrebbero essere reciprocamente abbinate, con un'adeguata spaziatura tra le dimensioni delle particelle separate e un certo grado di sovrapposizione, consentendo alle particelle più piccole non completamente elaborate dallo stadio precedente di essere comunque elaborate dallo stadio successivo.
2.1 Processo di purificazione e circolazione del fluido di perforazione.
Il fango di testa restituito tramite tubazioni può essere trasportato individualmente o simultaneamente a vari vagli vibranti. Dopo l'elaborazione da parte dei vagli vibranti, entra nella camera di sedimentazione del fango. Il fango che trabocca dalla camera di sedimentazione entra nella camera di desanding tramite il serbatoio del fango (se si verifica un'intrusione di gas nel fango, un degasatore a vuoto può essere attivato per aspirare il fango dalla camera del degasatore per la degassazione prima che entri nella camera di desanding).
Il fango elaborato dal desander entra nella camera di desilting. Il fango elaborato dal desilter entra nella camera della centrifuga tramite il serbatoio del fango. Il fango elaborato dalla centrifuga entra nella camera di aspirazione del fluido di perforazione tramite il serbatoio del fango. Viene quindi pompato ripetutamente nel pozzo per il riutilizzo dalla pompa di perforazione. Un diagramma di flusso più razionale per il sistema di controllo dei solidi del fluido di perforazione è mostrato nella figura seguente.
2.2 Flusso di processo e selezione dei vagli vibranti.
I detriti di perforazione generati sul fondo del pozzo durante la perforazione vengono trasportati in superficie dal fluido di perforazione. I vagli vibranti sono le prime, più veloci e più grandi attrezzature di controllo dei solidi per la rimozione dei detriti di perforazione, e sono un dispositivo di trattamento di primo stadio essenziale per la perforazione.
Il livello tecnico di un vaglio vibrante si riflette principalmente nella sua capacità di elaborazione (volume di elaborazione e particelle separate), affidabilità operativa, durata e facilità di funzionamento e manutenzione. Con la dimensione, il contenuto e la viscosità delle particelle solide del fluido di perforazione costanti, maggiore è lo stress di taglio dinamico sulle particelle solide, maggiore è la resistenza iniziale al movimento delle particelle e minore è la velocità di trasporto delle particelle.
La ricerca teorica sui vagli vibranti all'estero ha pienamente riconosciuto questo punto. Prima che il fluido di perforazione fluisca dal distributore nel vaglio vibrante, viene installata una canaletta di impatto del fluido di perforazione per evitare il lavaggio diretto dello schermo da parte del fluido di perforazione, riducendo al minimo lo stress di taglio dinamico sul fluido di perforazione restituito dalla testa del pozzo.
Non solo la forza e il movimento delle particelle solide sono più razionali, ma riduce anche le perdite di fluido di perforazione e aumenta la portata del fluido di perforazione, prolungando la durata dello schermo. Tuttavia, a causa delle differenze nei materiali, nella tecnologia di lavorazione, nella precisione di lavorazione e nelle attrezzature generali compatibili tra i produttori, le prestazioni tecniche effettive dei prodotti variano in modo significativo.
Pertanto, quando si seleziona un vaglio vibrante, è fondamentale comprendere in dettaglio i materiali, la tecnologia di lavorazione, la precisione di lavorazione e le attrezzature generali compatibili, piuttosto che fare affidamento esclusivamente sui parametri tecnici dichiarati. Oltre a selezionare uno schermo adatto in base alla distribuzione granulometrica delle particelle solide, un altro fattore importante da considerare nella scelta di un vaglio vibrante è la sua portata ammissibile. La capacità di portata del vaglio vibrante dovrebbe essere in grado di accogliere la massima velocità di scarico durante la perforazione.
I fattori che influenzano la portata del vaglio vibrante includono i suoi parametri di movimento, il tipo di fluido di perforazione, la densità, la viscosità, la distribuzione granulometrica e il contenuto delle particelle solide e la dimensione dello schermo. Per soddisfare i requisiti di elevate velocità di scarico, a volte è necessario utilizzare 2-3 vagli vibranti in parallelo.
2.3 Processo di funzionamento e attrezzature dell'idrociclone.
La maggior parte dei produttori di attrezzature per il controllo dei solidi nel mio paese può produrre idrocicloni, ovvero desander e desilter. L'indicatore di qualità principale per gli idrocicloni è la resistenza all'usura, e le loro prestazioni sono determinate principalmente dalla dimensione delle particelle di separazione, D50. Un D50 inferiore indica una migliore efficienza di separazione.
Quando si configurano desander e desilter, è importante garantire che gli intervalli di separazione delle particelle abbiano sia una spaziatura sufficiente che una sovrapposizione. Secondo gli standard di classificazione e le dimensioni delle particelle di separazione degli idrocicloni, gli idrocicloni con un diametro interno della voluta cilindrica di Φ150–300 mm e una dimensione delle particelle di separazione di 44–74 μm sono classificati come desander.
Gli idrocicloni con un diametro interno della voluta cilindrica di Φ100–125 mm e una dimensione delle particelle di separazione di 15–44 μm sono classificati come desilter. Tuttavia, molti desander e desilter effettivamente utilizzati sul campo separano particelle di dimensioni simili (desander per 20–50 μm e desilter per 15–45 μm). Il fluido di perforazione trattato da un desander viene quindi trattato da un desilter, rendendo il desilter inefficace nella rimozione delle particelle solide. La ragione principale è che molti idrocicloni sono mal fabbricati e non soddisfano i requisiti del processo di perforazione. Pertanto, molti utenti optano per una configurazione a doppio desander invece di un singolo desander e desilter.
Alcuni utenti installano semplicemente un secondo desander nella posizione originale del desilter senza alterare il flusso di processo. Questo approccio non è raccomandato, poiché entrambi i desander hanno parametri di prestazione identici. Dovrebbe essere utilizzato un flusso di processo parallelo, che funga da backup reciproco o aumenti la portata del fluido di perforazione durante la perforazione rapida.
Per pozzi speciali con elevati requisiti di prestazioni del fluido di perforazione, una configurazione ragionevole rimane un desander e un desilter in serie. Tuttavia, quando si selezionano desander e desilter, dovrebbero essere scelti prodotti con intervalli di dimensioni delle particelle diversi. Ad esempio, un desander con una dimensione delle particelle di separazione di 47–76 μm e un deslimor con una dimensione delle particelle di separazione di 15–47 μm possono ottenere un migliore effetto di trattamento.
2.4 Flusso di processo della centrifuga.
Gli esperti del settore della perforazione concordano generalmente sul ruolo cruciale delle centrifughe nei sistemi di controllo dei solidi. La maggior parte delle squadre di perforazione in Cina è dotata di centrifughe a media velocità con una potenza dell'unità principale di 18,5, 22, 37 o 45 kW e velocità di rotazione di 1300–2200 giri/min. Attualmente, le centrifughe sono principalmente divise in due tipi: centrifughe a media velocità e centrifughe ad alta velocità.
Le centrifughe a media velocità si riferiscono a centrifughe con una velocità di rotazione di 1300–2200 giri/min, che generano una forza centrifuga circa 800 volte quella di gravità, e una capacità di elaborazione di 40–60 m³/h. Queste centrifughe vengono utilizzate per rimuovere particelle solide di 5–7 μm. Le centrifughe ad alta velocità si riferiscono a centrifughe con una velocità di rotazione di 2500–3300 giri/min, che generano una forza centrifuga circa 1200–2100 volte quella di gravità, e sono in grado di separare particelle di dimensioni 2–5 μm.
Le centrifughe ad alta velocità sono divise in due tipi: una è una centrifuga ad alta velocità a controllo a frequenza completamente variabile. La capacità di elaborazione di questa centrifuga può essere regolata automaticamente in base alle proprietà del fluido di perforazione, e può controllare efficacemente le proprietà del fluido di perforazione attraverso il monitoraggio del carico in tempo reale e la tecnologia di controllo automatico ad anello chiuso a conversione di frequenza completa. È un dispositivo ideale per la purificazione in fase solida per la perforazione di pozzi profondi e orizzontali con requisiti di processo speciali.
Un altro tipo è la centrifuga ad alta velocità a velocità fissa. Queste centrifughe hanno tipicamente 2-3 velocità superiori alle centrifughe ordinarie. Gli operatori valutano le proprietà del fluido di perforazione e regolano manualmente la velocità della centrifuga per ottenere migliori risultati di trattamento del fluido di perforazione. Le centrifughe hanno svolto un ruolo sempre più importante nel trattamento dei fluidi di perforazione. Molte squadre di perforazione sono dotate di due centrifughe. È importante notare che quando si utilizzano due centrifughe con specifiche tecniche identiche (generalmente centrifughe a media velocità, a volte con diverse capacità di elaborazione), dovrebbe essere utilizzato un processo parallelo per il backup o per aumentare la capacità di elaborazione del fluido di perforazione durante la perforazione rapida.
Attualmente, aziende straniere come Derrick e Swaco hanno prodotto centrifughe ad alta velocità a controllo a frequenza completamente variabile. Queste centrifughe ad alta velocità sono costose e richiedono operatori altamente qualificati, necessitando di funzionamento e manutenzione da parte di ingegneri elettrici specializzati. Attualmente, solo poche squadre di perforazione nazionali che operano all'estero sono dotate di questo tipo di centrifuga ad alta velocità.
In Cina, per pozzi speciali con elevati requisiti di prestazioni del fluido di perforazione, si raccomanda di utilizzare un processo che coinvolge una centrifuga a media velocità e una centrifuga ad alta velocità prodotta a livello nazionale collegate in serie. Il fluido di perforazione, dopo essere stato elaborato da una centrifuga a media velocità, entra nel serbatoio di alimentazione di una centrifuga ad alta velocità. Dopo un'ulteriore elaborazione da parte della centrifuga ad alta velocità, entra nel sistema di circolazione per il riutilizzo.
A questo punto, la fase solida del fluido di perforazione è efficacemente purificata, il che è vantaggioso per prolungare la durata delle attrezzature a valle (pompe di perforazione, utensili di perforazione, strumenti di fondo pozzo, ecc.), risparmiare il consumo di materiale del fango e aumentare la velocità di perforazione meccanica.
3. Conclusioni.
1) Selezionare vagli vibranti con buone prestazioni e design ragionevole, e scegliere il numero e la dimensione dello schermo richiesti dei vagli vibranti in base alle proprietà del fluido di perforazione.
2) Selezionare desander e desilter con buone prestazioni e parametri di abbinamento ragionevoli, e adottare un flusso di processo in serie per ottenere migliori effetti di rimozione di desander e desilter.
3) Utilizzare un flusso di processo in serie di centrifughe a media e alta velocità per migliorare la durata delle attrezzature a valle (pompe di perforazione, utensili di perforazione, strumenti di fondo pozzo, ecc.), risparmiare il consumo di materiale del fango e aumentare la velocità di perforazione meccanica.
I risultati dell'analisi statistica mostrano che circa il 90% del costo di manutenzione giornaliera del fluido di perforazione durante la perforazione è correlato al controllo dei solidi. Il costo della barite, un agente appesantitore nel fluido di perforazione, rappresenta circa il 75% del costo totale dei materiali del fluido di perforazione.
Pertanto, selezionare e utilizzare correttamente i sistemi e le attrezzature di controllo dei solidi può rimuovere significativamente i detriti di perforazione, ridurre il consumo di fluido di perforazione e i relativi materiali e agenti di trattamento, e quindi ottenere migliori benefici economici.
