掘削泥水固控系统当前状况及改进措施

掘削プロセスにおいて、優れた掘削液性能は、掘削速度の向上、掘削コストの削減、坑底事故の防止、石油・ガス生産層の保護の前提条件です。掘削液固形物管理システムは、掘削液性能を維持するための保証です。

石油探査産業の発展に伴い、掘削深度は常に増加し、遭遇する地層はますます複雑になっています。深井戸、超深井戸、水平坑井、低圧掘削坑井などの特殊坑井が一般的になりつつあり、掘削液固形物管理システムに対する要求が高まっています。

近年、掘削液循環タンクから固形物管理装置に至るまで、固形物管理システムは技術的に大幅に進歩し、プロセスフローはより合理的になりました。しかし、固形物管理システムの適合性に関しては、依然として多くの誤解が存在します。

1. 掘削液循環タンク。

掘削液循環タンクの有効容量は、掘削中の掘削液の最大循環量に対応できる十分な量であり、十分な予備容量が必要です。また、緊急時に循環や坑井制御を容易に行える能力が必要です。近年、海外市場の継続的な拡大と、掘削技術が掘削液固形物管理システムに求める要求の増加に伴い、掘削液循環タンクの容量を盲目的に拡大する現象が見られます。

固形物管理システムの容量が過剰になると、掘削リグの移転コストと掘削液コストが増加します。したがって、合理的な容量はユーザーが追求する目標です。

固形物管理システムにおける単一タンクのサイズと循環タンクの数は、一般的に、掘削台の高さ、現地の輸送条件、掘削リグに必要な有効容量などの要因に基づいて決定されます。循環タンクの表面には、固形物管理装置、攪拌機、掘削液移送ポンプを収容するための十分なスペースが必要です。さらに、配管接続、泥水タンク、付属品、ポンプ吸込・吐出配管、水配管、その他の機器用のスペースも考慮する必要があります。各コンパートメントの容量は、主に振動スクリーン、砂除去装置、シルト除去装置、遠心分離機などの固形物管理装置とその補助装置の設置スペースによって決定されます。

2. 固形物管理システムプロセスフローと装置の適合性。

固形物管理システム全体のプロセスフローは、掘削液の5段階の固形物管理（スクリーニング→脱ガス→砂除去→シルト除去→遠心分離）と泥水加重の要件を満たす必要があります。固形物管理装置の最適な適合が重要です。固形物管理装置のステージ1〜5の処理能力は相互に適合し、分離された粒子サイズの間には適切な間隔があり、ある程度の重複があるため、前のステージで完全に処理されなかった小さな粒子も次のステージで処理できるようにする必要があります。

2.1 掘削液の浄化と循環プロセス。

坑口から配管で戻ってきた泥水は、個別にまたは同時に様々な振動スクリーンに輸送できます。振動スクリーンで処理された後、砂沈降室に入ります。砂沈降室からオーバーフローした泥水は、泥水タンクを経由して砂除去室に入ります（泥水ガス侵入が発生した場合は、真空脱気装置を作動させて脱気室から泥水を吸引し、砂除去室に入る前に脱気することができます）。

砂除去装置で処理された泥水は、シルト除去室に入ります。シルト除去装置で処理された泥水は、泥水タンクを経由して遠心分離室に入ります。遠心分離機で処理された泥水は、泥水タンクを経由して掘削液吸引室に入ります。その後、掘削ポンプによって繰り返し坑井に汲み上げられ再利用されます。掘削液固形物管理システムのより合理的なフローチャートを以下の図に示します。

2.2 プロセスフローと振動スクリーンの選択。

掘削中に坑底で発生する掘削くずは、掘削液によって地表に運ばれます。振動スクリーンは、掘削くずを除去するための最初、最も速く、最も大量の固形物管理装置であり、掘削の不可欠な第一段階処理装置です。

振動スクリーンの技術レベルは、主にその処理能力（処理量と分離粒子）、運用信頼性、寿命、操作とメンテナンスの容易さに反映されます。掘削液の固形粒子サイズ、含有量、粘度が一定の場合、固形粒子にかかる動的せん断応力が大きいほど、粒子移動に対する初期抵抗が大きくなり、粒子輸送速度が低下します。

海外の振動スクリーンに関する理論研究では、この点が十分に認識されています。掘削液がディストリビューターから振動スクリーンに流れ込む前に、掘削液衝撃溝が設置されており、掘削液によるスクリーンの直接的な洗浄を防ぎ、坑口から戻ってくる掘削液にかかる動的せん断応力を最小限に抑えています。

固形粒子の力と運動がより合理的になるだけでなく、掘削液の漏れを減らし、掘削液の流量を増やし、スクリーンの寿命を延ばします。しかし、メーカー間の材料、加工技術、加工精度、互換性のある汎用機器の違いにより、製品の実際の技術性能は大きく異なります。

したがって、振動スクリーンを選択する際には、記載されている技術パラメータに単に依存するのではなく、材料、加工技術、加工精度、互換性のある汎用機器を詳細に理解することが重要です。固形粒子サイズ分布に基づいて適切なスクリーンを選択することに加えて、振動スクリーンを選択する際に考慮すべきもう1つの重要な要因は、その許容流量です。振動スクリーンの流量能力は、掘削中の最大排出速度に対応できる必要があります。

振動スクリーンの流量に影響を与える要因には、その自身の運動パラメータ、掘削液の種類、密度、粘度、固形粒子サイズ分布と含有量、およびスクリーンサイズが含まれます。大流量の要件を満たすために、場合によっては2〜3個の振動スクリーンを並列に使用する必要があります。

2.3 ハイドロサイクロン作業プロセスと装置。

我が国のほとんどの固形物管理装置メーカーは、ハイドロサイクロン、すなわち砂除去装置とシルト除去装置を製造できます。ハイドロサイクロンの主な品質指標は耐摩耗性であり、その性能は主に分離粒子サイズD50によって決定されます。D50が低いほど、分離効率は高くなります。

砂除去装置とシルト除去装置を構成する際には、粒子分離範囲に十分な間隔と重複があることを確認することが重要です。ハイドロサイクロンの分類基準と分離粒子サイズによると、円筒形ボルテート内径がΦ150〜300 mmで、分離粒子サイズが44〜74 μmのハイドロサイクロンは砂除去装置に分類されます。

円筒形ボルテート内径がΦ100〜125 mmで、分離粒子サイズが15〜44 μmのハイドロサイクロンはシルト除去装置に分類されます。しかし、現場で使用されている多くの砂除去装置とシルト除去装置は、類似したサイズの粒子を分離します（砂除去装置は20〜50 μm、シルト除去装置は15〜45 μm）。砂除去装置で処理された掘削液はシルト除去装置で処理され、シルト除去装置は固形粒子の除去に効果がなくなります。主な理由は、多くのハイドロサイクロンが製造不良であり、掘削プロセス要件を満たしていないことです。したがって、多くのユーザーは、単一の砂除去装置とシルト除去装置の代わりに、2つの砂除去装置のセットアップを選択します。

一部のユーザーは、プロセスフローを変更せずに、単に2番目の砂除去装置を元のシルト除去装置の場所に設置します。両方の砂除去装置の性能パラメータは同じであるため、このアプローチは推奨されません。並列プロセスフローを使用し、互いにバックアップとして機能するか、急速掘削中の掘削液流量を増加させる必要があります。

掘削液性能要求が高い特殊坑井の場合、合理的なセットアップは依然として1つの砂除去装置と1つのシルト除去装置を直列に接続することです。しかし、砂除去装置とシルト除去装置を選択する際には、異なる粒子サイズ範囲の製品を選択する必要があります。例えば、分離粒子サイズが47〜76 μmの砂除去装置と、分離粒子サイズが15〜47 μmのシルト除去装置を使用すると、より良い処理効果が得られます。

2.4 遠心分離機プロセスフロー。

掘削業界の専門家は、固形物管理システムにおける遠心分離機の重要な役割について一般的に合意しています。中国のほとんどの掘削チームは、主機出力が18.5、22、37、または45 kWで、回転速度が1300〜2200 rpmの中速遠心分離機を備えています。現在、遠心分離機は主に中速遠心分離機と高速遠心分離機の2種類に分けられます。

中速遠心分離機とは、回転速度が1300〜2200 rpmで、重力の約800倍の遠心力を発生させ、処理能力が40〜60 m³/hの遠心分離機を指します。これらの遠心分離機は、5〜7 μmの固形粒子を除去するために使用されます。高速遠心分離機とは、回転速度が2500〜3300 rpmで、重力の約1200〜2100倍の遠心力を発生させ、2〜5 μmの粒子を分離できる遠心分離機を指します。

高速遠心分離機は2種類に分けられます。1つは全可変周波数制御高速遠心分離機です。この遠心分離機の処理能力は、掘削液の特性に応じて自動調整でき、リアルタイム負荷監視と全周波数変換自動クローズドループ制御技術により、掘削液の特性を効果的に制御できます。特殊なプロセス要件を持つ深井戸や水平坑井の掘削に理想的な固相浄化装置です。

もう1つのタイプは固定速高速遠心分離機です。これらの遠心分離機は通常、通常の遠心分離機よりも2〜3倍速いです。オペレーターは掘削液の特性を評価し、遠心分離機の速度を手動で調整して、より良い掘削液処理結果を得ます。遠心分離機は掘削液処理においてますます重要な役割を果たしています。多くの掘削チームが2台の遠心分離機を備えています。同じ技術仕様（通常は中速遠心分離機、場合によっては処理能力が異なる）の2台の遠心分離機を使用する場合、バックアップのために並列プロセスを使用するか、急速掘削中の掘削液処理能力を増加させる必要があることに注意することが重要です。

現在、DerrickやSwacoなどの海外企業は、全可変周波数制御高速遠心分離機を製造しています。これらの高速遠心分離機は高価であり、高度なスキルを持つオペレーターが必要であり、専門の電気技師による操作とメンテナンスが必要です。現在、海外で操業している国内の掘削チームの一部のみがこのタイプの高速遠心分離機を備えています。

中国では、掘削液性能要求が高い特殊坑井の場合、中速遠心分離機と国内製の高速遠心分離機を直列に接続するプロセスを使用することが推奨されます。掘削液は、中速遠心分離機で処理された後、高速遠心分離機の供給タンクに入ります。高速遠心分離機でさらに処理された後、循環システムに入り再利用されます。

この時点で、掘削液の固相は効果的に浄化され、下流の装置（掘削ポンプ、掘削工具、坑底計器など）の寿命を延ばし、泥水材料の消費を節約し、機械掘削速度を向上させるのに役立ちます。

3. 結論。

1) 性能が良く、設計が合理的な振動スクリーンを選択し、掘削液の特性に応じて必要な数とスクリーンサイズを選択してください。

2) 性能が良く、適合パラメータが合理的な砂除去装置とシルト除去装置を選択し、より良い砂除去・シルト除去効果を得るために直列プロセスフローを採用してください。

3) 中速および高速遠心分離機の直列プロセスフローを使用して、下流の装置（掘削ポンプ、掘削工具、坑底計器など）の寿命を延ばし、泥水材料の消費を節約し、機械掘削率を向上させてください。

統計分析結果によると、掘削中の掘削液の日次メンテナンスコストの約90％は固形物管理に関連しています。掘削液の加重剤であるバライトのコストは、掘削液の総材料コストの約75％を占めています。

したがって、固形物管理システムと装置を正しく選択して使用することで、掘削くずを大幅に除去し、掘削液とその関連材料および処理剤の消費を削減し、それによってより良い経済的利益を達成することができます。