?

در فرآیند حفاری، عملکرد عالی سیال حفاری پیش‌نیازی برای بهبود سرعت حفاری، کاهش هزینه‌های حفاری، جلوگیری از حوادث چاه و حفاظت از سازندهای تولیدکننده نفت و گاز است. سیستم کنترل جامدات سیال حفاری تضمین کننده حفظ عملکرد سیال حفاری است.

با توسعه صنعت اکتشاف نفت، عمق حفاری به طور مداوم در حال افزایش است و سازندهای برخورد شده پیچیده‌تر می‌شوند. چاه‌های ویژه مانند چاه‌های عمیق، فوق عمیق، افقی و کم فشار به طور فزاینده‌ای رایج می‌شوند و الزامات بالاتری را برای سیستم‌های کنترل جامدات سیال حفاری ایجاد می‌کنند.

در سال‌های اخیر، سیستم‌های کنترل جامدات شاهد بهبودهای قابل توجهی در فناوری بوده‌اند، از مخازن گردش سیال حفاری گرفته تا تجهیزات کنترل جامدات، و جریان فرآیند منطقی‌تر شده است. با این حال، هنوز تصورات غلط زیادی در مورد تطابق سیستم‌های کنترل جامدات وجود دارد.

۱. مخزن گردش سیال حفاری.

حجم مؤثر مخزن گردش سیال حفاری باید کافی باشد تا حجم گردش حداکثر سیال حفاری در حین حفاری را در خود جای دهد و ظرفیت ذخیره کافی داشته باشد. همچنین باید قادر به گردش و کنترل چاه در مواقع اضطراری باشد. در سال‌های اخیر، با گسترش مداوم بازارهای خارج از کشور و افزایش تقاضای فناوری حفاری بر سیستم‌های کنترل جامدات سیال حفاری، پدیده‌ای از افزایش کورکورانه حجم مخازن گردش سیال حفاری مشاهده شده است.

حجم بیش از حد سیستم کنترل جامدات، هزینه جابجایی دکل حفاری و هزینه‌های سیال حفاری را افزایش می‌دهد. بنابراین، حجم معقول هدفی است که کاربران دنبال می‌کنند.

اندازه یک مخزن منفرد و تعداد مخازن گردش در یک سیستم کنترل جامدات معمولاً بر اساس عواملی مانند ارتفاع پایه دکل، شرایط حمل و نقل محلی و حجم مؤثر مورد نیاز دکل حفاری تعیین می‌شود. فضای کافی باید در سطح مخزن گردش برای جای دادن تجهیزات کنترل جامدات، همزن‌ها و پمپ‌های انتقال سیال حفاری فراهم شود. علاوه بر این، باید فضایی برای اتصال خطوط لوله، مخازن گل، لوازم جانبی، خطوط لوله مکش و تخلیه پمپ، خطوط لوله آب و سایر تجهیزات در نظر گرفته شود. حجم هر محفظه عمدتاً توسط فضای نصب موجود برای تجهیزات کنترل جامدات مانند الک‌های لرزان، ماسه‌گیرها، لجن‌گیرها و سانتریفیوژها و همچنین تجهیزات کمکی آن‌ها تعیین می‌شود.

۲. جریان فرآیند سیستم کنترل جامدات و تطابق تجهیزات.

جریان فرآیند کل سیستم کنترل جامدات باید الزامات پنج مرحله کنترل جامدات سیال حفاری (غربالگری - گاز زدایی - ماسه‌گیری - لجن‌گیری - سانتریفیوژ) و وزن‌دهی گل را برآورده کند. تطابق بهینه تجهیزات کنترل جامدات بسیار مهم است. ظرفیت‌های پردازش مراحل ۱ تا ۵ تجهیزات کنترل جامدات باید با هم مطابقت داشته باشند، با فاصله مناسب بین اندازه‌های ذرات جدا شده و درجه‌ای از همپوشانی، که به ذرات کوچکتر که توسط مرحله قبلی به طور کامل پردازش نشده‌اند اجازه می‌دهد تا همچنان توسط مرحله بعدی پردازش شوند.

۲.۱ فرآیند تصفیه و گردش سیال حفاری.

گل سرچاه که از طریق خطوط لوله باز می‌گردد می‌تواند به صورت جداگانه یا همزمان به الک‌های لرزان مختلف منتقل شود. پس از پردازش توسط الک‌های لرزان، وارد محفظه ته‌نشینی ماسه می‌شود. گلی که از محفظه ته‌نشینی ماسه سرریز می‌شود از طریق مخزن گل وارد محفظه ماسه‌گیری می‌شود (در صورت وقوع نفوذ گاز گل، می‌توان یک هواگیر خلاء را فعال کرد تا گل را از محفظه هواگیر برای گاز زدایی قبل از ورود به محفظه ماسه‌گیری مکش کند).

گل پردازش شده توسط ماسه‌گیر وارد محفظه لجن‌گیر می‌شود. گل پردازش شده توسط لجن‌گیر از طریق مخزن گل وارد محفظه سانتریفیوژ می‌شود. گل پردازش شده توسط سانتریفیوژ از طریق مخزن گل وارد محفظه مکش سیال حفاری می‌شود. سپس به طور مکرر برای استفاده مجدد توسط پمپ حفاری به چاه پمپ می‌شود. نمودار جریان منطقی‌تر برای سیستم کنترل جامدات سیال حفاری در شکل زیر نشان داده شده است.

۲.۲ جریان فرآیند و انتخاب الک‌های لرزان.

براده‌های حفاری تولید شده در ته چاه در حین حفاری توسط سیال حفاری به سطح حمل می‌شوند. الک‌های لرزان اولین، سریع‌ترین و پرحجم‌ترین تجهیزات کنترل جامدات برای حذف براده‌های حفاری هستند و یک دستگاه تصفیه مرحله اول ضروری برای حفاری می‌باشند.

سطح فنی یک الک لرزان عمدتاً در ظرفیت پردازش (حجم پردازش و ذرات جدا شده)، قابلیت اطمینان عملیاتی، طول عمر و سهولت کار و نگهداری منعکس می‌شود. با ثابت ماندن اندازه، محتوا و ویسکوزیته ذرات جامد سیال حفاری، هرچه تنش برشی دینامیکی بر روی ذرات جامد بیشتر باشد، مقاومت اولیه در برابر حرکت ذرات بیشتر و سرعت انتقال ذرات کمتر است.

تحقیقات نظری بر روی الک‌های لرزان در خارج از کشور این نکته را به طور کامل پذیرفته است. قبل از اینکه سیال حفاری از توزیع کننده وارد الک لرزان شود، یک ناودان ضربه‌ای سیال حفاری نصب می‌شود تا از فرسایش مستقیم صفحه توسط سیال حفاری جلوگیری شود و تنش برشی دینامیکی بر روی سیال حفاری بازگشتی از سر چاه به حداقل برسد.

نه تنها نیرو و حرکت ذرات جامد منطقی‌تر است، بلکه نشت سیال حفاری را نیز کاهش می‌دهد و حجم سیال حفاری را افزایش می‌دهد و عمر مفید صفحه را افزایش می‌دهد. با این حال، به دلیل تفاوت در مواد، فناوری پردازش، دقت پردازش و تجهیزات عمومی سازگار در بین تولیدکنندگان، عملکرد فنی واقعی محصولات به طور قابل توجهی متفاوت است.

بنابراین، هنگام انتخاب یک الک لرزان، درک جزئیات مواد، فناوری پردازش، دقت پردازش و تجهیزات عمومی سازگار بسیار مهم است، به جای اینکه صرفاً به پارامترهای فنی ذکر شده تکیه شود. علاوه بر انتخاب صفحه مناسب بر اساس توزیع اندازه ذرات جامد، یکی دیگر از عوامل مهمی که هنگام انتخاب الک لرزان باید در نظر گرفته شود، ظرفیت مجاز آن است. ظرفیت عبور الک لرزان باید بتواند نرخ تخلیه حداکثر در حین حفاری را تحمل کند.

عوامل مؤثر بر ظرفیت الک لرزان شامل پارامترهای حرکتی خود، نوع سیال حفاری، چگالی، ویسکوزیته، توزیع اندازه و محتوای ذرات جامد و اندازه صفحه است. برای برآورده کردن الزامات نرخ‌های تخلیه بالا، گاهی اوقات نیاز به استفاده از ۲-۳ الک لرزان به صورت موازی است.

۲.۳ فرآیند کار هیدروسیکلون و تجهیزات.

بیشتر تولیدکنندگان تجهیزات کنترل جامدات در کشور من می‌توانند هیدروسیکلون‌ها، یعنی ماسه‌گیرها و لجن‌گیرها را تولید کنند. شاخص کیفیت اصلی هیدروسیکلون‌ها مقاومت در برابر سایش است و عملکرد آن‌ها عمدتاً توسط اندازه ذرات جدا شده، D50 تعیین می‌شود. D50 پایین‌تر نشان دهنده راندمان جداسازی بهتر است.

هنگام پیکربندی ماسه‌گیرها و لجن‌گیرها، اطمینان از اینکه محدوده‌های جداسازی ذرات هم فاصله کافی و هم همپوشانی دارند، مهم است. بر اساس استانداردهای طبقه‌بندی و اندازه‌های ذرات جدا شده هیدروسیکلون‌ها، هیدروسیکلون‌ها با قطر داخلی مارپیچ استوانه‌ای Φ۱۵۰-۳۰۰ میلی‌متر و اندازه ذرات جدا شده ۴۴-۷۴ میکرومتر به عنوان ماسه‌گیر طبقه‌بندی می‌شوند.

هیدروسیکلون‌ها با قطر داخلی مارپیچ استوانه‌ای Φ۱۰۰-۱۲۵ میلی‌متر و اندازه ذرات جدا شده ۱۵-۴۴ میکرومتر به عنوان لجن‌گیر طبقه‌بندی می‌شوند. با این حال، بسیاری از ماسه‌گیرها و لجن‌گیرهایی که در حال حاضر در میدان استفاده می‌شوند، ذرات با اندازه‌های مشابه را جدا می‌کنند (ماه‌گیرها برای ۲۰-۵۰ میکرومتر و لجن‌گیرها برای ۱۵-۴۵ میکرومتر). سیال حفاری که توسط ماسه‌گیر پردازش می‌شود سپس توسط لجن‌گیر پردازش می‌شود و لجن‌گیر را در حذف ذرات جامد بی‌اثر می‌کند. دلیل اصلی این امر این است که بسیاری از هیدروسیکلون‌ها به خوبی ساخته نشده‌اند و الزامات فرآیند حفاری را برآورده نمی‌کنند. بنابراین، بسیاری از کاربران به جای یک ماسه‌گیر و یک لجن‌گیر، یک مجموعه دو ماسه‌گیر را انتخاب می‌کنند.

برخی از کاربران به سادگی یک ماسه‌گیر دوم را در محل اصلی لجن‌گیر نصب می‌کنند بدون اینکه جریان فرآیند را تغییر دهند. این رویکرد توصیه نمی‌شود، زیرا هر دو ماسه‌گیر دارای پارامترهای عملکرد یکسان هستند. باید از جریان فرآیند موازی استفاده شود که به عنوان پشتیبان یکدیگر عمل کنند یا حجم سیال حفاری را در حین حفاری سریع افزایش دهند.

برای چاه‌های ویژه با الزامات عملکرد بالای سیال حفاری، پیکربندی منطقی همچنان یک ماسه‌گیر و یک لجن‌گیر به صورت سری است. با این حال، هنگام انتخاب ماسه‌گیرها و لجن‌گیرها، باید محصولاتی با محدوده‌های اندازه ذرات متفاوت انتخاب شوند. به عنوان مثال، یک ماسه‌گیر با اندازه ذرات جدا شده ۴۷-۷۶ میکرومتر و یک لجن‌گیر با اندازه ذرات جدا شده ۱۵-۴۷ میکرومتر می‌تواند اثر تصفیه بهتری را به دست آورد.

۲.۴ جریان فرآیند سانتریفیوژ.

کارشناسان صنعت حفاری به طور کلی در مورد نقش حیاتی سانتریفیوژها در سیستم‌های کنترل جامدات توافق دارند. بیشتر تیم‌های حفاری در چین مجهز به سانتریفیوژهای با سرعت متوسط با توان واحد اصلی ۱۸.۵، ۲۲، ۳۷ یا ۴۵ کیلووات و سرعت چرخش ۱۳۰۰-۲۲۰۰ دور در دقیقه هستند. در حال حاضر، سانتریفیوژها عمدتاً به دو نوع تقسیم می‌شوند: سانتریفیوژهای با سرعت متوسط و سانتریفیوژهای با سرعت بالا.

سانتریفیوژهای با سرعت متوسط به سانتریفیوژهایی با سرعت چرخش ۱۳۰۰-۲۲۰۰ دور در دقیقه اشاره دارند که نیروی گریز از مرکز تقریباً ۸۰۰ برابر نیروی گرانش تولید می‌کنند و ظرفیت پردازش ۴۰-۶۰ متر مکعب در ساعت دارند. این سانتریفیوژها برای حذف ذرات جامد ۵-۷ میکرومتری استفاده می‌شوند. سانتریفیوژهای با سرعت بالا به سانتریفیوژهایی با سرعت چرخش ۲۵۰۰-۳۳۰۰ دور در دقیقه اشاره دارند که نیروی گریز از مرکز تقریباً ۱۲۰۰-۲۱۰۰ برابر نیروی گرانش تولید می‌کنند و قادر به جداسازی ذرات با اندازه ۲-۵ میکرومتر هستند.

سانتریفیوژهای با سرعت بالا به دو نوع تقسیم می‌شوند: یکی سانتریفیوژ با سرعت بالا با کنترل فرکانس کامل است. ظرفیت پردازش این سانتریفیوژ می‌تواند بر اساس خواص سیال حفاری به طور خودکار تنظیم شود و می‌تواند خواص سیال حفاری را از طریق فناوری نظارت بر بار در زمان واقعی و فناوری کنترل حلقه بسته خودکار تبدیل فرکانس کامل به طور مؤثر کنترل کند. این یک دستگاه تصفیه فاز جامد ایده‌آل برای حفاری چاه‌های عمیق و افقی با الزامات فرآیند ویژه است.

نوع دیگر سانتریفیوژ با سرعت بالا با سرعت ثابت است. این سانتریفیوژها معمولاً ۲-۳ سرعت بالاتر از سانتریفیوژهای معمولی دارند. اپراتورها خواص سیال حفاری را ارزیابی کرده و سرعت سانتریفیوژ را به صورت دستی تنظیم می‌کنند تا نتایج بهتری در تصفیه سیال حفاری به دست آورند. سانتریفیوژها نقش فزاینده‌ای در تصفیه سیال حفاری ایفا کرده‌اند. بسیاری از تیم‌های حفاری مجهز به دو سانتریفیوژ هستند. لازم به ذکر است که هنگام استفاده از دو سانتریفیوژ با مشخصات فنی یکسان (معمولاً سانتریفیوژهای با سرعت متوسط، گاهی اوقات با ظرفیت‌های پردازش متفاوت)، باید از فرآیند موازی برای پشتیبان‌گیری یا افزایش ظرفیت پردازش سیال حفاری در حین حفاری سریع استفاده شود.

در حال حاضر، شرکت‌های خارجی مانند Derrick و Swaco سانتریفیوژهای با سرعت بالا با کنترل فرکانس کامل تولید کرده‌اند. این سانتریفیوژهای با سرعت بالا گران هستند و به اپراتورهای بسیار ماهر نیاز دارند و بهره‌برداری و نگهداری آن‌ها توسط مهندسان برق متخصص ضروری است. در حال حاضر، تنها تعداد کمی از تیم‌های حفاری داخلی که در خارج از کشور فعالیت می‌کنند مجهز به این نوع سانتریفیوژ با سرعت بالا هستند.

در چین، برای چاه‌های ویژه با الزامات عملکرد بالای سیال حفاری، توصیه می‌شود از فرآیندی شامل یک سانتریفیوژ با سرعت متوسط و یک سانتریفیوژ با سرعت بالا تولید داخلی که به صورت سری متصل شده‌اند، استفاده شود. سیال حفاری، پس از پردازش توسط سانتریفیوژ با سرعت متوسط، وارد مخزن تغذیه سانتریفیوژ با سرعت بالا می‌شود. پس از پردازش بیشتر توسط سانتریفیوژ با سرعت بالا، برای استفاده مجدد وارد سیستم گردش می‌شود.

در این مرحله، فاز جامد سیال حفاری به طور مؤثر تصفیه می‌شود که برای افزایش عمر مفید تجهیزات پایین‌دستی (پمپ‌های حفاری، ابزارهای حفاری، ابزارهای ته چاه و غیره)، صرفه‌جویی در مصرف مواد گل و افزایش سرعت حفاری مکانیکی مفید است.

۳. نتیجه‌گیری.

۱) الک‌های لرزان با عملکرد خوب و طراحی منطقی انتخاب کنید و تعداد و اندازه صفحه الک‌های لرزان مورد نیاز را بر اساس خواص سیال حفاری انتخاب کنید.

۲) ماسه‌گیرها و لجن‌گیرها با عملکرد خوب و پارامترهای تطابق منطقی انتخاب کنید و از جریان فرآیند سری برای دستیابی به اثرات بهتر حذف ماسه‌گیر و لجن‌گیر استفاده کنید.

۳) از جریان فرآیند سری سانتریفیوژهای با سرعت متوسط و با سرعت بالا برای بهبود عمر مفید تجهیزات پایین‌دستی (پمپ‌های حفاری، ابزارهای حفاری، ابزارهای ته چاه و غیره)، صرفه‌جویی در مصرف مواد گل و افزایش سرعت حفاری مکانیکی استفاده کنید.

نتایج تحلیل آماری نشان می‌دهد که تقریباً ۹۰٪ از هزینه نگهداری روزانه سیال حفاری در حین حفاری مربوط به کنترل جامدات است. هزینه باریت، یک عامل وزن‌دهنده در سیال حفاری، تقریباً ۷۵٪ از کل هزینه مواد سیال حفاری را تشکیل می‌دهد.

بنابراین، انتخاب و استفاده صحیح از سیستم‌ها و تجهیزات کنترل جامدات می‌تواند به طور قابل توجهی براده‌های حفاری را حذف کند، مصرف سیال حفاری و مواد و عوامل تصفیه مرتبط با آن را کاهش دهد و در نتیجه به مزایای اقتصادی بهتری دست یابد.