En el proceso de perforación, un excelente rendimiento del lodo de perforación es un requisito previo para mejorar la velocidad de perforación, reducir los costos de perforación, prevenir accidentes en el fondo del pozo y proteger las formaciones productoras de petróleo y gas. El sistema de control de sólidos del lodo de perforación es la garantía para mantener el rendimiento del lodo de perforación.
Con el desarrollo de la industria de exploración de petróleo, las profundidades de perforación aumentan constantemente y las formaciones encontradas se vuelven cada vez más complejas. Pozos especiales como pozos profundos, ultraprofundos, horizontales y de baja presión son cada vez más comunes, lo que impone mayores exigencias a los sistemas de control de sólidos del lodo de perforación.
En los últimos años, los sistemas de control de sólidos han experimentado mejoras tecnológicas significativas, desde los tanques de circulación de lodo de perforación hasta los equipos de control de sólidos, y el flujo del proceso se ha vuelto más racional. Sin embargo, todavía existen muchas ideas erróneas con respecto a la adaptación de los sistemas de control de sólidos.
1. Tanque de Circulación de Lodo de Perforación.
El volumen efectivo del tanque de circulación de lodo de perforación debe ser suficiente para acomodar el volumen máximo de circulación de lodo de perforación durante la perforación, y tener una capacidad de reserva adecuada. También debe ser capaz de participar fácilmente en la circulación y controlar el pozo en emergencias. En los últimos años, con la continua expansión de los mercados extranjeros y las crecientes demandas de la tecnología de perforación en los sistemas de control de sólidos del lodo de perforación, ha habido un fenómeno de expansión ciega del volumen de los tanques de circulación de lodo de perforación.
El volumen excesivo del sistema de control de sólidos aumenta el costo de reubicación del equipo de perforación y los costos del lodo de perforación. Por lo tanto, un volumen razonable es el objetivo que persiguen los usuarios.
El tamaño de un solo tanque y el número de tanques de circulación en un sistema de control de sólidos generalmente se determinan en función de factores como la altura de la base del mástil, las condiciones de transporte locales y el volumen efectivo requerido por el equipo de perforación. Se debe proporcionar suficiente espacio en la superficie del tanque de circulación para acomodar equipos de control de sólidos, agitadores y bombas de transferencia de lodo de perforación. Además, se debe considerar espacio para conectar tuberías, tanques de lodo, accesorios, tuberías de succión y descarga de bombas, tuberías de agua y otros equipos. El volumen de cada compartimento se determina principalmente por el espacio de instalación disponible para equipos de control de sólidos como cribas vibratorias, desarenadores, deslimadores y centrifugadoras, así como sus equipos auxiliares.
2. Flujo del Proceso del Sistema de Control de Sólidos y Adaptación de Equipos.
El flujo del proceso de todo el sistema de control de sólidos debe cumplir con los requisitos para cinco etapas de control de sólidos del lodo de perforación (cribado—desgasificación—desarenado—deslimado—centrifugación) y pesaje del lodo. La adaptación optimizada de los equipos de control de sólidos es crucial. Las capacidades de procesamiento de las etapas 1-5 del equipo de control de sólidos deben coincidir entre sí, con un espaciado adecuado entre los tamaños de partículas separados y un cierto grado de superposición, permitiendo que las partículas más pequeñas no procesadas completamente por la etapa anterior aún sean procesadas por la siguiente etapa.
2.1 Proceso de Purificación y Circulación del Lodo de Perforación.
El lodo del cabezal del pozo devuelto a través de tuberías puede transportarse individual o simultáneamente a varias cribas vibratorias. Después del procesamiento por las cribas vibratorias, entra en la cámara de asentamiento de arena. El lodo que desborda de la cámara de asentamiento de arena entra en la cámara de desarenado a través del tanque de lodo (si ocurre intrusión de gas en el lodo, se puede activar un desgasificador de vacío para extraer lodo de la cámara desgasificadora antes de que entre en la cámara de desarenado).
El lodo procesado por el desarenador entra en la cámara de deslimado. El lodo procesado por el deslimador entra en la cámara de centrifugación a través del tanque de lodo. El lodo procesado por la centrifugadora entra en la cámara de succión del lodo de perforación a través del tanque de lodo. Luego se bombea repetidamente al pozo para su reutilización por la bomba de perforación. Un diagrama de flujo más razonable para el sistema de control de sólidos del lodo de perforación se muestra en la figura a continuación.
2.2 Flujo del Proceso y Selección de Cribas Vibratorias.
Los recortes de perforación generados en el fondo del pozo durante la perforación son transportados a la superficie por el lodo de perforación. Las cribas vibratorias son el primer equipo de control de sólidos, más rápido y de mayor volumen para eliminar los recortes de perforación, y son un dispositivo de tratamiento de primera etapa esencial para la perforación.
El nivel técnico de una criba vibratoria se refleja principalmente en su capacidad de procesamiento (volumen de procesamiento y partículas separadas), fiabilidad operativa, vida útil y facilidad de operación y mantenimiento. Con el tamaño, el contenido y la viscosidad de las partículas sólidas del lodo de perforación constantes, cuanto mayor sea la tensión de cizallamiento dinámica sobre las partículas sólidas, mayor será la resistencia inicial al movimiento de las partículas y menor será la velocidad de transporte de las partículas.
La investigación teórica sobre cribas vibratorias en el extranjero ha reconocido plenamente este punto. Antes de que el lodo de perforación fluya del distribuidor a la criba vibratoria, se instala una canaleta de impacto de lodo de perforación para evitar el raspado directo de la criba por el lodo de perforación, minimizando la tensión de cizallamiento dinámica en el lodo de perforación devuelto desde el cabezal del pozo.
No solo la fuerza y el movimiento de las partículas sólidas son más racionales, sino que también reduce la fuga de lodo de perforación y aumenta el caudal de lodo de perforación, extendiendo la vida útil de la criba. Sin embargo, debido a las diferencias en materiales, tecnología de procesamiento, precisión de procesamiento y equipos generales compatibles entre los fabricantes, el rendimiento técnico real de los productos varía significativamente.
Por lo tanto, al seleccionar una criba vibratoria, es crucial comprender los materiales, la tecnología de procesamiento, la precisión de procesamiento y los equipos generales compatibles en detalle, en lugar de depender simplemente de los parámetros técnicos declarados. Además de seleccionar una criba adecuada según la distribución del tamaño de las partículas sólidas, otro factor importante a considerar al elegir una criba vibratoria es su caudal admisible. La capacidad de caudal de la criba vibratoria debe ser capaz de acomodar la tasa de descarga máxima durante la perforación.
Los factores que afectan el caudal de la criba vibratoria incluyen sus propios parámetros de movimiento, tipo de lodo de perforación, densidad, viscosidad, distribución y contenido de tamaño de partículas sólidas, y tamaño de la criba. Para cumplir con los requisitos de grandes caudales de descarga, a veces se necesitan 2-3 cribas vibratorias en paralelo.
2.3 Proceso de Trabajo y Equipos de Hidrociclón.
La mayoría de los fabricantes de equipos de control de sólidos en mi país pueden producir hidrociclones, es decir, desarenadores y deslimadores. El principal indicador de calidad para los hidrociclones es la resistencia al desgaste, y su rendimiento está determinado principalmente por el tamaño de partícula de separación, D50. Un D50 más bajo indica una mejor eficiencia de separación.
Al configurar desarenadores y deslimadores, es importante asegurarse de que los rangos de separación de partículas tengan suficiente espaciado y superposición. Según los estándares de clasificación y los tamaños de partículas de separación de los hidrociclones, los hidrociclones con un diámetro interior de voluta cilíndrica de Φ150–300 mm y un tamaño de partícula de separación de 44–74 μm se clasifican como desarenadores.
Los hidrociclones con un diámetro interior de voluta cilíndrica de Φ100–125 mm y un tamaño de partícula de separación de 15–44 μm se clasifican como deslimadores. Sin embargo, muchos desarenadores y deslimadores que se utilizan en el campo separan partículas de tamaños similares (desarenadores para 20–50 μm y deslimadores para 15–45 μm). El lodo de perforación tratado por un desarenador es luego tratado por un deslimador, lo que hace que el deslimador sea ineficaz para eliminar partículas sólidas. La razón principal de esto es que muchos hidrociclones están mal fabricados y no cumplen con los requisitos del proceso de perforación. Por lo tanto, muchos usuarios optan por una configuración de dos desarenadores en lugar de un solo desarenador y deslimador.
Algunos usuarios simplemente instalan un segundo desarenador en la ubicación original del deslimador sin alterar el flujo del proceso. Este enfoque no se recomienda, ya que ambos desarenadores tienen parámetros de rendimiento idénticos. Se debe utilizar un flujo de proceso paralelo, sirviendo como respaldo mutuo o aumentando el caudal de lodo de perforación durante la perforación rápida.
Para pozos especiales con altos requisitos de rendimiento del lodo de perforación, una configuración razonable sigue siendo un desarenador y un deslimador en serie. Sin embargo, al seleccionar desarenadores y deslimadores, se deben elegir productos con diferentes rangos de tamaño de partícula. Por ejemplo, un desarenador con un tamaño de partícula de separación de 47–76 μm y un deslimador con un tamaño de partícula de separación de 15–47 μm pueden lograr un mejor efecto de tratamiento.
2.4 Flujo del Proceso de Centrifugación.
Los expertos de la industria de la perforación están de acuerdo en general sobre el papel crucial de las centrifugadoras en los sistemas de control de sólidos. La mayoría de los equipos de perforación en China están equipados con centrifugadoras de velocidad media con una potencia de unidad principal de 18.5, 22, 37 o 45 kW y velocidades de rotación de 1300–2200 r/min. Actualmente, las centrifugadoras se dividen principalmente en dos tipos: centrifugadoras de velocidad media y centrifugadoras de alta velocidad.
Las centrifugadoras de velocidad media se refieren a centrifugadoras con una velocidad de rotación de 1300–2200 r/min, que generan una fuerza centrífuga aproximadamente 800 veces la de la gravedad, y una capacidad de procesamiento de 40–60 m³/h. Estas centrifugadoras se utilizan para eliminar partículas sólidas de 5–7 μm. Las centrifugadoras de alta velocidad se refieren a centrifugadoras con una velocidad de rotación de 2500–3300 r/min, que generan una fuerza centrífuga aproximadamente 1200–2100 veces la de la gravedad, y son capaces de separar partículas con un tamaño de 2–5 μm.
Las centrifugadoras de alta velocidad se dividen en dos tipos: una es una centrifugadora de alta velocidad con control de frecuencia totalmente variable. La capacidad de procesamiento de esta centrifugadora se puede ajustar automáticamente según las propiedades del lodo de perforación, y puede controlar eficazmente las propiedades del lodo de perforación mediante tecnología de control de bucle cerrado automático de conversión de frecuencia y monitoreo de carga en tiempo real. Es un dispositivo ideal de purificación de fase sólida para la perforación de pozos profundos y horizontales con requisitos de proceso especiales.
Otro tipo es la centrifugadora de alta velocidad de velocidad fija. Estas centrifugadoras suelen tener 2-3 velocidades más altas que las centrifugadoras ordinarias. Los operadores evalúan las propiedades del lodo de perforación y ajustan manualmente la velocidad de la centrifugadora para lograr mejores resultados de tratamiento del lodo de perforación. Las centrifugadoras han desempeñado un papel cada vez más importante en el tratamiento del lodo de perforación. Muchos equipos de perforación están equipados con dos centrifugadoras. Es importante tener en cuenta que al usar dos centrifugadoras con especificaciones técnicas idénticas (generalmente centrifugadoras de velocidad media, a veces con diferentes capacidades de procesamiento), se debe usar un proceso paralelo para respaldo o para aumentar la capacidad de procesamiento de lodo de perforación durante la perforación rápida.
Actualmente, empresas extranjeras como Derrick y Swaco han producido centrifugadoras de alta velocidad con control de frecuencia totalmente variable. Estas centrifugadoras de alta velocidad son caras y requieren operadores altamente calificados, lo que exige su operación y mantenimiento por parte de ingenieros eléctricos especializados. Actualmente, solo unos pocos equipos de perforación nacionales que operan en el extranjero están equipados con este tipo de centrifugadora de alta velocidad.
En China, para pozos especiales con altos requisitos de rendimiento del lodo de perforación, se recomienda utilizar un proceso que involucre una centrifugadora de velocidad media y una centrifugadora de alta velocidad de producción nacional conectadas en serie. El lodo de perforación, después de ser procesado por una centrifugadora de velocidad media, entra en el tanque de suministro de una centrifugadora de alta velocidad. Después de un procesamiento adicional por la centrifugadora de alta velocidad, entra en el sistema de circulación para su reutilización.
En este punto, la fase sólida del lodo de perforación se purifica eficazmente, lo que es beneficioso para extender la vida útil del equipo aguas abajo (bombas de perforación, herramientas de perforación, instrumentos de fondo de pozo, etc.), ahorrar el consumo de material de lodo y aumentar la velocidad de perforación mecánica.
3. Conclusiones.
1) Seleccionar cribas vibratorias con buen rendimiento y diseño razonable, y elegir el número y tamaño de criba requeridos según las propiedades del lodo de perforación.
2) Seleccionar desarenadores y deslimadores con buen rendimiento y parámetros de adaptación razonables, y adoptar un flujo de proceso en serie para lograr mejores efectos de eliminación de desarenadores y deslimadores.
3) Utilizar un flujo de proceso en serie de centrifugadoras de velocidad media y alta velocidad para mejorar la vida útil del equipo aguas abajo (bombas de perforación, herramientas de perforación, instrumentos de fondo de pozo, etc.), ahorrar el consumo de material de lodo y aumentar la tasa de perforación mecánica.
Los resultados del análisis estadístico muestran que aproximadamente el 90% del costo de mantenimiento diario del lodo de perforación durante la perforación está relacionado con el control de sólidos. El costo de la barita, un agente de pesaje en el lodo de perforación, representa aproximadamente el 75% del costo total de material del lodo de perforación.
Por lo tanto, la selección y el uso correctos de los sistemas y equipos de control de sólidos pueden eliminar significativamente los recortes de perforación, reducir el consumo de lodo de perforación y sus materiales y agentes de tratamiento asociados, y así lograr mejores beneficios económicos.
