如果清潔的泥漿是鉆井作業(yè)的生命液，那么控制井筒巖屑和固相含量則是保持井眼良好工況的首要前提。除固控設備及其相關技術工藝外，鉆機設備和鉆井工藝方面都步入了自動化時代。相信，未來技術的進步或能改變這一方面。隨著超聲波傳感器和智能振動篩的不斷發(fā)展，固控設備的自動化時代也來到了。
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新型振動篩的特點
2015年，一款多頻振動篩出現(xiàn)在OTC市場。該產品能運用50級的多頻振動對鉆井液進行凈化處理。這款振動篩通過采用采礦業(yè)“激振器”產生的不同頻率和振幅來實現(xiàn)振動速度的高速變化，使振動篩篩目上的振動力倍增。為了推動固控設備向著自動化的方向發(fā)展，正在設計的振動篩具有兩個特點。一是采用超聲波傳感器實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)測量；二是振動篩工作時可以實現(xiàn)自控操作，無需人工干預。
“這些特點正在與其它先進技術齊頭并進，針對當前和未來更深更長水平段鉆井的需求，也包括通過提高鉆井液回收率及篩出更干巖屑來達到進一步節(jié)省成本的經濟需求。正如該行業(yè)大多數(shù)技術創(chuàng)新一樣，挑戰(zhàn)是將這些新技術應用到該領域的重要動力。”一位在埃克森美孚公司開發(fā)研究部工作了39年的前研究顧問Leon Robinson博士說：“人們正在取得各種各樣的重大技術突破，把從實驗室剛剛驗證的技術拿到現(xiàn)場試用就是向前邁出了一大步”。
新固空設備提效阻漏
對于一些公司來說，他們或許不愿考慮使用新的固控設備和技術，Robinson博士敦促他們仔細看一看新的固控設備是如何影響鉆井性能和鉆井效率的。Robinson博士說：“鉆速低是由于未能使巖屑離開井底所引起的。如果你不能使巖屑使迅速離開井底，鉆頭會再次研磨同一批巖屑，使鉆井速度降下來，就好像巖石很硬鉆頭鉆不動鉆速很慢一樣。另外，你會遇到高扭矩高摩阻的井下工況，你可能在想你已經加了13.6t鉆壓，可是你卻可能只給鉆頭加了6.8t鉆壓，原因是有6.8t的井眼摩阻，這部分摩阻抵消了一部分鉆壓，使你不能將13.6t的鉆壓全都加到鉆頭上。”
低效的固控設備可能是導致許多非生產時間的罪魁禍首，如井漏、卡鉆、井控事故等。Zaxxon儀器公司的常務總經理Norman認為，從多個不同層級上看，鉆進產生的過量巖屑對泥漿體系是有害的，在實際作業(yè)中，泥漿凈化系統(tǒng)中沒能有效地去除和處理好鉆出的巖屑，由此產生誘發(fā)性井漏是常見的事，甚至更嚴重的井漏事件。你可能會遇到環(huán)空泥漿漏光的情形，所有這突如其來的事態(tài)都會因你沒有迅速采取有效的阻漏措施而導致井漏發(fā)生。
一種新型解決方案
Norman建議探索多種方式，在固控和鉆井效率之間找到更有效的量化關系。他說：“就像用‘拇指規(guī)則’或‘直覺’… 這樣的術語來形容鉆井隊經驗豐富的鉆井人一樣，但如果他們能接受更多的信息，想象會發(fā)生怎樣的可能性”。一種可能的解決方案仍在研發(fā)之中。這可能是一種卡箍式測量工具，采用超聲波技術實時測量流體密度、流量、顆粒尺寸分布和流變學參數(shù)。這種工具被命名為Rheopipe 。Rheopipe是一種超聲波傳感器，這種傳感器能接在管線外面。Zaxxon儀器公司自2013年夏季以來一直在研發(fā)這種工具。這項研發(fā)的最終版本將能測量管線滿眼流體和半滿眼流體的多項數(shù)據(jù)。
Norman說道：“我們能把這種儀器接在離心機一側的吸入液流管線和另一側的流出液流管線上，測量移除固體的移動效率”。這使得振動篩和離心機的效率被量化，因為泥漿在流進和流出這些儀器的前后會得到兩種狀態(tài)的測量。Zaxxon儀器公司是從其它行業(yè)正在使用的測量流量的類似工具中得到的這一靈感，如食品加工業(yè)、化學制品業(yè)和化妝品業(yè)。
圖說：Elgin Hyper-G型振動篩在2015年的OTC市場上熱銷
傳感器的量化測試
來自Zaxxon儀器公司的消息，由殼牌發(fā)起的最初的流量循環(huán)測試在美國休斯敦進行，并已證明傳感器通過管線讀取數(shù)據(jù)的能力。另一個計劃在2015年11月進行的流量循環(huán)試驗將運用環(huán)流來測試鉆井泥漿系統(tǒng)的傳感器，確定傳感器在測量鉆井液密度、流量、固體顆粒尺寸分布和泥漿流變學等參數(shù)的有效性。Norman說：“從這一點上看，在用管夾傳感器借助一個計劃的160管線的測試中，我們正取得一些良好結果，但數(shù)據(jù)有些嘈雜，需要將信號進行放大來處理，而且傳感器需要更大的采集功率”。
如果能夠證明這些傳感器的效率，Norman估計，一臺小型陸上鉆機可能需要6-8個超聲波傳感器，一個深水鉆井船可能需要20-30超聲波傳感器裝置。由于這些傳感器可以無需任何焊接安裝在管線外部，因此傳感器在新老鉆機上都能使用。傳感器可能會與一個獨立的外置PLC（可編程控制器）一同安裝，破譯或解碼傳感器采集的數(shù)據(jù)，由傳感器的發(fā)射裝置通過無線網絡將數(shù)據(jù)傳送給PLC。Norman說：“我們可以把傳感器夾在立管上、每個泥漿泵上、吸入管線和離心機上、離心機的泄流管線上以及其它的液流管線上。無論你把傳感器安裝在哪兒都能測量相關部位液流的屬性。鉆井隊現(xiàn)場和辦公文職人員的任何人都能很容易獲取這些信息。整套傳感器系統(tǒng)會讓我們使用較少的傳感器，捕獲我們所需的數(shù)據(jù)，提供一個完整的優(yōu)化鉆井液性能的處理系統(tǒng)”。
Zaxxon公司確信，這些超聲波傳感器能提供一扇看不見的時間損失窗戶，利用一個更加自動化的工藝來幫助作業(yè)者理解采用的固控技術需要做什么才能真正提高鉆井效率。 “如果你看看其它行業(yè)在歷史長河里所走過的自動化道路，沒有人走到半路又掉回頭來回到手動方法，我們的行業(yè)也沒有什么不同，現(xiàn)在做準備已經很慢了”Norman說到。
環(huán)保標準與回收的挑戰(zhàn)
鉆井液部門主管Ben Hiltl說：“當今市場上幾乎每一款標準的用在鉆井泥漿凈化上的液流振動篩大約為6-8種振動頻率，這種振動篩更可能從結構上損害振動篩的振動藍，這里提供的所有振動篩，包括我們的產品的問題都集中在振動藍能接受多大的輸入流量，以及泥漿究竟能得到多大的振動能量”。Hiltl認為，這些振動篩作為第一道防線確實能從泥漿中分離出所鉆的固體巖屑，但這或許并不能充分滿足作業(yè)者重點針對廢物管理要達到的當今的環(huán)保標準，如EPA 9095B標準。另外，行業(yè)衰退和業(yè)績低迷意味著作業(yè)者正在尋找可回收的能夠再利用的昂貴的鉆井液，利用各種輔助設備來實現(xiàn)這些目標，這些設備包括離心巖屑干燥機或烘干振動篩，使用更細孔徑的篩目。相比液流振動篩，這些烘干振動篩沒有采用多級方式對巖屑進行脫漿處理。
多頻振動篩的應用
2015年的OTC市場上，鉆井液服務公司展出了商業(yè)化的多頻振動篩，根據(jù)公司發(fā)布的信息，這款多頻振動篩能對泥漿進行多達50級的凈化處理，起初的驅動力源自Chevron的支持，因為這家石油公司曾尋找多種途徑來篩出更干的巖屑，首次設計了一臺可以烘干巖屑的振動篩，而這款振動篩也能作為一臺液流振動篩或泥漿凈化器來使用。這款振動篩在篩目網下面添加了一系列獲得專利的激勵器，在振動篩振動時激勵器能增加篩目上的重力，振動篩通過一個彈性體將重物與一個拍打器連接起來進行前后擺動，拍打器安裝在篩網下面，當振動篩的振動藍在篩目上施加重力時，激勵器給振動篩增加的重力運用在篩目上，Hiltl說：“振動篩的振動與拍打器的拍打使擺動越來越大，高重力僅施加在篩目的表面，而非振動篩設備上”。
無論是多頻振動篩還是標準振動篩通常都運行在1800rpm的轉速下，根據(jù)Hiltl的介紹，激勵器能提高施加給鉆井液的重力從8到50個等級，而且，多頻振動篩還能通過一個無極變頻器（VFD）使每一個周期的重力強度產生變化，而標準振動篩的振動強度則保持恒定。由于重力周期重復地加速和減速，這使得新款振動篩能產生多頻振動，避免篩目的篩孔堵塞，當較小的固體顆粒在振動篩篩目的篩孔停留時，減少了體積的處理過程，對于使用恒頻振動篩而言這是一個風險。
多頻振動篩的振動頻率從30到1000赫茲，施加的重力范圍能被調整，例如：一名操作員可以通過無極變頻器來提高施加在篩網上的振動重力，從而到達一個所需的范圍，如30-50 級。振動篩上的激勵器選自一個帶有專利的采礦技術，一個從事鉆井液服務的合資公司FSIVIRTO公司正在使用此項技術。JV公司使用了同類型的激勵器，采煤業(yè)在篩選煤時使用過這樣的激勵器，它與鉆井行業(yè)使用的振動篩功能很相似。（未完待續(xù)）
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