钻井液井下循环系统

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1、钻井液井下循环系统钻井液井下循环系统通常是钻井液通过钻杆直接到达钻头处，经钻头水眼喷出，携带井底岩屑，沿环空返回地面。随着钻井深度的增加，为增加井壁的稳定性，避免压差卡钻，保护油气层，必须在钻井液中加入固相重部分（如重晶石），以增大钻井液密度。但随着钻井液密度的增大，钻进速度将迅速下降，钻头磨损明显加剧。国外研制出井下固相分离接头——井下水力旋流分离器（DownholeHydrocyclones）。装有井下固相分离器接头的钻井液井下循环系统流程如图所示。图钻井液井下循环系统改进流程固相分离器接头装于钻头上部，由地面钻井泵供给具有一定能量的钻井液，经其上部通道，从切线方向进入旋流筒，进

2、行净化处理。分离出来的固相从其上部喷嘴进入环形空间，低固相钻井液进入钻头。采用此装置，既能保持环空的钻井液密度，保持井壁稳定，又能降低水眼处钻井液粘度和密度，减轻水眼的磨损，提高当量水马力，充分发挥高压喷射清岩于水力破岩的作用，同时由于井底钻井液固相含量的减少，将减轻钻头牙齿的磨损，提高钻头的寿命和机械钻速。海上井下油水分离用水力旋流器术语用于采出液井下油水分离的水力旋流系统的效益主要在于减少了采出水的开采及处理费用，有效降低了地面处理设备的液体负荷。地面处理设备的减少对海上应用具有重要意义，地面分离设备的减少和费用的降低可延长油田寿命。人们正在对井下分离系统进行进一步研究以提供适于

3、海上应用的各种设备。水力旋流器作为井下油水分离（DOWS）系统之一，让我们先认识一些概念术语。 水力旋流分离水力旋流器已广泛应用于地面油/水分离，其外形尺寸小，结构紧凑，设备成本低，操作费用低。对水力旋流器的运行情况进行讨论将有助于了解与井下油水分离系统有关的设计问题。承压流体混合物通过一个或多个切向入口进入水力旋流器，促使流体在装置内旋转，水力旋流器的锥形加速了流体螺旋形流动，建立了自由的旋涡，创建了很大的离心力。离心力使轻相物质（即油，游离气）汇集到水力旋流器的中心，而重相物质（如水，固体）由于离心力的作用被甩到了外壁，在高压作用下，保持从底流口排出，迫使旋涡中心的浓缩油核逆流。

4、结果，浓缩油流流向溢流口，而不含油的水流则流向底流口。通常，大部分水力旋流器用于采出液的“除油”，烃（碳氢化合物）的去除（<<1%）比排放或回注井下的采出水的处理更重要。在地面，水力旋流分离器可代替游离水脱除器。将含有一定比例的油流分离成浓缩油流和适于处理的污水流，这种运用与井下分离运用相类似。 水力旋流器工艺设计 人们已很好地总结出制约水力旋流器分离性能的因素。一般来说，密度差大，分散相粒径大和连续相粘度低均有助于分离。对于地面的采出水处理，使用水力旋流器的工艺设计已相当普遍，并已经建立一套相关规范。然而，井下分离应用的经验需对这些规范重新评价。 流体剪切 剪切意指通过轴向液流速度

5、有一个梯度。通常，剪切率高会出现紊流，产生高速液流流过静态通道的现象，这通常表现为液流压力的变化。由于高剪切对分散相的颗粒直径分布会产生负面影响，所以应避免油水分离器内上升物流的高剪切。在高剪切作用下，水中油分散相平均油滴直径会下降。由于水力旋流式油水分离器性能与油滴直径有关，通常，尽可能避免水力旋流分离器的上升物流的剪切作用过大。在工艺设计中，诸如管线，控制阀和泵均可产生高剪切，通常，通过控制阀的压降越高，泵效越低，剪切速率越大，则对于分离器性能的负面影响越大。水力旋流器本身也会产生较高的剪切速率，特别是典型的脱油水力旋流器的切向入口使油水混合物易于形成高的液流速度导致高剪切速率的

6、产生。据观察，在高剪切速率下，水包油乳化液平均油滴直径小于50μm，对于进一步降低液滴尺寸不太敏感。 粘度水相中油滴的分离速度或油相中水滴的分离速度与连续相的粘度是成反比的。所有其它的变量相等，由于水的粘度低，通常，从水中除油较油中除水要容易些。另外，当用水力旋流器处理高粘度混合物时，在水力旋流器内要想达到需要的涡流是非常困难的，动态和静态水力旋流器的摩擦损失和流体混合物的摩擦损失会阻止形成迅速分离的离心力。基于这些原因，水力旋流分离器主要用于分离水包油的油水混合物。水包油指油作为分散的液滴（分散相）完全被连续的水相包围。水包油混合物的粘度接近水的粘度，除非油含量很高，否则，水包油混

7、合物的粘度几乎不受油粘度的影响。随着混合物含油量的增加，油越来越影响着混合物的粘度。当受到高剪切速率的影响时，含油量高的油水混合物会形成用水力旋流器难以处理的高粘乳化液。溢流比水力旋流器不可能同时得到清水液流和脱水油流。分离性能考核指标一定是侧重于清水水质和原油品质中的一种，这种性能侧重可通过调节“溢流比”或溢流（油）量占入口液流的百分数来实现。总之，增加溢流量将改善水质，以获得最小含油量。随着分离流量的增加，溢流的水量增加。相反，在增加水中含油量的情况下