基于复杂钻井作业中的固控系统优化

基于复杂钻井作业中的固控系统优化
廉晓龙
(合肥通用机械研究院有限公司,安徽合肥230031)
摘要：分析复杂钻井作业中的固控系统,总结固控系统的发展情况,分析不同情况下存在的问题,提出设计采用除砂除泥一体机,降低除泥砂的级数,简化系统结构,选择合理的管线走向,简化连接管线,降低管线的阻力,提高泵的效率,通过可靠度的计算,可以优化复杂钻井作业固控系统。

关键词：固控系统；钻井液；固相控制；系统优化
中图分类号：TE928文献标识码：B DOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2019.05D.92
0引言
钻井固控系统是钻井快速钻井和保护油气层的关键，是实现自动化钻井的重要环节。

固控系统主要包括振动筛、除气除砂器、离心机等设备。

随着钻井的深度的增加，钻井的难度越来越大，钻井遇到的地层和地质情况也越来越复杂，也出现了一些新的开采技术和工艺，同时对钻井的固控系统也要求越来越高[1]。

目前我国固控系统存在筛分效果不好、易损件寿命较短、系统可靠性不高、钻井液净化效果低、系统较为复杂、设备费用高等问题[2]，固控系统中固相颗粒对钻井液的物理性能有明显影响，随着钻井液固含量的增加，钻速会随之下降，如果要提高钻井的速度，必须提高钻井固控系统的性能，降低固含量。

在钻井用户个性化需求日益增多的情况下，对固控系统的要求也转为个性化、多样化，既要求无污染，也要求能提高经济效益。

国外对固控系统研究起步较早，部分厂家可以根据计算结果进行调整固控流程，进而钻井液的修正处理，将固控系统转为综合自动化控制系统。

国外有代表意义的公司有英国的
Thomas Broadbent son公司的多台双层双联直线振动筛构成的固控系统，美国SWACO公司的FPS密封固控系统，挪威GM 公司推出的多台振动筛固控系统，可以实现75μm以上的颗粒去除。

美国Derrick公司推出的超细目直线振动筛可以使系统进一步简化，形成两级进化系统，提高了可靠性[3-4]。

国内的固控系统在国外技术的基础上进行改良，以适应各个油田的地质情况。

江汉机械所研制了NJ2P型固控系统，在65B钻机上使用，宝鸡石油机械有限公司的ZJ32A型固控系统处理能力可达20m3/h。

国内外的固控系统发展趋势是以提高净化装置的性能，简化系统结构，降低设备能耗，采取两级固控系统代替多级固控。

1复杂钻井固控系统
直井是钻井作业施工中最简单的情况，定向和水平井是属于较为复杂的钻井作业情况。

水平井需要开挖直井段、斜井段、水平井段，井段相互吻合才能形成合适的井道，才能满足施工要求[5]。

钻井作业中的固控系统是为了实现钻井液的固液分离，使钻井液能循环利用，是钻井施工的净化系统，目前复杂钻井采用的是四级固控系统，一级固控振动筛用于去除大颗粒，通过振动筛出去钻井液中的砂石和钻屑，液体进入二级固控，目
的是除去砂子等粒度在50μm的颗粒。

三级固控是除去粒度在（8~40）μm的泥土颗粒，四级固控是用离心机去除（2~8）μm的较小的颗粒，完成液体的净化。

钻井液固控系统流程如图1所示，从中可以看出，复杂钻井出来的泥浆首先进过振动筛，再进入沉砂仓除砂，经过泥浆槽后进入除气仓，经过多次除砂后，进入离心机仓，最后将净化后的钻井液送至井口。

复杂钻井液中的固相清除的方法主要有稀释、沉淀、替换钻井液、化学—机械分离等步骤。

固相控制设备主要有振动筛、旋流分离器和离心分离机等，振动筛是固控系统中第一台分离设备，具有分离快、效率高的特点，是其他固控设备的前提，振动筛的性能取决于振动形式、振动功率和筛网参数的选择。

振动形式有圆周式、椭圆时和直线式，振动筛的振动幅度越大，振动效果越好，除砂的能力越强，但是幅度过大会对振动筛的寿命造成影响，通常直线式运动的加速度是重力加速度的3~4倍，圆周式运动是重力加速度的4~6倍。

旋流分离器是由溢流管和底流口组成的锥形容器，液体收到向下的推力和重力的作用下，液体成螺旋运动。

液体的切向速度越大，使旋流器的离心力也越大，使液体发生破裂，形成空
气
图1钻井液固控系统流
程
设备管理与维修2019№5（下）
设备管理与维修2019№5（下）
核。

垂直速度是液体在旋流器中停留时间的关键因素。

旋流分离器的处理能力可从进液和出液两方面评价，旋流分离器的除砂直径为（40~200）μm ，除泥的颗粒直径则更小。

2复杂钻井系统存在的问题
由于负责钻井系统中的循环罐设计不合理，会造成钻井液
的搅拌系统的管线路径不合理，
线路上弯头过多，管线中液体流动受到的阻力大，造成流量降低，影响钻井液的正常循环。

钻井液的固控设备电机与系统不匹配，电机耗能过高，固控设备老
化，导致系统的效率低，造成固相控制的稳定差。

3复杂钻井系统的优化
设计采用除砂除泥一体机，降低除泥砂的级数，简化系统结构，同时满足复杂钻井作业的施工要求。

使用钻井液除砂除泥一体化设备，减少了处理设备的数量，提高了系统的运行效率，维修养护起来
也简便，优化选择振动性能强的振动筛，提升系统的净化能力。

对于固控系统中管线设计的问题，
选择合理的管线走向，简化连接管线，降低管线的阻力，提高泵的效率，
也避免了管线损坏，从而满足了复杂钻井施工技术要求，避免了管线与罐底的沉淀物增多。

提高固控系统的可靠性，对可靠性进行优化，可以提高系统
的使用寿命，提高系统的正常工作时间，系统的可靠性的基本特征是由可靠度、累积分布函数、故障率、
平均寿命等构成，采用计算机辅助故障树分析系统CAFTA 软件对固控系统进行可靠性
的分析，可提高固控系统的使用寿命。

CAFTA 以故障树为分析
模型，建立故障树的模型，进行可靠性的模拟参数设定，然后通过事件失效数据分析，计算出失效分布的参数，对分布参数进行
拟合，得到置信区间对应的可靠度，通过可靠度的计算，可以优化复杂钻井作业固控系统。

4结束语
通过对复杂钻井作业固控系统的介绍，
分析不同情况下存在的问题，设计采用除砂除泥一体机，降低除泥砂的级数，简化系统结
构，选择合理的管线的走向，简化连接管线，降低管线的阻力，提高泵的效率，通过可靠度的计算，可以优化复杂钻井作业固控系统。

参考文献
［1］唐力.复杂钻井作业中固控系统的要求［J ］.化学工程与装备，2018
（5）：125-126.
［2］雷先革，牟长清，涂志威，等.钻井固控环保一体化装备的研制与应
用［J ］.石油机械，2017，45（12）：28-31.
［3］马亮亮.钻井液固控系统设计要点［J ］.化工管理，2017（22）：186.［4］马铁权.浅析钻井液固控系统配套现状及改进［J ］.中国新技术新
产品，2017（12）：61-62.
［5］刘兴财.海洋石油模块钻机钻井液固控系统设计［J ］.化工管理，
2017（7）：168.
〔编辑凌瑞〕
基于ARM 控制器的双机热备份
于津,钟维辉,王军
(同方电子科技有限公司,江西九江
332000)
摘
要：针对腔体预选器系统的可靠性问题,特设计一种双ARM 控制器系统,2个ARM 控制器彼此独立运行,可以自动或手动实现
双机的主辅切换,支持热插拔保护,外部遥控命令可以通过以太网口或串口传输命令。

关键词：腔体预选器；ARM 控制器；热备份；热插拔中图分类号：TH17文献标识码：B DOI ：10.16621/ki.issn1001-0599.2019.05D.93
0引言
双机热备份是一种非常有效且经常被采用的方法。

在双机热备份系统中，2个ARM （Advanced RISC Machines 精简指令集计算机）控制器必须保持工作状态的完全一致，
需要随时进行数据交换。

在满足系统性能的条件下，
充分利用ARM 控制器本身的资源，最大程度地简化内部通信的接口设计非常值得研
究。

在ARM 控制器家族的众多成员中，ARM LPC23系列以其
优越的性能、成熟的技术、高可靠性和高性价比，在产品控制领域中有着广泛应用。

下面以ARM LPC2378为例给出双机通信
的简化接口设计。

1ARM 控制系统的结构和工作原理
1.1
系统结构和工作原理（1）ARM 控制系统功能原理见图1。

（2）本控制系统主要用于4个预选器模块的控制，ARM
控制图1微机控制器功能原
理。