用于从携带固体的钻井流体分离固体的设备和方法
【专利说明】用于从携带固体的钻井流体分离固体的设备和方法
[0001]本分案申请是基于中国发明专利申请号201080028027.1 (国际申请号PCT/GB2010/051050)、发明名称“用于从携带固体的钻井流体分离固体的设备”申请日为2010年6月24日的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及用于从携带固体的钻井流体分离固体的设备和方法，更具体地，但不是排他地，涉及用于从携带固体的钻井泥浆分离固体的设备和方法。本发明还涉及用于其的振动筛和筛组件。
【背景技术】
[0003]在油或气井建设中钻井筒时，钻头布置在钻柱端部，所述钻柱旋转来穿过地层钻出井筒。被称为“钻井泥浆”的钻井流体被泵送通过钻柱到达钻头，以润滑钻头。钻井泥浆还用于将由钻头产生的切肩和其他固体通过形成在钻柱和井筒之间的环形空间运送到地面。严格控制钻井泥浆的密度来阻止井筒坍塌，并且确保钻井最佳地进行。钻井泥浆的密度影响钻头的钻进速度。通过调整钻井泥浆的密度，在可能出现井筒坍塌的损害时改变钻进速度。钻井泥浆也可运送堵漏材料来堵塞井筒的有孔部分。也可根据正在穿过的地层情况的类型来调整钻井泥浆的酸度。钻井泥浆中尤其是包含昂贵的合成的油基润滑剂，并且因此通常将回收和再利用用过的钻井泥浆，但是这需要特别是将固体从钻井泥浆去除。这通过处理钻井泥浆实现。所述处理的第一部分是将固体从携带固体的钻井泥浆分离。这至少部分通过振动分离器，例如US 5, 265, 730, WO 96/33792和WO 98/16328中公开的振动筛实现。可使用其他处理设备，例如离心机和水力旋流器来进一步清洁固体泥浆。固体被覆盖于污物和残渣中。井筒中具有30到10m3的循环钻井泥浆并非罕见。
[0004]所得的固体，本文称为“钻井切肩”经处理来基本上从所述固体去除全部残渣和污染物。然后可将固体在垃圾填埋点处置或在固体材料来自的环境中通过倾倒在海里来处置。或者，固体可用作建筑行业中的材料或具有其他工业用途。
[0005]振动筛通常包括开放底部的篮，所述篮具有一个开放排放端和一个具有实心壁的进料端。多个矩形筛布置在所述篮的开放底部上方。所述筛可基本上为平面，或具有略微的拱顶。篮布置在用于接收回收钻井泥浆的容器上方的弹簧上。吊斗或通道设置在篮的开放排放端下方。马达固定到篮，所述马达具有设置有偏置配重块的驱动转子。使用中，马达使所述转子和偏置配重块旋转，这引起所述篮和固定到其的筛振动。携带固体的泥浆在篮的进料端处引入到筛上。振动运动引起钻井泥浆与固体分离，钻井泥浆通过筛，固体留在筛上方。振动运动还引起固体沿筛朝向开放的排放端移动。回收的钻井泥浆接收在容器内，以进一步处理，固体经过篮排放端通入通道或吊斗。
[0006]矩形筛可相对于水平面成某个角度布置，例如从振动筛的进料端到排放端倾斜七度。该角度可以是可调节的。筛通常固定在篮中，篮可调节，以相对于水平面调节筛的角度。携带固体的钻井流体流可在倾斜的筛上形成池。振动机构的作用引起固体攀爬倾斜的筛到达振动筛的排放端，并且通入通道或吊斗。
[0007]通常，引起圆形振动的振动机构将倾向于将固体从筛沿随机方向抛向空中。引起椭圆形运动的振动机构将引起固体沿椭圆最长弦方向移动。具有引起非常窄的椭圆的振动机构的振动筛称为线性振动筛，并且引起固体沿筛快速移动，但是筛往往由于固体在其与筛相遇时突然减速而遭受快速劣化。
[0008]筛通常为一种或两种类型:钩边式；和预张紧式。
[0009]钩边式筛包括夹层结构形式的几层矩形网层，所述夹层结构通常包括一层或两层细级别网和具有更大网孔和更粗标号的金属丝的支撑网。所述网层在每一侧边缘通过细长钩形式的边连接。使用中，细长钩钩在沿振动筛每一侧布置的张紧装置上。振动筛还包括一组平头支撑构件，其沿振动筛的篮长度延伸，所述网层通过其张紧。该类型的筛的示例公开在GB-A-1，526，663中。支撑网可设置有其中具有孔的面板，或由其中具有孔的面板代替。
[0010]预张紧式筛包括几层矩形网层，所述网层通常包括一层或两层细级别网和具有更大网孔及更粗标号金属丝的支撑网。所述网层预张紧在包括矩形角铁框架的刚性支架上，并且附着到其上。然后将筛插入布置在振动筛的篮中的C型槽型导轨中。该类型的筛的示例公开在GB-A-1，578，948中，适用于接纳预张紧式筛的振动筛的示例公开在GB-A-2, 176，424 中。
[0011]与振动筛相关的一个问题是，用于其中的筛易于堵塞，特别是当固体为粘性的时，例如粘土，或具有与筛网尺寸接近的尺寸时。后一堵塞类型被称为难粒堵塞。已经提出多个技术方案来解决该问题，例如GB-A-1，526，663中公开的，其中筛组件以夹层结构形式使用两层筛材料，并且允许筛材料层独立运动来移走塞入筛之一中的任何难粒。
[0012]在过滤装置不被小颗粒堵塞的情况下，使用细网筛来过滤非常小的颗粒是有利的，例如尺寸在50-200 μ或更大范围内的颗粒。但是，细网过滤装置特别易于发生这样的不期望的堵塞。
[0013]还有利的是，具有简单可靠的分离器来防止停工进行维护和修理。
[0014]在一些情况下，优选通过筛来保留例如尺寸在50-60 μ或更大范围内的颗粒。
[0015]US-A-4, 446，022和US-A-4，306, 974公开了一种用于将固体从携带固体的钻井泥浆分离的振动筛，其具有用于盛装携带固体的钻井泥浆的高架罐，所述高架罐具有堰，携带固体的钻井泥浆越过其流到第一筛上，固体经过所述第一筛的前端，钻井泥浆流动通过第一筛到达盘上，并且转移到收集池中。过多的钻井泥浆流过设置在第一筛后部处的堰，到达第二筛上。固体经过第二筛的前端，钻井泥浆流动通过第二筛到达盘上，并且转移到收集池中。过多的钻井泥浆流过设置在第二筛后部处的堰，到达第三筛上。固体经过第三筛的前端，并且钻井泥浆流动通过第三筛，直接落入收集池中。
[0016]WO 2004/110589和Ax1m AX-1振动筛手册公开了一种用于将固体从携带固体的泥浆分离的振动分离器，所述振动分离器具有第一筛板，其用于将大固体从携带固体的钻井流体粗筛出；和第一筛板及第二筛板，所述第一筛板和第二筛板通过流动通道连接，以使第一筛板设置有具有细筛材料的筛，并且由分流器设备供给一半粗筛过的携带固体的钻井泥浆，所述第二筛板设置有也具有细筛材料的筛，并且由分流器设备供给另一半粗筛过的携带固体的钻井泥浆，从而以并联模式进行。来自第一和第二筛板的筛过的钻井泥浆传送到收集池中。振动分离器也可设置用于以串联模式运行，其中，大固体由阻筛用筛粗筛出，全部携带固体的钻井泥浆经过设置有细筛材料的第一筛板，以筛除细固体，然后全部携带固体的钻井泥浆经过设置有更细筛材料的第二筛板，以筛除更细的固体，钻井泥浆从其通过进入收集池中。
[0017]US 2010/0089802公开了一种用于将固体从携带固体的钻井流体分离的振动筛，所述钻井流体具有夹带于其中的堵漏材料(LCM)。所述振动筛包括叠堆形式的四个筛板。最顶部筛板包括粗筛筛，用于去除大固体。第二筛板包括中粒网，用于去除LCM和中等尺寸的固体，LCM和中等尺寸的固体在第二筛板上方经过，并且传送用于进一步处理或存储。下漏流继续前进到具有细网和堰的第三筛板。来自堰的溢流落到具有细网筛的第四筛板。来自第三筛板的下漏流经过收集池中的斜槽，来自第四筛板的下漏流直接落入收集池中。在一方面，斜槽、分流器和通道是可互换的，以便于串联或并联流从一个或多个所选的筛板流出或流入。
[0018]在油气井钻井过程中，井筒壁中可能存在裂纹。这样的裂纹可能传播，这可能在井筒壁中造成结构问题和/或使钻井流体通过其漏出到地层中。而且，如果大量的钻井流体流失，井筒中钻井流体的压力可能下降，这可能造成井筒坍塌。因此，也可将井筒增强材料添加到循环的钻井流体中。井筒增强材料包括钻井切肩的尺寸相当的颗粒。当钻井流体在其中具有裂纹的井筒壁周围循环时，尺寸相当的颗粒将其自身嵌入裂纹中，这降低裂纹传播的可能性。回收这些尺寸的颗粒并且将其再利用于循环的钻井泥浆中是有利的。振动筛因而已经改进来适应携带固体的钻井流体中的固体的尺寸。这样的振动筛公开在USSN12/490, 492中。可使用这样的振动筛来提取一定尺寸范围的固体，并且该一定尺寸范围的固体作为新钻井流体中的井筒增强材料再循环。期望保留一些小颗粒，例如通常存在于钻井泥浆中的重晶石，并且因而细筛优选不要太细，以至于将重晶石从钻井泥浆筛除。
[0019]过去，通常振动筛中使用处于多个高度的多个筛来处理钻井流体，例如，处于一个、两个或三个高度的筛。在钻井筒过程中，当钻井流体流到钻头和然后从钻头离开的循环由于钻出井筒所穿过的地层的孔隙和/或由于地层的断裂而停止时，发生钻井流体的“漏失”。当漏失发生时，钻井流体泵送到断裂的地层中，而不是返回到地面。通常，在某些特定深度处发生漏失，在所述特定深度处，地层“较弱”，并且裂纹从井筒水平地延伸远离。用于描述易于发生漏失反流的岩石的表述方式包括类似于多孔石灰石、疏松砂岩、“腐化”页岩等术语。
[0020]多种“堵漏材料”(“LCM”)被泵送到井筒中用于填充或封闭多孔地层或用于填充或封闭井筒裂纹，以重新建立用于钻井流体循环的适当路径。通常，堵漏材料大体分为纤维、岩石页片、颗粒和混合物。通常还期望在连续循环过程中在钻井泥浆系统中回收和保留堵漏材料。将钻井泥浆过筛来去除不期望的颗粒物质还可导致堵漏材料的去除，并且因此需要将新的堵漏材料持续引入到泥浆过筛操作下游的钻井泥浆中。堵漏材料的添加带来分离问题，因为其和钻井流体一样，优选被清洁并且再循环。离开井的是小尺寸的钻井流体、大尺寸的堵漏材料和尺寸在其之间的不期望的材料，最大和最小的材料和/或大于堵漏材料的材料将被再循环。
[0021]已知如US专利N0.4，116，288中所述的传统的两步筛分工艺。流出的钻井流体、堵漏材料和不期望的材料的混合物首先经受粗筛，以将堵漏材料从钻井流体和不期望的材料分离，所述钻井流体和不期望的材料落到其下面的第二更细筛，以将钻井流体与不期望的材料分离。钻井流体和堵漏材料然后重新汇集来再循环到井筒中。该系统易出现高度限制和细筛问题。堵漏材料可能由不期望材料包覆，不期望材料将不通过第一筛，在第一筛上移动，并且从其顶侧离开，并且再循环回到井筒中。
[0022]存在多种已知的钻井流体处理系统、振动筛和用于回收堵漏材料的方法；包括但不限于美国专利 6，868，972 ;6，669，027 ;6，662，952 ;6，352，159 ;6，