钻井液固相控制

1、钻井液固相控制钻井液固相控制钻井液固相控制钻井液固控及意义钻井液固控及意义 所谓钻井液固相控制，就是指在保存适量有用固相的前提所谓钻井液固相控制，就是指在保存适量有用固相的前提下，尽可能地清除无用固相。通常将钻井液固相控制简称下，尽可能地清除无用固相。通常将钻井液固相控制简称为固控。为固控。 钻井液固相控制是实现优化钻井的重要手段之一。正确、钻井液固相控制是实现优化钻井的重要手段之一。正确、有效地进行固控可以降低钻井扭矩和摩阻，减小环空抽吸有效地进行固控可以降低钻井扭矩和摩阻，减小环空抽吸的压力波动，减少压差卡钻的可能性，提高钻井速度，延的压力波动，减少压差卡钻的可能性，提高钻井速度，延长钻头

2、寿命，减轻设备磨损，改善下套管条件，增强井壁长钻头寿命，减轻设备磨损，改善下套管条件，增强井壁稳定性，保护油气层，以及减低钻井液费用，从而为科学稳定性，保护油气层，以及减低钻井液费用，从而为科学钻井提供必要的条件。钻井提供必要的条件。钻井液固相控制振动筛振动筛 振动筛具有最先、最快分离钻井液固振动筛具有最先、最快分离钻井液固相的特点，担负着清除大量钻屑的任务。相的特点，担负着清除大量钻屑的任务。如果振动筛发生故障，其它固控设备（除如果振动筛发生故障，其它固控设备（除砂器、除泥器、离心机等）都会因超载而砂器、除泥器、离心机等）都会因超载而不能正常、连续地工作。因此，它是钻井不能正常、连续地工作。

3、因此，它是钻井液固控的关键设备。液固控的关键设备。钻井液固相控制旋流器的分离点旋流器的分离点 为了定量表示旋流器分离固相的能力，有必要引入分离点为了定量表示旋流器分离固相的能力，有必要引入分离点这个概念；这个概念； 即如果某一尺寸的颗粒在流经旋流器之后有即如果某一尺寸的颗粒在流经旋流器之后有50%从底流被从底流被清除，其余清除，其余50%从溢流口排出后又回到钻井液循环系统，从溢流口排出后又回到钻井液循环系统，那末该尺寸就称作这种旋流器的那末该尺寸就称作这种旋流器的50%分离点，简称分离点分离点，简称分离点（Cut Point）。）。 旋流器的分离点越低，表明其分离固相的效果越好。小尺旋流器的分

4、离点越低，表明其分离固相的效果越好。小尺寸的旋流器具有更好的分离效果，然而它处理钻井液的量寸的旋流器具有更好的分离效果，然而它处理钻井液的量比大尺寸旋流器要小。比大尺寸旋流器要小。钻井液固相控制旋流器的分离点旋流器的分离点旋流器直径，旋流器直径，mm30015010075分离点，分离点，m mm6570303416181113 现场使用表明，某一尺寸的旋流器，其分离点并不是一个常数，而现场使用表明，某一尺寸的旋流器，其分离点并不是一个常数，而是随着钻井液的粘度、固相含量以及输入压力等因素的变化而变化。是随着钻井液的粘度、固相含量以及输入压力等因素的变化而变化。一般来讲，钻井液的粘度和固相含量越

5、低，输入压力越高，则分离点一般来讲，钻井液的粘度和固相含量越低，输入压力越高，则分离点越低，分离效果越好。越低，分离效果越好。钻井液固相控制除砂器除砂器通常将直径为通常将直径为150300 mm的旋流器称为除砂器。的旋流器称为除砂器。在输入压力为在输入压力为0.2 MPa时，各种型号的除砂器处时，各种型号的除砂器处理钻井液的能力为理钻井液的能力为20120 m3/h。处于正常工作状态时，它能够清除大约处于正常工作状态时，它能够清除大约95%大于大于74 mm的钻屑和大约的钻屑和大约50%大于大于30 mm的钻屑。的钻屑。为提高使用效果，在选择其型号时，对钻井液的为提高使用效果，在选择其型号时，

6、对钻井液的许可处理量应该是钻井时最大排量的许可处理量应该是钻井时最大排量的1.25倍。倍。钻井液固相控制除泥器除泥器 通常将直径为通常将直径为100150 mm的旋流器称为的旋流器称为除泥器。除泥器。 在输入压力为在输入压力为0.2 MPa时，其处理能力不应时，其处理能力不应低于低于1015 m3/h。正常工作状态下的除泥。正常工作状态下的除泥器可清除约器可清除约95%大于大于40 mm的钻屑和约的钻屑和约50%大于大于15 mm的钻屑。的钻屑。 除泥器的许可处理量，应为钻井时最大排除泥器的许可处理量，应为钻井时最大排量的量的1.251.5倍。倍。钻井液固相控制泥浆清洁器（泥浆清洁器（Mud

7、Cleaner）是一组旋流器和一台细目振动筛的组合。上部为旋流器，是一组旋流器和一台细目振动筛的组合。上部为旋流器，下部为细目振动筛；下部为细目振动筛；泥浆清洁器处理钻井液的过程分为两步：第一步是旋流器泥浆清洁器处理钻井液的过程分为两步：第一步是旋流器将钻井液分离成低密度的溢流和高密度的底流，其中溢流将钻井液分离成低密度的溢流和高密度的底流，其中溢流返回钻井液循环系统，底流落在细目振动筛上；第二步是返回钻井液循环系统，底流落在细目振动筛上；第二步是细目振动筛将高密度的底流再分离成两部分，一部分是重细目振动筛将高密度的底流再分离成两部分，一部分是重晶石和和其它小于网孔的颗粒透过筛网，另一部分是大

8、于晶石和和其它小于网孔的颗粒透过筛网，另一部分是大于网孔的颗粒从筛网上被排出。网孔的颗粒从筛网上被排出。所选筛网一般在所选筛网一般在100325目之间，通常多使用目之间，通常多使用150目。目。钻井液固相控制离心机离心机可用于处理加重钻井液以回收重晶石和清除细小的钻屑颗粒。可用于处理加重钻井液以回收重晶石和清除细小的钻屑颗粒。常用于处理非加重钻井液以清除粒径很小的钻屑颗粒，以及对旋流器常用于处理非加重钻井液以清除粒径很小的钻屑颗粒，以及对旋流器的底流进行二次分离，回收液相，排除钻屑。的底流进行二次分离，回收液相，排除钻屑。为了提高离心机的分离效率，一般需对输入离心机的钻井液用水适当为了提高离心

9、机的分离效率，一般需对输入离心机的钻井液用水适当稀释，以使钻井液的漏斗粘度降至稀释，以使钻井液的漏斗粘度降至3438 s范围内为宜，稀释水的加范围内为宜，稀释水的加入速度为入速度为0.380.5 l/s。离心机的转速对分离粒度也有很大影响。例如，处理量为离心机的转速对分离粒度也有很大影响。例如，处理量为21.6 m3/h的离心机，当工作转速为的离心机，当工作转速为3250 转转/分钟时，对水基钻井液可分离重晶分钟时，对水基钻井液可分离重晶石至石至2 mm，钻屑至，钻屑至3 mm；而工作转速为；而工作转速为2500 转转/分钟时，可分离重分钟时，可分离重晶石至晶石至6 mm，钻屑至，钻屑至9 m

10、m。根据斯托克斯定律，重晶石颗粒可与根据斯托克斯定律，重晶石颗粒可与1.5倍于其粒径的低密度固体颗倍于其粒径的低密度固体颗粒同时沉降。在使用离心机时，应注意选择合适的转速和处理量，以粒同时沉降。在使用离心机时，应注意选择合适的转速和处理量，以取得预期效果。取得预期效果。钻井液固相控制钻井液固相的分类钻井液固相的分类按固相密度分类：按固相密度分类：可分为高密度固相和低密度固相两种类型；可分为高密度固相和低密度固相两种类型；前者主要指密度为前者主要指密度为4.2 g/cm3的重晶石，的重晶石，还有铁矿粉、方铅矿等其它加重材料；还有铁矿粉、方铅矿等其它加重材料；后者主要指膨润土和钻屑，还包括一些不后

11、者主要指膨润土和钻屑，还包括一些不溶性的处理剂，一般认为这部分固相的平溶性的处理剂，一般认为这部分固相的平均密度为均密度为2.6 g/cm3。钻井液固相控制钻井液固相的分类钻井液固相的分类按固相性质分类：按固相性质分类：可分为活性固相（可分为活性固相（Active Solids）和惰性固相（）和惰性固相（Inert Solids）。）。凡是容易发生水化作用或与液相中其它组分发生反应的凡是容易发生水化作用或与液相中其它组分发生反应的均称为活性固相，反之则称为惰性固相。均称为活性固相，反之则称为惰性固相。前者主要指膨润土，后者包括砂岩、石灰岩、长石、重前者主要指膨润土，后者包括砂岩、石灰岩、长石、

12、重晶石以及造浆率极低的粘土等。除重晶石外，其余的惰晶石以及造浆率极低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均被认为是有害固相，即固控过程中需清除的物性固相均被认为是有害固相，即固控过程中需清除的物质。质。钻井液固相控制钻井液固相的分类钻井液固相的分类按固相粒度分类：按固相粒度分类：按照美国石油学会（按照美国石油学会（API）制订的标准，钻井液中的固相可按其粒）制订的标准，钻井液中的固相可按其粒度大小分为三大类：度大小分为三大类：粘土（或称胶粒）粘土（或称胶粒） 粒径粒径2 mm；泥泥 粒径粒径273 mm；砂（或称砂（或称API砂）砂） 粒径粒径74 mm。一般情况下，非加重钻井液中粒径大于一般

13、情况下，非加重钻井液中粒径大于2000 mm的粗砂粒和粒径的粗砂粒和粒径小于小于2 mm的胶粒在钻井液中所占的比例都不大。如果以的胶粒在钻井液中所占的比例都不大。如果以74 mm（相当于通过（相当于通过200目筛网）为界，大于目筛网）为界，大于74 mm只占只占3.725.9%，表，表明大多数是小于明大多数是小于74 mm的颗粒。由此可见，仅以含砂量（的颗粒。由此可见，仅以含砂量（74 mm）的多少作为检验钻井液固控效果的标准是不全面的。）的多少作为检验钻井液固控效果的标准是不全面的。钻井液固相控制钻井液中固相的粒度分布情况钻井液中固相的粒度分布情况（使用典型分散性水基钻井液测定）（使用典型分

14、散性水基钻井液测定） 类别类别 外观描述外观描述粒径范围（粒径范围（m mm） 对应目数对应目数重量百分比（重量百分比（%）砂砂粗粗2000100.82中中250200060100.48.7中细中细74250200602.515.2泥泥细细44743552001119.8极细极细244/5670粘土粘土胶粒胶粒2/5.56.5钻井液固相控制稀释法应遵循的原则稀释法应遵循的原则稀释后的钻井液总体积不宜过大；稀释后的钻井液总体积不宜过大；部分旧浆的排放应在加水稀释前进行，不部分旧浆的排放应在加水稀释前进行，不要边稀释边排放；要边稀释边排放；一次性较多量稀释比分多次少量稀释的费一次性较多量稀释比分多

15、次少量稀释的费用要少。用要少。钻井液固相控制化学絮凝法化学絮凝法在钻井液中加入适量的絮凝剂（如部分水解聚丙烯酰胺），使某些细在钻井液中加入适量的絮凝剂（如部分水解聚丙烯酰胺），使某些细小的固体颗粒通过絮凝作用聚集成较大颗粒，然后用机械方法排除或小的固体颗粒通过絮凝作用聚集成较大颗粒，然后用机械方法排除或在沉砂池中沉除。在沉砂池中沉除。这种方法是机械固控方法的补充，两者相辅相成。不分散聚合物钻井这种方法是机械固控方法的补充，两者相辅相成。不分散聚合物钻井液正是依据这种方法，使其总固相含量保持在所要求的液正是依据这种方法，使其总固相含量保持在所要求的4%以下。以下。该方法还可用于清除钻井液中过量的

16、膨润土。由于膨润土的最大粒径该方法还可用于清除钻井液中过量的膨润土。由于膨润土的最大粒径在在5 mm左右，而离心机一般只能清除粒径左右，而离心机一般只能清除粒径6 mm以上的颗粒，因此以上的颗粒，因此用机械方法无法降低钻井液中膨润土的含量。用机械方法无法降低钻井液中膨润土的含量。化学絮凝总是安排在钻井液通过所有固控设备之后进行。化学絮凝总是安排在钻井液通过所有固控设备之后进行。钻井液固相控制钻屑量的估算钻屑量的估算 dd 4)1 ( 2stDdV式中，式中，Vs进入钻井液的钻屑体积，进入钻井液的钻屑体积，m3； f f 地层的平均孔隙度；地层的平均孔隙度； d 钻头直径，钻头直径，m； dD/

17、dt机械钻速，机械钻速，m/h。钻井液固相控制钻屑量的估算钻屑量的估算例：美国墨西哥湾沿岸的油气井在一开（即钻表层）时，通常使用直径例：美国墨西哥湾沿岸的油气井在一开（即钻表层）时，通常使用直径为为38.1 cm（15英寸）的钻头，机械钻速不低于英寸）的钻头，机械钻速不低于30.5 m/h（100 ft/h）。若所钻地层的平均孔隙度为）。若所钻地层的平均孔隙度为0.25, 试计算每小时的钻屑量试计算每小时的钻屑量Vs值。值。 Vs = (1 0.25) (38.1 / 1000)2 / 4 (30.5) = 2.61 (m3/h) 由于低密度固相的平均密度为由于低密度固相的平均密度为2.6 g

18、/cm3，故每小时钻出钻屑的，故每小时钻出钻屑的重量为：重量为：(2.61) (2600) / 1000 = 6.8 (t/h) 由此可见，进入钻井液的钻屑量是相当大的。只有不断清除这由此可见，进入钻井液的钻屑量是相当大的。只有不断清除这些钻屑，才能使钻井液保持所要求的性能，保证正常钻进的进行。些钻屑，才能使钻井液保持所要求的性能，保证正常钻进的进行。钻井液固相控制非加重钻井液中膨润土和钻屑非加重钻井液中膨润土和钻屑的粒度分布的粒度分布钻井液固相控制单个旋流器所排除的固相单个旋流器所排除的固相例：将泥浆杯置于除泥器的底流口，如收集1000 ml底流需要32 秒钟，并测得底流密度为2.09 g/

19、cm3，试计算每小时所排出的固相质量和水的体积。解：除泥器底流的密度可用固相和水的体积分数表示如下：r = (ms + mw) / (Vs + Vw) = (rsVs + rw Vw) / (Vs + Vw) = rs fs + rw fw （8-3）式中，r 底流密度，g/cm3 ms，mw 固相、水的质量，g； Vs，Vw 固相、水的体积，cm3； fs，fw 固相、水的体积分数。已知低密度固相的平均密度为2.6 g/cm3，水的密度为1.0 g/cm3。代入各参数后得到 2.09 = 2.6 fs + 1.0 (1 fs) fs = 0.681由于底流流量为1/32 L/s，故每小时所排

20、出的固相质量为：(1/32) (0.681) (2.6) (3600) = 199.2 (kg/h)每小时所排出的水的体积为：(1/32) (1 0.681) (3600) = 35.9 (l/h)以上计算结果表明，对于该单个除泥器，每小时应补充的水量大约为36 l，否则循环系统内钻井液的体积会逐渐减少。钻井液固相控制各种固控设备可分离固相颗粒各种固控设备可分离固相颗粒的粒度范围的粒度范围钻井液固相控制加重钻井液中各种固相的粒度分布加重钻井液中各种固相的粒度分布钻井液固相控制重晶石颗粒粒度累计分布曲线重晶石颗粒粒度累计分布曲线钻井液固相控制加重钻井液的固相控制加重钻井液的固相控制对于密度低于对

21、于密度低于1.8 g/cm3（15 ppg）的加重钻井液，使用）的加重钻井液，使用清洁器的效果十分显著，如果对通过筛网的回收重晶石和清洁器的效果十分显著，如果对通过筛网的回收重晶石和细粒低密度固相适当稀释并添加适量降粘剂，可基本上达细粒低密度固相适当稀释并添加适量降粘剂，可基本上达到固控的要求；到固控的要求；当密度超过当密度超过1.8 g/cm3时，清洁器的使用效果会逐渐变差。时，清洁器的使用效果会逐渐变差。可使用离心机将粒径在重晶石范围内的颗粒从液体中分离可使用离心机将粒径在重晶石范围内的颗粒从液体中分离出来。含大量回收重晶石的高密度液流（密度约为出来。含大量回收重晶石的高密度液流（密度约为

22、1.8 g/cm3）从离心机底流口返回在用的钻井液体系，而将从）从离心机底流口返回在用的钻井液体系，而将从离心机溢流口流出的低密度液流（密度约为离心机溢流口流出的低密度液流（密度约为1.15 g/cm3）废弃；废弃；离心机主要用于清除粒径小于重晶石粉的钻屑颗粒。离心机主要用于清除粒径小于重晶石粉的钻屑颗粒。钻井液固相控制加重钻井液固控一般流程加重钻井液固控一般流程钻井液固相控制 钻井液中固相含量的测定与计算钻井液中固相含量的测定与计算 低密度固相含量的确定：低密度固相含量的确定： flg = rw fw + (1 fo fw) rb + ro fo rm / (rb rlg) 只要测得钻井液密

23、度只要测得钻井液密度r rm，并用蒸馏实验测得，并用蒸馏实验测得fw和和fo，便可由上式求出低密度固相的体积分数，便可由上式求出低密度固相的体积分数flg。钻井液固相控制钻井液中固相含量的测定与计算钻井液中固相含量的测定与计算简化公式：简化公式： flg = 2 fs 0.625 (rm 1) 对于不混油的淡水钻井液，由蒸馏实验测得对于不混油的淡水钻井液，由蒸馏实验测得的的fs，可以很方便地求出，可以很方便地求出flg。钻井液固相控制钻井液固相含量与密度的关系钻井液固相含量与密度的关系钻井液固相控制钻井液中固相含量的测定与计算钻井液中固相含量的测定与计算 例：例： 用蒸馏实验测得密度为用蒸馏实

24、验测得密度为1.68 g/cm3的某井浆样品的的某井浆样品的fs = 0.28，48.9（120 ）时测得的）时测得的PV = 32 mPa s，YP = 7.2 Pa，试判断该，试判断该井浆的固相含量是否适宜？如否，应采取何种措施？井浆的固相含量是否适宜？如否，应采取何种措施？ 解：由图可知，解：由图可知，r rm = 1.68 g/cm3的钻井液所允许的最高固相含的钻井液所允许的最高固相含量量fs = 0.265，故该井浆的，故该井浆的fs值过高。同时，从图值过高。同时，从图8-19和图和图8-20可分别可分别查得，当查得，当r rm = 1.68 g/cm3时时PV上限为上限为30 mP

25、a s，YP上限为上限为9.0 Pa，从而表明井浆的从而表明井浆的YP在适宜范围内，但在适宜范围内，但PV偏高。偏高。 由此可推断，井浆中膨润土含量并不高，由此可推断，井浆中膨润土含量并不高，fs 过高主要由钻屑含量过高主要由钻屑含量fds所引起。因此，应通过合理使用固控设备或采取添加选择性絮凝剂所引起。因此，应通过合理使用固控设备或采取添加选择性絮凝剂的方法，将的方法，将fs降至降至0.265以下。以下。钻井液固相控制与钻井液有关的常见矿物和岩石与钻井液有关的常见矿物和岩石的阳离子交换容量的阳离子交换容量 名称名称凹凸棒石凹凸棒石氯泥氯泥石石粘性页岩粘性页岩伊利石伊利石高岭高岭石石蒙脱石蒙脱

26、石 砂岩砂岩 页岩页岩 CEC(meq/100 g)152510402040104031570150 05 020钻井液固相控制钻井液塑性粘度的适宜范围钻井液塑性粘度的适宜范围钻井液固相控制水基钻井液动切力的适宜范围水基钻井液动切力的适宜范围钻井液固相控制钻井液中膨润土含量的确定钻井液中膨润土含量的确定由常规亚甲基蓝法所测得的钻井液中膨润土的含量只是一个近似的相对含量，其原因由常规亚甲基蓝法所测得的钻井液中膨润土的含量只是一个近似的相对含量，其原因有两个：有两个：一是蒙脱石的阳离子交换容量（一是蒙脱石的阳离子交换容量（CEC）一般在）一般在70150 meq/100 g的范围内，而假定膨的范围

27、内，而假定膨润土的润土的CEC等于等于70 meq/100 g是不确切的；是不确切的；二是钻井液中，除膨润土外，还常有其它一些可吸附亚甲基蓝的物质。用过氧化氢仅二是钻井液中，除膨润土外，还常有其它一些可吸附亚甲基蓝的物质。用过氧化氢仅能排除其中有机物的影响，但不能排除来自地层的钻屑的影响。从表能排除其中有机物的影响，但不能排除来自地层的钻屑的影响。从表8-6可知，钻屑中可知，钻屑中常含有的页岩、伊利石及高岭石等也都具有一定的常含有的页岩、伊利石及高岭石等也都具有一定的CEC。它们所吸附的一部分亚甲基。它们所吸附的一部分亚甲基蓝也被计入钻井液的亚甲基蓝容量（蓝也被计入钻井液的亚甲基蓝容量（MBC

28、）中，这显然是不合适的。）中，这显然是不合适的。为了准确地确定钻井液中配浆膨润土的含量，为了准确地确定钻井液中配浆膨润土的含量，Chenevert等提出不仅需要测定钻井液等提出不仅需要测定钻井液的的CEC（用（用meq/100 ml表示），还应同时测定膨润土和钻屑固体的表示），还应同时测定膨润土和钻屑固体的CEC（用（用meq/100 g表示）。其中钻井液的表示）。其中钻井液的CEC用常规亚甲基蓝法测定。用常规亚甲基蓝法测定。实验用钻屑样品需在实验用钻屑样品需在105温度下烘干后磨成细粉，并通过温度下烘干后磨成细粉，并通过325目细筛。取目细筛。取10 g烘干的烘干的膨润土和钻屑细粉分别加至膨润土和钻屑细粉分别加至50 ml蒸馏水中，经充分搅拌后，再用亚甲基蓝滴定法测定蒸馏水中，经充分搅拌后，再用亚甲基蓝滴定法测定这两种固体物质的这两种固体物质的CEC。钻井液固相控制钻井液中膨润土含量的确定钻井液中膨润土含量的确定 (CEC) (CEC) 2.6(CEC)