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钻井液固相控制技术钻井液技术服务公司主要内容•概述•钻井液中的固相物质•钻井液固相控制的方法•固相控制设备钻井液固相控制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为固控。长期的钻井实践表明，过量无用固相的存在是破坏钻井液性能、降低钻速并导致各种井下复杂情况的最大隐患。所以钻井液固相控制是钻井液管理的重要环节，是钻井工艺技术必不可少的组成部分。第一章前言正确、有效地进行固控可以降低钻井扭矩和摩阻，减少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，从而为科学钻井提供必要的条件。一、固相控制技术发展的背景钻井技术发展简史（1）概念阶段（1901--1920）开始把钻井和洗井两个过程联系在一起，并使用了牙轮钻头和注水泥封固套管的工艺。（2）发展阶段（1920--1948）这个时期的钻井工艺、固井工艺、牙轮钻头、钻井液等得到进一步发展，同时出现了大功率钻井设备。（3）科学化钻井阶段（1948--1968）这个阶段开展了大量的科学研究，使钻井技术得以迅速发展。突出的技术成就有：高压喷射钻井高效牙轮钻头（镶齿、滑动密封轴承钻头）优质钻井液（低固相、无固相不分散体系钻井液）优选参数钻井（优选钻压、转速和水力参数）以上技术使钻井速度产生了大的飞跃。地层压力检测技术油气井压力控制技术平衡压力钻井技术钻井液固相控制技术以上技术使钻井速度又一次产生了大的飞跃。（4）自动化钻井阶段（1968至今）这个时期主要体现电子仪表、自动测量和计算机在钻井工程中的应用。例如：钻井参数的自动测量、综合录井仪、随钻测量技术等。由于以上技术的应用，才得以实现最优化钻井、自动化钻井。钻井液固相控制技术随钻井技术的发展而发展起来。优质钻井液的获得:合理的钻井液体系有效的钻井液固相控制二、固相控制技术发展概况国外一直到上世纪50年代初之前用传输带、振动筛、沉砂池。清除钻井液中大于1mm的固相颗粒。1952年开始使用离心机。1954年开始使用6”的旋流器。1962年使用4”的旋流器。1966年使用细目振动筛。60年代末机械处理的方法有很大发展。70年代把各种机械处理设备合理组合，形成现代罐式固相控制系统国内70年代以前一直采用沉砂池和粗目振动筛。70年代开始研制旋流器。80年代引进国外先进的固相控制系统。。。。。。。第二章钻井液中的固相物质钻井液中的固相物质起着重要作用，它的类型、含量和颗粒的大小直接影响钻井液的物理和化学性能。第一节钻井液中固相物质的分类一、钻井液由液体、固体和化学处理剂组成的复杂混合物。简单的可分为液相和固相两部分。液相配浆流体（清水、淡盐水、海水等）固相配浆粘土、岩屑、加重剂等。二、固相物质的分类1、按固相作用分有用固相指维持和调节钻井液性能所必须的固相，如膨润土、重晶石和一些固相处理剂。有害固相除有用固相以外的其他固相，如钻屑、劣质土和沙粒等。有害固相颗粒的尺寸大于15微米的对循环设备有磨蚀作用。2、按固相性质分活性固相包括粘土和以粘土为主要成分的岩屑，它们的物理、化学性质受水中离子和钻井液处理剂的影响较大，并在水中水化分散，如粘土。惰性固相在水中不水化分散，一般不受其他条件的影响，如重晶石、石灰石、石英、长石等。3、按颗粒尺寸分（API标准）API标准，固相颗粒可分为粘土（或胶体颗粒），尺寸小于2微米；泥，尺寸在2~74微米之间；砂子，尺寸大于74微米。凡是不能通过200目筛网的颗粒（即颗粒直径大于74微米）为砂子，所以API砂子检验筛为200目。固相颗粒也可以按颗粒的粗细分，如下表类型颗粒尺寸，μm粗细等级对应目数砂泥胶粒20002000--250250--7474--4444--22粗中中细细极细胶粒1010--6060--200200--355————第二节固相颗粒在钻井液中的分布及其研磨性1、岩屑的机械降级岩屑刚脱离地层岩石本体的时候一般说来是比较大的，以后由于钻头的机械作用而岩屑不断破碎变小，变小的程度各不相同，有的从砂粒尺寸变到泥和粘土尺寸，这个过程称为机械降级。如下图2-1：图2-1岩屑的机械降级钻井过程中不同尺寸的岩屑进入钻井液，一般而言，破碎的岩屑经过机械降级后大尺寸颗粒和小尺寸颗粒都是少量的，大量岩屑是中间尺寸的，如下图：图2-2井底岩屑的可能性分布钻井液中各种大大小小的固相颗粒各占一定比例，这种颗粒尺寸的分布规律可用粒度分布来描述。2、固相颗粒的粒度分布钻井液中各种尺寸（或尺寸范围）的固相颗粒所占固相总体积的百分数，称为钻井液固相颗粒的粒度分布。用体积百分数表示。粒度分布通常用直方图表示，如图2-3、图2-4所示。图中横坐标表示颗粒的尺寸，纵坐标表示各种尺寸的固相颗粒占固相总体积的百分数。这些比例数值的分布规律对钻井液性能有直接影响。图2-3固相颗粒分布之一43.626.212.14.32.21.20.3022334874165250maxax10102030405026.5%3.7%颗粒尺寸范围每种尺寸范围内的固相含量图2-4固相颗粒分布之二固相颗粒的粒度分布受地层岩性、钻头尺寸和类型、机械钻速、钻井液类型等因素的影响。图2-3是用油基沥青钻井液钻软地层时钻井液中低密度固相颗粒的粒度分布情况。图2-4是用水基钻井液中低密度固相颗粒的粒度分布情况。3、固相颗粒的研磨性关于固相颗粒的研磨性，以前钻井工作者普遍认为钻井液中的API砂子是唯一的磨粒。其实不然，任何固相颗粒的研磨性均由其尖锐度和硬度决定。研究表明，钻井液中的磨粒主要是74μm以下、15μm以上的颗粒组成。图2-3中这种颗粒是砂子总量的8倍，图2-4中这种颗粒是砂子总量的7倍多。因此，在固相控制过程中要特别重视74以下的固相颗粒。第三节钻井液固相含量高的危害1、密度升高，钻速降低，并缩短钻头使用寿命。2、泥饼质量不好，质地松散，摩擦系数高，可导致起下钻遇阻遇卡，易引起粘附卡钻；另外，泥饼渗透性大，滤失量增大，可造成井壁膨胀、缩径、剥落甚至坍塌等现象，易引起井塌卡钻；降低油气层渗透率和油气生产能力；固相含量高，泥饼厚，还可影响固井质量。3、造成含砂量高，严重磨损钻头、钻具和机械设备，使钻井不能顺利进行。4、造成钻井液性能不稳定，粘度、切力升高，流动性不好，易发生粘土侵和化学污染。5、固相含量高，处理频繁，会使钻井液成本升高。6、固相含量高，砂样混杂，会使电测不顺利，测井资料不准确。第四节固相物质对钻井液性能的影响固相物质的类型、颗粒的大小和含量对钻井液性能都有影响。一、钻井液的密度钻井液的密度和固相含量有关，固相含量越高钻井液的密度越大。二、钻井液的粘度1、固相含量对粘度的影响固相含量越高，钻井液粘度越大。固相物质对钻井液粘度的影响主要是由颗粒的吸附作用造成的。钻井液中部分自由水在化学力的作用下吸附在颗粒的周围，自由水减少，导致粘度升高。一定量的固相颗粒所吸附的自由水量与颗粒的尺寸、固相物质的活性、液相类型、化学处理剂的种类和含量有关。2、颗粒的尺寸对粘度的影响固相颗粒的大小可单独影响钻井液性能，图2-5表示重晶石颗粒的大小对钻井液性能的影响。从图中可以看出，不同尺寸的重晶石颗粒对钻井液性能的影响不同。这是因为大小不同的颗粒在钻井液中的吸水作用不同，颗粒的吸水性与颗粒的表面积有关，表面积越大吸水性越强。图2-5重晶石颗粒尺寸对粘度的影响3、颗粒的比表面对粘度的影响颗粒的吸水性与颗粒的比表面积有关。一定量的固相颗粒，颗粒越细，表面积越大，吸附的自由水越多，钻井液的粘度越高。固相控制要特别重视钻井液中的细颗粒。颗粒的比表面比表面是指单位体积或单位重量的物质所具有的表面积。物质的比表面与颗粒的尺寸和形状有关，颗粒的比表面随颗粒尺寸的减小而增加，既使颗粒的形状和质量相同也是这个规律。颗粒的形状变化，比表面也发生变化。相同重量不同形状的颗粒，球形的比表面最小。加重钻井液经过反复循环，重晶石颗粒被磨细，比表面增大，钻井液粘度升高，为降低钻井液粘度，要不断从循环的钻井液中清除一些细颗粒，但这样做的结果会导致钻井液失水增大，所以有清除细颗粒的同时，还要加入土或其它处理剂控制失水。一般来说，出于粘度的考虑不容许控制失水的胶质颗粒的增加，除非钻井液中的部分粘土被清除。三、固相对泥饼的影响钻井液失水量要小，泥饼应薄而韧。泥饼的厚度主要取决于固相颗粒的尺寸、数量、形状及在一定压力下的可塑性。泥饼过厚，一方面会造成起下钻不畅，产生抽吸或压力激动，诱发井塌或井喷；另一方面，增大了钻具与井壁的接触面，易引发卡钻事故，另外，钻杆会出现泥皮结垢现象。所以要控制固相含量，提高泥饼质量。四、固相对循环系统的影响固相含量越大，对循环系统的机械磨损就越大。钻屑中有许多砂子硬度超过了金属硬度，能使泥浆泵缸套过早磨损，增加了维修时间，降低了钻井效率，降低了钻头寿命，特别是金刚石钻头的寿命。另外，固相含量大，冲击回转钻具、孔底动力钻具如螺杆钻寿命都会降低。特别值得一提的是有用固相与有害固相的划分应根据泥浆的种类和使用目的来确定，如细分散泥浆在钻进过程中，由于钻屑的水化、膨胀及冲蚀作用，会继续分散，致使发生泥浆的稠化现象，引起泥浆质量恶化、性能变坏，此时混入膨润土成分并非有用固相。第五节固相物质对钻速的影响一般认为，水是钻速最快的钻井液，当水中加入固相物质之后将导致钻速下降。钻井液固相对钻速的影响与固相含量、固相类型和固相颗粒的大小等因素有关。一、固相含量对钻速的影响固相含量越高机械钻速越低。图2-6固相含量与钻速的关系从图2-6可以看出，固相含量0%时钻速最高；随着固相含量的增大钻速显著下降，特别是在7%低固相含量范围钻速下降更陡。同时由大量的统计资料得出，固相含量升高至7%时，钻速下降50%，固相含量在7%范围内，每降低1%，钻速至少可以提高10%。固相含量在7%（约相当于密度1.08g/cm3）以下时，钻速提高很快，而高于7%时，降低固相含量以提高钻速的效果不明显。二、固相类型对钻速的影响一般认为砂子、重晶石等惰性固相颗粒对钻速影响较小；岩屑、劣质土的影响居中；优质粘土的影响较大。三、粘度对钻速的影响钻井液的固相含量相同，不同的粘度对钻速的影响各异，主要是由于钻井液中固相颗粒的尺寸分布特性所造成。在相同固相含量条件下，细颗粒含量越高，钻井液粘度越高，这是细颗粒比表面大，吸水量大造成的。四、颗粒大小对钻速的影响钻井液中细颗粒的含量越高，对钻速的影响越大。实验表明，直径小于1微米的亚微米颗粒对钻速的影响比1微米以上的粗颗粒对钻速的影响大12倍还要多。亚微米颗粒对钻速的影响在硬地层中更为明显。五、钻井液体系对钻速的影响有人研究指出，即使固相类型和含量相同，如果钻井液体系不同钻速也不同。例如，般土与劣土比值同为1：1的分散钻井液，固相含量同时钻速并不一样。固相含量小于4%时钻速差异更明显。（参看图2-7）图2-7钻井液体系对钻速的影响为什么不分散钻井液的钻速高于分散钻井液？实验证明：1、不分散钻井液的剪切稀释能力比分散钻井液强得多，喷嘴下的紊流粘度可接近清水；2、用超级离心法测得，陈老般土钻井液大约有13%的颗粒为亚微米颗粒。这种钻井液用木质素磺酸盐分解后，亚微米颗粒的含量剧增到80%；而加入聚合物后，亚微米颗粒便从13%降到6%。这一事实说明，不分散聚合物钻井液的亚微米颗粒含量比分散体系钻井液低得多。由固相含量对钻速的影响分析得出结论:一是为了有效地提高钻井速度，必须使钻井液固相含量控制在7%以下，这时，降低钻井液固相含量才能达到大幅度提高钻速的目的；二是为了提高钻井速度，仅保持钻井液低固相含量是不够的，还必须尽可能降低钻井液中胶体颗粒的含量，即应使用不分散低固相聚合物钻井液体系。第三章钻井液固相控制的方法固相控制的方法有稀释、替换、沉淀、化学絮凝和机械清除。化学絮凝的方法是使用絮凝剂絮凝固相颗粒，从而提高沉淀和机械处理的效率。化学处理本身不能把固相从钻井液中清除出去。在现代固相控制中，机械处理是最有效的方法，但在具体使用过程中往往是和非机械处理方法并用的，以便获得