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1、钻井液与完井液化学,第八章 钻井液固相控制,钻井液固相控制,钻井液中的固相按作用可分为两类：一类是有用固相，如膨润土、加重材料以及非水溶性或油溶性的化学处理剂；另一类是无用固相，如钻屑、劣质土和砂粒等。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。 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。,
2、钻井液固相的分类,按作用分： 有用固相 粘土 重晶石 无用固相 钻屑,按性质分： 活性固相 惰性固相,按粒度分： 粘土：d74 m,有害固相对钻井所带来的不利影响,使钻速降低，钻头进尺减小 钻井设备磨损加剧 泥饼加厚 伤害油气层,清除泥浆固相的方法,加水稀释 化学方法:使用絮凝剂使钻屑呈团簇絮凝状，加快固体下沉速度。 机械方法 振动筛 旋流除砂器 旋流除泥器 离心机,固控设备概述,一、振动筛,振动筛(Screen shaker）是一种过滤性的机械分离设备。它通过机械振动将大于网孔的固体和通过颗粒间的粘附作用将部分小于网孔的固体筛离出来。从井口返出的钻井液流经振动着的筛网表面时，固相从筛网层部排
3、出含有小于网孔固相的钻井液透过筛网流入循环系统，从而完成对较粗固相颗粒的分离作用。 振动筛由筛架、筛网、激振器和减振器等部件组成，如图81所示。,使用振动筛时还应注意以下几点： (1)正确地安装与操作。 (2)筛网的张紧程度要适当，否则筛网寿命会大大缩短。 (3)网孔尺寸以钻井液覆盖筛网总长度的75一80为宜： (4)安装水管线，及时清洗筛网，防止堵。,固控设备概述,二、旋流器,1旋流器的结构与工作原理,用于钻井液固相控制的旋流器是一种带有圆柱部分的立式锥形容器，其结构如图84所示。,在压力作用下，含有固体颗粒的钻井液出进浆口沿切线方向进入旋流器。在高速旋转过程中，较大较重的颗粒在离心力作用下
4、被甩向器壁，沿壳体螺旋下降，由底流口排出；而夹带细颗粒的旋流液在接近底部时会改变方向形成内螺旋向上运动，经送流口排出。这样，在旋流器内就同时存在着两股呈螺旋流动的流体，一股是含有大量租颗粒的液流向下作螺旋运动另一股携带较细颗粒连同中间的空气柱一起向上作螺旋运动。这正是使用旋流器和离心机控制固相的基本原理。,固控设备概述,2应流器的使用与调节,目前用于钻井液固控的旋流器多为平衡式旋流器。如果这种旋流器的底流口尺寸调节适当，那么在给旋流器输入纯液体时，液体将全部从送流口排出；而含有可分离固相的液体输入时，固体将会从底流口排出，每个排出的固体颗粒表面都粘附着一层液膜。此时的底流口大小称做该旋流器的平
5、衡点。,如果将底流口调节到比平衡点的开口小时，在平衡点与实际的底流开口之间会出现一个干的锥形砂层。当较细颗将穿过砂层时会失去其表面的液膜，并造成底流口堵塞。这种不合理的调节常称为”干底”，由“干底”引起的故障又称为“干堵”。,如果底流口的开度大于平衡点所对应的内径、那么将有一部分液体从底流口排出，这种调节称为“湿底”。在实际操作中，理想的平衡点很难调节和保持。在仅有“干底”和湿底”两种选择的情况下、还是宁选后者。只要液流损失不严可视为正常情况。,固控设备概述,3旋流器的类型,旋流器按其直径不同，可分为除砂器、除泥器和微型旋流器三种类型。,(1)除砂器。通常将直径为150一300 mm的旋流器称
6、为除砂器。处于正常工作状态时，它能够清除大约95大于74m的钻屑和大约50大于30m的钻屑。为了提高使用效果，在选择其型号时，对钻井液的许可处理量应该是钻井时最大徘量的125倍，,(2)除泥器。通常将直径为100150 mm的旋流器称为除泥器。在输入压力为0.2MPa时，其处理能力不应低于10一15m3/h。正常工作状态下的除泥器可消除约95%大于40 m的钻屑和约50大于15m的钻屑。除泥器的许可处理量，应为钻井时最大排量的1.251.5倍。,3)微型旋流器。通常将直径为50 mm的旋流器称为微型旋流器。在输入压力为0.2MPa时，其处理能力不应低于5m3/h。分离粒度范围为725Pm。主要
7、用于处理某些非加重钻井液，以清除超细颗粒。,固控设备概述,三、泥浆清洁器,泥浆清洁器(Mud cleaner)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，如图88所示。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 颗粒从筛网上被徘出。,泥浆清洁器主要用于从加重钻井液中除去比重品石粒径大的钻屑。加重钻井液在经过振动筛的一级处理之后，仍含有不少低密度固体的颗粒
8、。这时如果再单独使用旋流器进行处理，重晶石会大量地流失。使用泥浆清洁器的优点就在于：既降低了低密度固体的含量，又避免了大量重晶石的损失。,固控设备概述,四、离心机,工业用离心机有多种类型但用于钻井液固控的主要是倾注式离心机，其结构如图89所示。,固控设备概述,倾注式离心机又称做沉陷式离心机，其核心部件有滚简、螺旋输送器和变速器。离心机工作时，钻井液通过一固定的进浆管进入离心机，然后在输送器轴筒上被加速，并通过在轴筒上开的进浆孔流人滚筒内。由于滚筒的转速极高，在离心力作用下，密度或体积较大的颗粒被甩向滚筒内壁使固液两相发生分离。其固体被输送器送至滚筒的小端，经底流口排出；而含有细颗粒的流体以相反
9、方向流向滚筒大端从送流口排出。,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。离心机还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。,固控工艺和原理,一、钻井液中固相物质的分类,钻井液中的固相(或称固体)物质，除按其作用分为有用固相和无用固相外，还有以下几种不同的分类方法：,1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。,2按固相性质分类：可分为活性固相和惰性固相。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。,3按固相粒度分类：按照美国石油学会(API)制订的标准，钻井液中
10、的固 相可按其粒度大小分三大类：(1)粘土(或称胶粒) 粒径2m；(2)泥 粒径273 m ；(3)砂(或称API砂) 粒径74 m 。,固控工艺和原理,二、常用的固控方法,钻井液固控有各种不同的方法，但首先应考虑的是机械方法，即上一节所介绍的通过合理使用振动筛、除砂器、除泥器、清洁器和离心机等机械设备利用筛分和强制沉陷的原理，将钻井液中的固相按密度和颗粒大小不同而分离开，并根据需要决定取台，以达到控制固相的目的。与其它方法相比，这种方法处理时间短、效果好，并且成本较低。,除机械方法外，常用的固控方法还有稀释法和化学絮凝法,稀释法既可用清水或其它较稀的流体直接稀释循环系统中的钻井液，也可在泥浆
11、池容量超过限度时用清水或性能符合要求的新浆，替换出一定体积的高固相含量的钻井液，使总的固相含量降低。为了尽可能降低成本，一般应遵循 以下原则：(1)稀释后的钻井液总体积不宜过大；(2)部分旧浆的排放应在加水 稀释前进行，不要边稀释边排放；(3)一次性多量稀释比多次少量稀释的费用要少。,化学絮凝法是在钻井液中加入适量的絮凝剂(如部分水解聚丙烯酰胺)，使某些些细小的固体颗粒通过絮凝作用聚结成较大颗粒，然后用机械方法排除或在沉砂池中沉除。,加重钻井液的固相控制,1、加重钻井液固控的特点,加重钻井液又称为重泥浆。加重钻井液中同时含有高密度的加重材料和低密度的膨润土及钻屑。加重钻井液固控的主要特点是，既要避免重品石的损失，又要尽量减少体系中钻屑的含量。,2加重钻井油的固控流程,加重钻井液固控系统的基本流程见图8l 6。,从图816可以看出，含大量回收重 晶石的高密度液流从离心机底流口返 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废弃。离心 机主要用于清除粒径小于重晶石粉的 钻屑颗粒。,
