钻井液的固相及其含量的控制
钻井液中的固相物质
钻井液中的固相物质
就固相颗粒而言，按API标准可分为粘土 （或胶体颗粒），尺寸大于74um。如果 用筛网检查颗粒大小的话，那么凡是不 能通过200目筛孔（200目的筛孔为API砂 子检验筛孔）的固相颗粒为砂子（即颗 粒尺寸大于74um）。
钻井液中的固相物质
二、固相颗粒在钻井液中分布及其研磨性
在钻井过程中，由于钻头对井底岩石的 切削、冲击和研磨等作用，不断地破碎 岩石，井眼在不断的加深，同时对岩石 破碎形成的不同尺寸的岩屑也进入了钻 井液系统，在这些岩石之中，最大尺寸 的最小尺寸的都是少量的，而大量的岩 屑是中间尺寸的。
钻井液中的固相物质
以前，钻井液工作者普遍认为在钻井液系统中 API砂子是唯一的磨粒。其实不然，任何固相 颗粒的研磨性应由它的尖锐程度和硬度来决定。 研磨性颗粒应比被磨的材料更硬更尖锐。同时 较大的磨粒在磨损某种材料的时候，与较小的 磨粒相比，产生的磨痕较深，磨去的材料较多。 由于岩石发生机械降级作用，其研磨性逐渐变 小，15um以下的颗粒对设备的研磨性就不太明 显了。钻井液中的磨粒主要由微米以下的颗粒 组成。
钻井液中的固相物质
γm＝γ水（1－X）＋2.5X…………………（9）
式中：γm—钻井液密度； γ水—水的密度； X—固相体积百分数； 2.5—低密度固相物质的密度。
钻井液中的固相物质
钻井液中的固相物质
如果已知钻井液的密度，利用公式（9） 可确定非加重钻井液的固相含量。
当钻遇异常高压地层时，需要增大钻井 液密度，提高钻井液液柱的静液压力， 以控制地层压力，防止井涌、井喷之类 的事故发生。往钻井液里加重晶石粉可 以使钻井液的密度增加，加重晶石后的 钻井液称为加重钻井液。
钻井液中的固相物质
②用每升含3.74克亚甲基蓝（分析纯）的溶液 （1毫升≈0.01毫克当量）进行滴定，每滴入 0.5ml亚甲基蓝溶液后旋摇30秒钟。当固相仍被 悬浮时，用搅拌棒转移1滴液体放在滤纸上， 观察在染色固定斑点周围是否出现绿－蓝色圈。 若无此圈，继续滴入0.5ml亚甲基蓝溶液，重复 上述的操作。当出现绿－蓝色圈时，摇动三角 瓶2min后再向滤纸上滴1滴，染色固体斑点周 围的绿—蓝色圈不消失为止（见下图）。记录 所耗亚甲基蓝溶液的毫升数。
《钻井液固相控制》课件
培训工作人员
教授员工如何识别固相物、钻井 液的正确使用方法和维护设备。
正确选取化学物品
化学物品必须考虑到地质条件、 钻井液类型和其他必要条件。
案例分析和应用实例
案例
YZ区的天然气钻井液中，固相物的含量非常高，导 致滑塞暴射，致使施工工作无法进行。
应用实例
1. 选择化学物品，能够实现提高化学效率，减 少固相物含量的目标。
钻井液固相控制
本PPT课程将带你深入探究如何控制钻井液中的固相物，保障钻井工作的顺利 进行。
课程介绍
什么是固相物？
介绍天然气、石油开采过程和固 相物的概念。
为什么需要控制固相物？
控制固相物可以最小化钻井液损 失，提高工作效率。
固相控制的挑战
天然气和石油开采的不同，导致 固相控制方法不同。
钻井液固相控制的定义
2. 工人需要掌握如何正确使用钻井液，以及如 何及时加入量化小的化学物品。
3. 更换钻井设备，以达到防止堵塞和平滑的效新技术和材料将继续 3 保持课程学习的纪律
重点
推动固相控制的发展
性
优化固相控制可以显着提 高钻井生产力和钻井液性 能。
一些公司正在开发更高效、 更安全的固相控制材料和 技术。
1 定义
钻井液固相控制是一项旨在减小钻井过程中固相物对设备损害的工程计划，涉及对钻井 液的研究、开发和应用。
2 固相物的来源
固相物来自于岩石、钻井设备和钻井液。它们可能会导致口井、裂缝或头屑，导致生产 中断。
固相控制的重要性
安全第一
固相物有可能堵塞井口，导致不安全状态。
提高效率
优化固相控制方法可以最小化停工时间和孔口閉塞风险。
更多工程师需要掌握固相 控制的基础知识，多了解 和研究新技术，推动行业 的创新。
第八章钻井液固相控制
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， 钻井液中的固相按作用可分为两类：一类是有用固相， 膨润土、加重材料以及非水溶性或油溶性的化学处理剂； 以及非水溶性或油溶性的化学处理剂 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， 钻屑、劣质土和砂粒等 另一类是无用固相，如钻屑、劣质土和砂粒等。钻井实践表 过量无用固相的存在是破坏钻井液性能、 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 致各种井下复杂情况的最大隐患。所谓钻井液固相控制， 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。 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， 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， 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， 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， 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。 井提供必要的条件。
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， 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8—9所示。 所示。 结构如图 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、 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， 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， 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． 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 其固体被输送器送至滚筒的小端，经底流口排出； 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 相反方向流向滚筒大端．从送流口排出。 相反方向流向滚筒大端．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， 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。 底流进行二次分离，回收液相，排除钻屑。
钻井液的固相控制
泥浆处理常用的絮凝剂有以下二类
①无机絮凝剂（凝聚剂） 无机盐类：氯化铁(FeCI3)、硫酸铝(AI2(SO4)3.18H2O)、 硫酸亚铁(FeSO4.7H2O)、硫酸铁(Fe2（SO4）3)、铝 酸钠（Na2AI2O4）、四氯化钛（TICI4） 碱类：氢氧化钙（Ca(OH)2）、碳酸钠(Na2CO3)、 NaOH、CaO ② 有机絮凝剂：主要是应用表面活性剂，见表5-4。 废钻井液处理中高分子絮凝剂的离子类型与絮凝悬浮 粒子能力的关系见表5-5。
3、高分子絮凝剂与无机凝聚剂的比较 、 高分子絮凝剂，同无机处理剂相比体现出了如下优点: 絮块大、 ①絮块大、沉降快 由于质点靠高分子拉在一起，故絮块度大，易于分离。 效率高、 ②效率高、成本低 用量一般仅为无机凝聚剂的1/2000～1/30。例如，采用 某地产膨润土配制成浓度为10%的泥浆500ml，利用浓度 0.5%的絮凝剂焦磷酸钠15ml时，产生全部沉淀。当改用当 量浓度为10%的FeCI3无机凝聚剂与500ml浓度为10%的泥 浆进行滴定，结果消耗FeCI3500ml。显然，有机絮凝剂用 量比无机絮凝剂用量少许多，但达到同样的絮凝效果。 ③可进行选择性絮凝 取上一个试验所配制的浓度为10%的泥浆500ml，利用 0.5%的焦磷酸钠滴定时可发生如下现象：当滴定焦磷酸钠 3ml时，产生浑浊；当滴定6ml时，产生较大浑浊；当滴定 10ml时，全部产生浑浊；当滴定15ml时，全部澄清。而采 用浓度10%的FeCI3滴定时，在未产生沉淀前未发生任何现 象。由此可见，有机絮凝剂具有选择性絮凝作用，首先将 较大的颗粒沉降，其次随着滴定量的增加，逐渐将细微颗 粒沉降，而无机物则无此作用。
钻井液的固相及其含量的控制
钻井液的固相及其含量的控制舒儒宏(渤海钻探钻井技术服务公司泥浆公司)摘要钻井液的固相含量是指单位体积钻井液中固相物质的质量。
钻井液的固相控制，就是使用一切可以利用的手段，最经济地、最大限度的清除在钻井液中的钻屑，目的是维护钻井液性能，减少钻井事故，提高钻速，降低成本。
认识钻井液的固相类型、掌握它在钻井液中作用及对它的要求、控制方法等，对今后的工作意义重大。
关键词类型作用要求方法钻井液中的固相，包括人为加入的粘土和加重材料以及钻屑。
前两者是钻井液的主要成分，使钻井液具有所需要的性能，后者属于有害成分，使钻井液的性能变坏，如果钻井液中的钻屑过多，将会引起一系列问题。
例如：钻井液密度升高，粘切增大，泥饼变厚，会加剧设备的磨损，会影响固井质量，影响测井，损害油气层；也可能引起卡钻，、井漏等井下复杂情况；还会使钻速降低，钻井液维护处理费用增加和钻井总成本增加等。
可见，搞好钻井液固相含量的控制，维持有用的固相含量，清除钻屑，对于保证钻井工艺的顺利进行，对于提高钻速和降低成本都是至关重要的。
如果将钻井液中的有害固相控制在适当的范围，可以有以下几方面的好处：降低钻井的扭矩和摩阻；减小抽吸压力和压力激动；减小压差卡钻的可能性；减小测井工具的阻卡；可以改善下套管的条件；提高固井质量；延长钻头寿命；减轻设备磨损；增强井眼稳定性；提高钻速；降低钻井液和钻井成本等11方面。
一、钻井液中固相的类型1、按照作用可分为(1)有用固相：例如粘土和加重材料以及非水溶性或油溶性的化学处理剂。
(2)有害固相：例如钻屑、劣质土和砂粒等。
2、按照尺寸大小(1)砂：不能通过200目筛网，即大于74微米的固体。
(2)淤泥：即2--74微米的固体。
(3)粘土：即小于2微米的固体。
3、按照固体的密度可分为(1)低密度固体，即密度小于2.7的固体，如粘土和钻屑。
(2)高密度固体，即密度大于4.2的固体，也就是平时说的加重剂。
4、按照反应活性可分为(1)活性固体，即容易与水发生反应的或相互之间易发生反应的固体。
钻井液固相控制技术
钻井液中加重剂、岩屑及黏土等固体颗粒所组成的体系称为固相。
按其作用可分为有用固相和无用固相(也叫有害固相)。
有用固相是指有助于改善钻井液性能的固相，如膨润土、加重剂(青石粉、重晶石及肽铁矿)等；无用固相是指不能改善钻井液性能，甚至影响钻井液性能，危害钻井正常进行的固相。
钻井液中固相含量高可导致形成厚的滤饼，容易引起压差卡钻；形成的滤饼渗透率高，滤失量大，造成储层损害和井眼不稳定；造成钻头及钻柱的严重磨损，尤其是造成机械钻速降低。
钻井液固相控制就是采用机械除砂、化学除砂的方法清除大部分无用固相，保留有用固相，以满足钻井工艺对钻井液性能要求的工艺，简称固控。
钻井液固相控制技术主要包括四个方面的内容：
一、使用好化学絮凝剂，抑制黏土分散；
二、加强固控设备的使用，控制劣质固相；
三、加重前，适当排放泥浆，降低黏土含量和固相含量；
四、提高钻井液抑制性，减少分散性处理剂的使用。
钻井液固相控制
• 当密度超过1.8 g/cm3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 出来。含大量回收重晶石的高密度液流（密度约为1.8 g/cm3）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1.15 g/cm3） 废弃；
• 离心机主要用于清除粒径小于重晶石粉的钻屑颗粒。
加重钻井液固控一般流程
钻井液中固相含量的测定与计算
低密度固相含量的确定：
flg = [rw fw + (1 fo fw) rb + ro fo rm] / (rb rlg)
只要测得钻井液密度rm，并用蒸馏实验测得fw
和fo，便可由上式求出低密度固相的体积分数flg。
与钻井液有关的常见矿物和岩石 的阳离子交换容量
名称
凹凸棒石 氯泥石 粘性页岩 伊利石 高岭石 蒙脱石 砂岩 页岩
CEC
15～25 10～40 20～40 10～40 3～15 70～150 0～5 0～20
(meq/100 g)
钻井液塑性粘度的适宜范围
水基钻井液动切力的适宜范围
钻井液中膨润土含量的确定
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；
• 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排出。
第二章第四节钻井液固相控制的基本知识
钻井液的固控
一、固相控制的意义
1 2
3
4
固相控制的意义
5
6 7
8
二、钻井液固相控制的方法
· 加入大量清水，增加总体积，是固相含量相对减少 · 缺点：增加储备设备，浪费，性能波动，造成事故 •用清水或符合要求的低固相钻井液替换掉一定体积 高固相含量的钻井液，达到降低固相含量的方法。 •流入大循环池，岩屑、砂粒在重力作用下从钻井液中 沉降分离出来的方法。该法在现场使用较普遍。 •①加入絮凝剂用200~400m3大沉砂池沉淀 •②通过絮凝剂罐，在清除固相。用于不分散体系 •利用筛分、离心分离原理，将钻井液中的固相 按粒度和密度不同而分离，控制中固相含量的方法
5、机械设备清除法
机械分离 设备 旋流分离 器 离心分离 机 超级旋流 器
粒度：
振动筛
粒度：
除砂器
除泥器
5、机械设备清除法
＞250μm 32~80μm
10~52μm 10~60μm 2~7μm 5~10低密度
三、固相控制设备
1、振动筛 固控的一级设备
固相控制设备
2、除砂器（旋流分离器） 进口压力：0.2MPa 处理能力：20~120m3/h 作用：除去95%的大于74μm和 50%的大于40μm的岩屑 选用：处理量为钻井泵最大排量 的125%
固相控制设备
3、除泥器（旋流分离器） 进口压力：0.2MPa 处理能力：10m3/h或15m3/h 作用：除去95%的大于40μm和 50%的大于15μm的岩屑 选用：处理量为钻井泵最大排量 的125%~150%
小结
固控意义：8方面 固控方法：清水稀释法、替换部分钻井液法、 大池子沉淀法、化学絮凝法、机械设备清除法④ 固控设备：振动筛、除砂器、除泥器、 清洁器、离心分离机
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钻井液的固相及其含量的控制
舒儒宏
(渤海钻探钻井技术服务公司泥浆公司)
摘要钻井液的固相含量是指单位体积钻井液中固相物质的质量。
钻井液的固相控制，就是使用一切可以利用的手段，最经济地、最大限度的清除在钻井液中的钻屑，目的是维护钻井液性能，减少钻井事故，提高钻速，降低成本。
认识钻井液的固相类型、掌握它在钻井液中作用及对它的要求、控制方法等，对今后的工作意义重大。
关键词类型作用要求方法
钻井液中的固相，包括人为加入的粘土和加重材料以及钻屑。
前两者是钻井液的主要成分，使钻井液具有所需要的性能，后者属于有害成分，使钻井液的性能变坏，如果钻井液中的钻屑过多，将会引起一系列问题。
例如：钻井液密度升高，粘切增大，泥饼变厚，会加剧设备的磨损，会影响固井质量，影响测井，损害油气层；也可能引起卡钻，、井漏等井下复杂情况；还会使钻速降低，钻井液维护处理费用增加和钻井总成本增加等。
可见，搞好钻井液固相含量的控制，维持有用的固相含量，清除钻屑，对于保证钻井工艺的顺利进行，对于提高钻速和降低成本都是至关重要的。
如果将钻井液中的有害固相控制在适当的范围，可以有以下几方面的好处：降低钻井的扭矩和摩阻；减小抽吸压力和压力激动；减小压差卡钻的可能性；减小测井工具的阻卡；可以改善下套管的条件；提高固井质量；延长钻头寿命；减轻设备磨损；增强井眼稳定性；提高钻速；降低钻井液和钻井成本等11方面。
一、钻井液中固相的类型
1、按照作用可分为
(1)有用固相：例如粘土和加重材料以及非水溶性或油溶性的化学处理剂。
(2)有害固相：例如钻屑、劣质土和砂粒等。
2、按照尺寸大小
(1)砂：不能通过200目筛网，即大于74微米的固体。
(2)淤泥：即2--74微米的固体。
(3)粘土：即小于2微米的固体。
3、按照固体的密度可分为
(1)低密度固体，即密度小于2.7的固体，如粘土和钻屑。
(2)高密度固体，即密度大于4.2的固体，也就是平时说的加重剂。
4、按照反应活性可分为
(1)活性固体，即容易与水发生反应的或相互之间易发生反应的固体。
例如粘土等，活性固体不仅要影响密度、粘切等钻井液性能，还会影响钻井液的PH值、矿化度等滤液性能。
(2)惰性固体，即不易与其它矿物质发生反应的固体。
例如重晶石和石灰石、砂岩等。
惰性固体对钻井液的密度和造壁性影响较大，而对钻井液的滤液性能基本无影响。
二、钻井液中固相的作用
1、对钻井液性能的影响
(1)影响钻井液的密度：经验公式F s=0.625(ρm-1)，其中F s固相含量的体积分数；而ρm表示钻井液密度。
从上面可以看出，对于未加重钻井液，钻屑含量每增加0.625%，钻井液密度将增加0.01。
(2)影响造壁性：随着钻井液固相含量的增加，在相同的失水量下，对应的泥饼增厚。
(3)影响流变性：
①影响途径
a、增加颗粒之间，颗粒与液相之间的摩擦；
b、固体表面吸收水分，使钻井液中自由水减少；
c、形成空间网架结构。
所以，随着固相含量的增加，钻井液的粘度，切力上升，其影响程度的大小主要取决于固体含量、颗粒尺寸和固相的表面活性。
②影响的因素
a、固相含量：随着固相含量的增加，钻井液的流动阻力增加，粘切升高。
b、颗粒尺寸：在固相含量相同的情况下，颗粒尺寸越小，则固体颗粒的数目越多，所产生的摩擦力越大，因而钻井液的粘切就越高。
c、固体的活性：惰性固体只产生纯摩擦，，所以对塑性粘度影响较大，而对其它影响较小。
然而活性固体不仅产生摩擦，而且与液相之间还要相互作用，，所以它不但会影响塑性粘度，而且还要影响其它钻井液性能。
(4)影响滤液性能：由于活性固体表面要发生水解、电离、离子交换等作用，就会使钻井液的PH值、电解质浓度等发生变化。
2、对钻井工艺的影响
(1)影响钻速，由于固相含量增加时易产生“压持效应”，造成重复破碎，从而机械钻速下降。
(2)引起井下复杂情况，由于固相含量增加，摩阻增大、密度增大、泥饼变厚、粘切升高等，就容易造成压差卡钻，还易造成压力激动和抽吸压力，进而引起井漏或井喷。
(3)其它：由于固相含量增加，容易造成下套管、电测等困难，更易堵塞油气通道，损害油气层。
3、影响经济效益
大家知道，只要井下出现事故复杂，相应的就要增加钻井成本，从而影响经济效益。
三、钻井液固相含量的要求
钻井液中的固相含量，主要包括膨润土、加重剂和钻屑。
1、膨润土含量的要求
钻井液的膨润土含量，主要取决于钻井液的流变性、造壁性和悬浮能力的要求。
如果膨润土含量太低，不能使钻井液具有一定的粘度、切力，而且不易形成泥饼，因而不能满足携岩、悬浮加重材料和稳定井壁的要求；如果膨润土含量过高，则会导致泥饼过厚、粘度、切力过大，容易引起井下复杂情况。
所以，膨润土含量不能过高，也不能过低，优质膨润土的最佳含量应在
0.5-3.5%之间。
下面介绍下影响钻井液膨润土含量的因素：
(1)膨润土的质量
膨润土的造浆率越高，需要越少。
(2)钻井液的密度
当钻井液的密度高时，总固相含量大，钻井液的粘切高、为保证井下安全，膨润土含量应低点，只要有足够悬浮加重材料的膨润土含量即可；当密度低时，应保持适当高点的膨润土含量。
(3)钻井液的矿化度
钻井液的矿化度高时，膨润土容易聚结，不易水化造浆，此时膨润土含量应适当高点；当矿化度低时，膨润土含量应适当低点。
(4)钻井液的使用温度：
由于高温有助于膨润土的水化分散。
因此，在深井高温条件下使用的钻井液，膨润土含量应低点，而在浅井低温条件下应高点。
2、加重剂含量的要求
加入加重材料，主要为了满足井下对钻井液密度的要求，所以，加重材料的含量是由所需钻井液密度确定的。
3、钻屑含量的要求
钻屑被认为是有害固相，过多会影响钻井液性能。
因此，钻井液中钻屑应越少越好，但考虑到现场实际工艺，钻屑不可能被彻底清除，同时，作为低固相钻井液，如果含有少量钻屑作架桥离子，对钻井液的造壁性是有利的，所以，现场允许钻井液含有少量钻屑，但其含量不能超过膨润土含量的两倍。
四、控制钻井液固相含量的方法
1、地面沉降法：就是当钻井液循环到地面时，加入包被剂，使钻屑在地面循环罐中被絮凝和沉淀的方法。
此方法一般只用于无固相钻井液体系。
2、稀释法：就是在钻井液中加入固相很低或无固相的液体的方法。
此方法又可分为纯冲稀和部分替换两种方法。
3、机械分离法：就是利用固控设备，将钻屑从钻井液中分离出来的方法。
现场中多是用此方法，所以，使用好固控设备就显得尤其重要，它关系到一口井的成败。
4、化学控制法：就是加入絮凝剂使钻井液中的固相颗粒聚集变大而有利于用地面沉降法或机械分离法除去固相的方法。
此方法可除去5微米以下的固相颗粒，而单纯的地面沉降法和机械分。