7.2 钻井液循环系统

由于振动筛清除固相的能力有限，到五十年代中期，旋 流分离器开始用于钻井液中的固相控制。
到六十年代随着钻井工艺的发展，对固控的要求越来越 高，因而又发展使用了除泥旋流器，离心机等机械设备。
ZQJ100×12除泥器
ZQJ300×2除砂器
由于不同固控设备仅对一定颗粒尺寸范围内 的固相才能发挥最大效能，因此各种固控设备应 合理组合成为一个系统进行应用。到七十年代， 这种机械固控系统已是现代钻井装备的重要组成
部分。我国的固控技术是八十年代发展起来的。
当钻井液中侵入气体后，钻井液的性 能随之改变，也影响砂泵，钻井泵的正常 吸入和工作。因此钻井液中的气体也被列 入清除之列，清除钻井液中气体的除气器 也属于固控设备。
YQ1000 液气分离器
ZCQ/4 真空除气器
应该指出，固控系统通常不仅仅指上述的各 种固控设备，而是包括从泥浆返出井口开始到进 入钻井泵吸入口的整个地面流程。这段流程中包 括了前述的机械固控设备、除气器、泥浆搅拌器、 泥浆池、泥浆配臵设备等。但整个系统中的关键 设备是各种固控设备，即振动筛、除砂器、除泥 器、泥浆清洁器、离心机及除气器。其它的则属 于辅助设备。
泥浆振动筛中最易损坏的零件是筛网。一般 有钢丝筛网、塑料筛网、带孔筛板等，常用的是 不锈钢丝编织的筛网。筛网通常以“目”表示其 规格，它表示以任何一根钢丝的中心为起点，沿 直线方向25.4毫米(1英寸)长上的筛网数目。
例如某方形孔筛网每英寸有12孔，则称做12目
筛网，用API标准表示为12×12，或写为 APIl2(1524，51.8)。括号内的1524表示筛孔开孔 尺寸(μm)，51.8表示筛孔面积所占的百分比。 对于矩形孔筛网，一般也以单位长度(英寸) 上的孔数表示，如80×40、70×30表示1英寸长度 的筛网上，一边有80、70孔，另一边为40、30孔。
7.3钻井液净化设备 7.3.1 概述
1.钻井液的固相控制 现代钻机中都要用循环流体： 液体（多数），气体，泡沫剂 。 故称钻井循环流体为钻井液(习惯上称为泥浆)
钻井液的功能 1）冲洗井底，冲刷地层，利于钻进。 2）带出岩屑，悬浮岩屑。 3）冷却和润滑钻头、钻具。 4）平衡地层压力，防止井漏、井喷。 5）形成泥饼，保护井壁，防止井壁坍塌。 6）向井下动力钻具传递动力。 7）地质录井。 清水的缺点： 黏度低，悬浮岩屑能力低，易沉沙卡钻，形不成泥 饼，井壁易塌，不能平衡地层压力。
7.3.4水力旋流器
据有关资料介绍，泥浆筛一般只能清除全
部固相量的25％左右，74μm以下的细颗粒仍留
在泥浆中，对钻进速度仍然影响较大。为了进 一步改善泥浆性能，一般在泥浆振动筛之后装
有水力旋流器，以清除较小颗粒的固相。
水力旋流器分 为除砂器和除泥器 两种，但结构和工 作原理完全相同。 锥筒内径为6～12英 寸者，称作除砂器， 能清除大于70μm和 约50％大于40μm的
2.钻井液中固相的分类及粒度分布 根据不同的特点，钻井液中的固相有不同 的分类方法。 按固相的密度可分为：高密度固相和低密 度固相。前者是根据钻井要求特意加入的重质 材料，以提高钻井液的密度。 加有重质材料的钻井液称为加重钻井液或 加重泥浆。
低密度固相包括普通钻屑；配臵钻井液所需的 膨润土和处理剂。 不含重质材料的钻井液，称为非加重钻井液或非 加重泥浆。 根据美国石油学会(API)的规定，按固相颗粒的 大小可将钻井液中的固相分为三大类： 粘土(或胶质) 粒度小于2μm 泥 粒度为2～74μm 砂(或API砂) 粒度>74μm
如果把激振器安 装在筛架重心的上方 位臵，筛架两端呈椭 圆振动，而激振器的 正下方呈圆周振动， 如图7-18b所示。固 相颗粒运移速度受椭 圆轴、筛架的倾角和 激振器转动的方向所 控制。
激振中心
质心
两根带偏心块的主轴作同步反向旋转产生直线 振动, 直线振动的加速度平衡作用于筛箱，筛网受 力均匀，呈直线运动的振动筛，如图7-18c所示。
7.3.2
固相控制方法
近二十年来，随着喷射钻井、优化钻井、优质 钻井液和油气层保护技术的全面实施，固控工艺得 到了迅速的发展、推广和普及。 固控的任务是： (1)从钻井液中清除有害固相，使固相含量不超出 要求。 (2)降低钻井液中细微颗粒的比例，保持合理的固 相粒度和级配。
常用的固控方法有：冲稀法，替换法，自然沉 降法，化学沉降法及机械清除法。 冲稀法：就是为保持固相含量基本不变，往高 固相含量的钻井液中加入清水或其它较稀液体，冲 稀成低固相含量的钻井液（同时还应加入适量化学 处理剂)。 替换法：就是为保持钻井液总的体积不变，把 高固相含量的钻井液放掉一部分，然后在替入等量 的处理剂溶液和低固相钻井液，混均后再用。
水力旋流器分离出固相的粒径愈小，则分离
能力愈大，它与旋流器的尺寸、进浆压力、泥浆粘 度及固相颗粒的分布有关。 由于泥浆中固相颗粒以高速撞击旋流器内壁， 并沿内壁快速旋转下落，往往导致旋流器内壁很快 磨损、破坏。 水力旋流器由于结构简单，广泛用于液固、液 液及液气分离之中。
7.3.5泥浆清洁器
随着钻井深度的不同，对泥浆性能的要求也 不同。对于一般深度的井，多使用非加重水基泥 浆。处理这类泥浆的固控设备是：振动筛→除砂 器→除泥器→离心机。目的是尽可能除去泥浆中
细砂颗粒。
锥筒内径为2～5英寸者，称为除泥器，能清除 40μm和约50％大于15μm的泥质颗粒。 所谓锥筒内径是指锥筒圆柱体部分的内径，亦 称工作内径。
水力旋流器的上部呈 圆筒形，侧面有切向进口 管，由砂泵输送来的泥浆 沿切线方向进入腔体内。 顶部中心有溢流管，处理 后的泥浆由此溢出。壳体 下部呈圆锥形，锥角一般 为15°～20°，底部为排 砂口，固相从中排出。
(4)缩短机械设备寿命：增大磨损，钻头消耗增 加，泥浆泵易损件消耗增加。
井号 固控方式
2号井 土池
6号井 固控系统
材 料 消 耗
钻头（只）
拉杆（根） 缸套（只）
9
20 7
6
7 4
活塞（只）
凡尔（套）
60
40
25
20
(5)增加钻井成本：相邻两井比较
井号 89号 94号
井深（米）
固控状况
3902
很差
从井底返出的钻井液首先经过振动筛清除较大的固相颗 粒，故称振动筛为第一级固控设备，它适合于各种钻井液的 筛分。
目前石油矿场使用的几乎都是单轴惯性振动筛， 它由筛箱、筛网、隔振弹簧及激振器等组成。
由主轴、轴承和偏心块等构成的激振器，旋转时产生 周期性的惯性力，迫使筛箱、筛网和弹簧等部件在底座上 作简谐振动或准简谐振动，促使由泥浆盒均匀流至筛网表 面的泥浆中的液固相分离，即液体和较小颗粒通过筛网孔 流向除砂器，而较大颗粒顺筛网表面移向砂槽。 筛网的振动方式决定着钻屑在筛网上的分离粒度、运 移速度、排屑量和液体处理量等。
目前使用的普通泥浆筛，大多为小于30目的粗 筛网，只能清除固相大颗粒。现在越来越多地采 用60～200目的细筛网。 粗网的金属丝较粗(0.39mm以上)，筛孔面积占 50％左右，且寿命较长，细筛网(如80目)金属丝 细得多(如0.14mm)，筛孔面积仅为31.4％，故相 同面积下处理泥浆的能力小，钢丝也易破损。
3836
良好
钻速（米/小时）
泥浆成本（元/米） 全井累计（万元）
1.04
86.6 33.8
1.91
63.9 24.5
所谓钻井液的固相控制，就是清除有害
固相，保存有用固相，或者将钻井液中的固 相总量及粒度级配控制在要求的范围内，以 满足钻井工艺对钻井液性能的要求。通常将 钻井液的固相控制简称为固控，习惯上也称 为泥浆的净化。
机械清除设备配臵 级别 设备 处理能力（μm）
一
二 三
振动筛
除砂器 除泥器
>250
32－80 10－52
四
五
清洁器
离心机
10－60
2－ 7
五十年代以前，主要是用振动筛来清除钻 井液中的固相。
机械清除的特点：
1）设备配套，逐级清除。 2）固相控制容易，泥浆性能稳定，泥浆损失少， 污染小。 3）固控成本较低。
泥浆中有害固相的危害 (1)堵塞油气通道，损害油气层： 钻井液压力大于地层压力时，钻井液向地层 渗透，小于地层油气通道的的固相随之深入，形 成堵塞。即污染油层。 (2)降低机械钻速（单位时间内钻头所钻井眼 的进尺）。 固相含量小于8％范围内：固相含量每增加1 ％，机械钻速下降约10％。
(3)诱发井下事故： 固相↑导致： A.密度↑－压漏地层； B.黏度↑－钻头易泥包，起钻拔活塞，诱发井喷、 下钻引起压力激动，引起井漏； C.泥饼变松、变厚－失水大，导致井壁塌；井眼变 小，易卡钻；引发压差卡钻。 D.泥饼摩擦系数↑－扭矩增加，动力消耗大，钻具事 故多，钻具寿命短；
粒度级别
一、粗粒 二、中粗粒 三、中粗 四、细粒
直径（μm）
>20000 250－2000 74－250 44－74
五、超细粒
六、胶体
2－44
<2
钻井中固相颗粒的大小不等，各种颗 粒的含量也不等。固相颗粒的大小称为粒 度(及粗细程度)。各种颗粒占固相总量的 百分数称为级配。 钻井过程中，随地层的岩性,钻头类型 和钻井参数的不同，钻井液中的固相含量 及粒度级配也不一样。
钻井液的主要成分有： (1)水(淡水，盐水，饱和盐水等)； (2)膨润土(钠膨润土，钙膨润土，有机土或 抗盐土等）； (3)化学处理剂(有机类，无机类，表面活性 剂类或生物聚合物类等)； (4)油(轻质油或原油等)； (5体形成的分散体系不同，所起 的作用不同。从物理化学观点看，钻井液是一种 多相不稳定体系。为满足钻井工艺要求，改善钻 井液性能，常在钻井液中加入各种不同的添加剂。 钻井液在循环过程中，不能始终保持其优良性能， 而要被钻屑、油、气、水、盐及矿物污染，其中 钻屑是最严重的污染。