钻井液固控技术
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《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。
钻井液固相控制技术及设备(钻机厂)
钻井液固相控制技术及设备第一章钻井液中的固相及其影响第一节概论钻井液是钻井过程中使用的循环流体，它是液体固体和化学处理剂的混合物。
钻井液中的固体颗粒分为有害固相和有用固相，岩屑是钻井中的最主要的有害固相。
有害固相在钻井过程中将影响钻井液的物理性能，使钻井液的密度、粘度、动切力、失水、泥饼、研磨性、粘滞性、流动阻力增加，其结果导致损害油气层，降低钻速，增加钻盘扭矩，起下钻遇阻，粘附卡钻，井漏井喷等井下复杂情况，对钻井液循环系统造成磨损。
第二节钻井液的作用与组成一、 作用：1、清洗井底2、携带岩屑3、冷却和润滑钻头及钻柱4、形成泥饼保护井壁5、控制与平衡地层压力6、悬浮钻屑和加重剂沉砂7、提供地层资料保护油气储层防止伤害8作为动力液传递水功率。
二、 钻井液组成1、水－淡水、盐水、咸水和饱和盐水2、膨润土－钠膨润土，钙膨润土3、化学处理剂－无机类、有机类、表面活性剂类、高分子聚合物类4、油－轻质油或厚油类5、加重剂－重晶石类、赤铁矿6、气－空气、天然气，三、 液相选择的原则选择何种液相主要取决于对所钻地层需要的抑制作用。
液相抑制能力强可防止流体减少和活性固体的膨胀，抑制地层的造浆。
第三节固相颗粒粒度的影响（固相颗粒粒度通常指颗粒的大小尺寸）一、固相颗粒粒度对钻速的宏观影响宏观上钻井液中不同性质的固相颗粒对钻速影响不同，小于1微米的胶体要比粗颗粒的影响更严重，在固相量大于6%时，分散性钻井液细颗粒与不分散钻井液细颗粒固相对钻速的影响几乎一样，当固相含量低于6%时，不分散钻井液比分散钻井液的钻速要高，固相含量越低，钻速差别越大，这是因为固相含量低于6%时，分散性钻井液中的胶体颗粒所占的百分比越大。
二、 固体颗粒粒度的微观影响任何水基钻井液中的颗粒，其表面都吸附水分子，自由液体受到约束。
钻井液中的钻屑在钻井循环中不断破裂，其表面积不断增加，因而增加了吸附的水分子。
一个小颗粒被立体型分裂后，颗粒变为多少倍，表面积就增加多少倍。
钻井液的固相控制
无机有机混合体系加速沉降促进过滤非离子型乙烯聚合聚丙烯酰胺聚氧化乙烯阴离子型乙烯聚合高分子反应聚丙烯酸钠聚苯乙烯磺酸聚磺化甲基化聚丙烯酰胺阳离子型高分子反应聚胺基甲基聚丙烯酰胺乙烯聚合聚丙烯酸二烷基胺乙脂无机处理剂的作用机理采用有机或无机处理剂通过利用无机凝聚剂加进的无机阳离子如ca等能中和粘土颗粒表面的负电荷使其电位降低粘土颗粒间的斥力减小聚结稳定性降低从而聚结沉淀
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。
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。
钻井液固相控制
（8-28）
谢谢！
• 影响离心机分离效果的因素主要有三个：进料温度，进料速率，异常工艺 条件。
第二节、固控工艺与原理
• 固液分离基本原理
• 1、沉降原理
• 当固体和液体（或两个液相）间存在着密度差时，便可采用离心沉降方法来实现 固液分离。在离心场中，当颗粒重于液体时离心力会使其沿径向向外运动；当颗
粒轻于液体时，离心力将使其沿径向向内运动。因此，离心沉降可以认为是较轻
第一节 固控设备概述
• 泥浆清洁器(Mud Cleaner)是一组旋流器和一台细目 振动筛的组合。
• 泥浆清洁器主要用于从加重钻井液中除去比重晶石 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。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。 • 所选筛网一般在100-- 325目之间，通常多使用150目。
第一节 固控设备概述
• • • • 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。 除砂器。通常将直径为150～300 mm的旋流器称为除砂器。 除泥器。通常将直径为100～150 mm的旋流器称为除泥器。 微型旋流器。通常将直径为50mm的旋流器称为微型旋流器。
旋流器直径mm 可分离的颗粒直径mm
第二节、固控工艺与原理
• 固液分离基本原理
• 3、旋流分离原理 • 旋流分离过程本质上是非均混合物中，颗粒对于流体介质的沉降迁移运动。 从受力情况来看旋流分离过程中的颗粒主要受两种力作用：一是运动加速 度引起的施加在颗粒上的力。这包括重力加速度引起的重力和离心机加速 度引起的离心力。二是流体施加在颗粒上的力，当旋流器内离心机加速度 远大于重力加速度时，重力影响可忽略。
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。
钻井液固控系统
加重剂
加重剂是一种密度较大的物质，加入钻井液中可以增加钻 井液的密度，提高对井壁的支撑力，防止井壁坍塌。
降滤失剂
降滤失剂是一种能够降低钻井液滤失量的物质，加入钻井 液中可以减少钻井液在钻井过程中的滤失量，保持钻井液 性能稳定。
防塌剂
防塌剂是一种能够防止井壁坍塌的物质，加入钻井液中可 以减少对井壁的侵蚀和破坏，保持井壁稳定。
钻井液固控系统面临的挑战
01
技术更新换代
随着钻井技术的不断进步和应用需求的不断提高，钻井液固控系统需要
不断进行技术更新和升级。这需要不断投入研发力量，加强技术创新和
产品升级，以满足市场和客户的不断变化的需求。
02
成本控制与市场竞争
钻井液固控系统的成本直接影响到钻井工程的总成本。如何在保证系统
性能和质量的前提下，降低系统成本，提高市场竞争力，是钻井液固控
钻井液固控系统
• 引言 • 钻井液固控系统组成 • 钻井液固控系统工作原理 • 钻井液固控系统应用 • 钻井液固控系统发展趋势与挑战
01
引言
目的和背景
钻井液固控系统是石油钻井工程中用于控制钻屑和钻井液固相含量的重要设备。
随着钻井技术的不断发展，钻井液固控系统的应用越来越广泛，对于提高钻井效率、 降低钻井成本、保障钻井安全具有重要意义。
系统面临的重要挑战。
03
复杂工况适应能力
钻井液固控系统在面对不同地质条件、气候环境和工作压力等复杂工况
时，需要具备较高的适应能力。如何提高系统的稳定性和可靠性，降低
故障率，是钻井液固控系统面临的重要挑战之一。
未来研究方向与展望
新材料与新技术的应用
随着新材料和新技术的不断发展，未来钻井液固控系统将进一步探索和应用新型材料、节能技术和智能控制技术等， 以提高系统的性能、环保性和智能化水平。
钻井液固控系统
筛网的规格
筛网的规格通常用目数来表示。筛网的目数 即筛网经线（长度）方向或纬线（宽度）方 向上，每英寸长度内含有的钢丝数目或孔数
筛网号 (目数)
50 60 80 100 120 150
中国(上海)
丝径 (mm)
孔尺寸 孔眼有效面
(μm)
积(%)
0.152
360
49.1
0.122
300
50.7
多毫米。由于要求筛下物越细越好，因此筛网使用 的最大目数目前已达到325目。 （4） 要求钻井液振动筛具有极好的运移性、安装 简单、筛网更换方便、操作粗放、工作可靠、易损 件少等特点。 （5）钻井岩屑在筛面上的筛分过程远比干物粒复 杂。
振动筛的类型
（1）按筛箱上的运动轨迹分为 圆形轨迹筛、 直线轨迹筛、椭圆轨迹筛。
180
0.05
90
41.7
200
0.05
77
36.8
0.0535
74
33.6
HYDROCYCLONE
1、The development and application of a cyclone
2、the basic structure and working principle of a cyclone
（2）按筛网绷紧方式分为 纵向绷紧筛和横 向绷紧筛。
（3）按筛分层数分为 单层筛和双层筛。 （4）按筛面倾角分为 水平筛和倾斜筛。 （5）按振动方式分为 惯性振动筛、惯性共
振筛、弹性连杆式共振筛、电磁振动筛等。
振动筛（直线筛）
Байду номын сангаас
三联筛
三、筛网 筛网的编织型式
a-正方网格 b-荷兰式网格 c-长方网格 d-斜纹网格
钻井液固控系统教程
杂。
振动筛的类型
（1）按筛箱上的运动轨迹分为 圆形轨迹筛、
直线轨迹筛、椭圆轨迹筛。 （2）按筛网绷紧方式分为 纵向绷紧筛和横 向绷紧筛。 （3）按筛分层数分为 单层筛和双层筛。 （4）按筛面倾角分为 水平筛和倾斜筛。 （5）按振动方式分为 惯性振动筛、惯性共 振筛、弹性连杆式共振筛、电磁振动筛等。
振动筛（直线筛）
三联筛
三、筛网 筛网的编织型式
a-正方网格 b-荷兰式网格 c-长方网格 d-斜纹网格
筛网的规格
筛网的规格通常用目数来表示。筛网的目数
即筛网经线（长度）方向或纬线（宽度）方 向上，每英寸长度内含有的钢丝数目或孔数
中国(上海)
筛网号 (目数) 50 60 80 100 120 150 180 200 丝 径 (mm) 0.152 0.122 0.102 0.081 0.081 0.06 0.05 0.05 孔尺寸 (μm) 360 300 220 172 130 108 90 77 孔眼有效面 积(%) 49.1 50.7 46.1 46.4 38.1 41.7 41.7 36.8 0.0535 丝 径 (mm) 0.229 0.190 0.139 0.117 0.094 0.066
D.F.Kelsall’s
experimental curves (D.F.Kelsall 1) Tangential Velocity Vt n=0.6-0.9
Vt r c
n
2)Axial velocity Vz
3)Radial Velocity Vr
5、The structure Parameters of a cyclone
The Working Principle of a Cyclone
第二章第四节钻井液固相控制的基本知识
第四节 钻井液固相控制 的基本知识 主讲：柴丽
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
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
钻井液固控技术
②稀释法
• 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。如果用机械方法清除有害固相仍达不到要求，便可用 稀释的方法进一步降低固相含量。也有时是在机械固控设备缺 乏或出现故障的情况下不得不采用这种方法。稀释法虽然操作 简便、见效快，但在加水的同时必须补充足够的处理剂，如果 是加重钻井液还需补充大量的重晶石等加重材料，因而会使钻 井液成本显著增加。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。
1.
Solids in Drilling Fluids and Particle Size Distribution 钻井液固相及粒度分布
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 简称为固控(Solids Control)。 Desirable Solids(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； Desirable Solids(无用固相)，如钻屑、劣质土和砂粒 等。
按固相粒度分类
• 按照美国石油学会(APl)制订的标准，钻井液
中的固相可按其粒度大小分为三大类： (1) 粘土(或称胶粒) ：粒径<2 (2) 泥：粒径2～73 (3) 砂(或称API砂):
m ；
m
.
m ；
粒径>74
钻井液中固相的粒度分布情况
类别 砂 外观描述 粒径范围／ m 对应目数 粗 中 中细 细 极细 >2 000 250-2 000 74-250 44-74 2-44 3>10 60-10 200-60 355-200 ／ 质量分数/% 0.8-2 0.4-8.7 2.5-15.2 11-19.8 56-70
钻井液固含及其控制
边排放。 （３）一次较大量的稀释比分多次少量稀释的费用小。
五、固相控制方法
（3）化学絮凝法
化学絮凝法是在钻井液中加入适量的絮凝剂，使固相 细颗粒聚集成较大颗粒，然后用机械方法排除或在沉砂池 中沉除，这种方法是机械方法清除固相的补充，两者相 辅 相成。
五、固相控制方法
化学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 5 μm 左右，而离心机一般只能清除粒径 6 μm 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。显然，在这种情况下，化学絮凝应安排在钻井 液通过所有固控设备之后进行。
膨润土含量测定原理：使用亚甲基蓝法测出钻井液的阳 离子交换容量(CEC)，然后通过计算确定钻井液中膨润 土的含量。
1、试验步骤 （1）用不带针头的注射器量取1mL钻井液，放入适当
大小的锥形瓶中，加入10mL水稀释。为消除有机处理剂 的干扰，加入15mL3%的H2O2和0.5mL浓度为2.5M的 释H2S04，缓缓煮拂10min，然后用水稀释到50mL。
优点：操作简便、见效快。
缺点：在稀释的同时必须补充足够的处理剂，如果是 加重钻井液还需补充大 的加重材料，因而使钻 井液成本显著增加。此外还有一部分被废弃旧 浆的排放问题需要考虑。
五、固相控制方法
为了尽可能降低稀释费用, 有以下几个般原则应该遵循： （１）钻井液总体积不宜保留过大。 （２）部分旧浆的排放应在加水稀释前进行，不要边稀释
亚甲基蓝滴定终点的点滴试验
2、膨润土含量计算
fc 14.3 (CEC )m
式中：fc 钻井液中膨润土含量， g / L
(CEC)m 钻井液的阳离子交换容 量
本节完
第三节 钻井液固相含量
一、钻井液固相含量：钻井液中全部固相体积占钻井液总 体积的百分数。
五、固相控制方法
（3）化学絮凝法
化学絮凝法是在钻井液中加入适量的絮凝剂，使固相 细颗粒聚集成较大颗粒，然后用机械方法排除或在沉砂池 中沉除，这种方法是机械方法清除固相的补充，两者相 辅 相成。
五、固相控制方法
化学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 5 μm 左右，而离心机一般只能清除粒径 6 μm 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。显然，在这种情况下，化学絮凝应安排在钻井 液通过所有固控设备之后进行。
膨润土含量测定原理：使用亚甲基蓝法测出钻井液的阳 离子交换容量(CEC)，然后通过计算确定钻井液中膨润 土的含量。
1、试验步骤 （1）用不带针头的注射器量取1mL钻井液，放入适当
大小的锥形瓶中，加入10mL水稀释。为消除有机处理剂 的干扰，加入15mL3%的H2O2和0.5mL浓度为2.5M的 释H2S04，缓缓煮拂10min，然后用水稀释到50mL。
优点：操作简便、见效快。
缺点：在稀释的同时必须补充足够的处理剂，如果是 加重钻井液还需补充大 的加重材料，因而使钻 井液成本显著增加。此外还有一部分被废弃旧 浆的排放问题需要考虑。
五、固相控制方法
为了尽可能降低稀释费用, 有以下几个般原则应该遵循： （１）钻井液总体积不宜保留过大。 （２）部分旧浆的排放应在加水稀释前进行，不要边稀释
亚甲基蓝滴定终点的点滴试验
2、膨润土含量计算
fc 14.3 (CEC )m
式中：fc 钻井液中膨润土含量， g / L
(CEC)m 钻井液的阳离子交换容 量
本节完
第三节 钻井液固相含量
一、钻井液固相含量：钻井液中全部固相体积占钻井液总 体积的百分数。
钻井液固相控制方法与原理
钻井液固相含量对钻井作业的影响及其控制—钻井液固相控制工艺及原理钻井液中的固相含量是指单位体积钻井液中的固相含量的质量，单位用kg.m-3或g.cm-3表示。
固相含量对钻井液性能有重要影响，如粘土含量过高，是钻井液的年粘度和切力增加；岩屑含量过高，是滤饼的渗透率增加，滤矢量增大，滤饼增厚，易发生卡钻事故。
因此，钻井液的固相含量必须严格控制。
控制工艺原理如下：固相控制主要是有四种形式1 自然沉降法2 稀释法3 替代法4 机械法一、钻井液液相选择的原则选择何种液相主要取决于对所钻地层需要的抑制作用。
液相抑制能力强可防止流体减少和活性固体的膨胀，抑制地层的造浆。
二、固控设备的工作体系和原理1、固控原理分级清除钻屑是固控设备体系工作原理，大体上分有四级：振动筛、除砂清洁器、除泥清洁器、离心机（两台）2、固控体系分离点----有这样一种固相颗粒，经过固控设备处理后，有50%在底流中，有50%在溢流中，我们把这个固相颗粒粒度点叫分离点，这主要指非全过流处理设备。
理论上除砂清洁器分离点74μm除泥清洁器分离点43μm离心机分离点15μm高速离心机分离点2μm分离点不是一个定数,根据不同振动筛筛网目数以及泥浆体系不同而不同。
离心机的分离能力取决于固、液相的密度差及沉降区长度，固液两相密度差越相近，也就是进料的浆液年度越大，则分离沉降就越难以进行。
在实际生产中工艺条件影响离心机分离效果的因素主要有三个：进料温度，进料速率，异常工艺条件。
三、固液分离基本原理1.沉降原理当固体和液体（或两个液相）间存在着密度差时，便可采用离心沉降方法莱实现固液分离。
在离心场中，当颗粒重于液体时离心力会使其沿径向向外运动；当颗粒轻于液体时，离心力将使其沿径向向内运动。
因此，离心沉降可以认为是较轻颗粒中立沉降法的一种延伸，并且能够分离通常在重力场中稳定的浑浊液。
任何一种分离过程的机理，均依赖于两种组分间是否存在相对运动。
因而存在两种可能性：固体通过流体床沉降；液体通过固体床沉降。
钻井液和完井液化学—第八章 钻井液固相控制
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8—8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。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。
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。
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8—4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。
第六章钻井液固控和聚合物钻井液.
3、动塑比 0 0.36 0.48
，使钻
井液具有良p好的剪切稀释性及在环形空
间形成平板型层流。
4、对非加重钻井液，τ0=1.5-3.0Pa， 以保证钻井液具有良好的携带和悬浮能 力。
2. 按固相性质分类
(1)活性固相 容易发生水化作用以及与液相中其它组 分发生反应，主要指膨润土。
（2）惰性固相 包括砂岩、石灰岩、长石、重晶石以及 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质。
3. 按固相粒度分类
根据美国石油学会( API)规定的标 准，可将钻井液中的固相按粒度大小分 为三大类 ：
优点：处理时间短、效果好、 而且本较低。
（2）稀释法
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 。
如果用机械方法清除有害固相仍达 不到要求,可用稀释的方进一步降低固 相含量,有时是在固控设备缺乏或出现 故障的情况下不得不采用这种方法。
优缺点：
优点：操作简便、见效快
缺点：在稀释的同时必须补充足够的处 理剂，如果是
3化学絮凝法化学絮凝法是在钻井液中加入适量的絮凝剂然后用机械方法排除或在沉砂池中沉除这种方法是机械方法清除固相的补充两者相辅相成化学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而离心机一般只能清除粒径因此用机械方法无法降低钻井液中膨润土的含量在这种情况下化学絮凝应安排在钻井液通过所有固控设备之后进行一聚合物钻井液的理论基础二聚合物作用机理三不分散低固相聚合物钻一钻井液组成与性能对钻速的影响压持效应岩石可钻性强度循环压耗大原因
第二节 聚合物钻 井液
一、聚合物钻井液的理论 基础 二、聚合物作用 机理 三、不分散低固相聚合物钻 井液
钻井液固含及其控制
优点：处理时间短、效果好、 而且本较低。
五、固相控制方法
五、固相控制方法
（2）稀释法
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 。
如果用机械方法清除有害固相仍达不到要求，可用 稀释的方进一步降低固相含量，有时是在固控设备缺乏 或出现故障的情况下不得不采用这种方法。
五、固相控制方法
优点：操作简便、见效快。
缺点：在稀释的同时必须补充足够的处理剂，如果是 加重钻井液还需补充大 的加重材料，因而使钻 井液成本显著增加。此外还有一部分被废弃旧 浆的排放问题需要考虑。
五、固相控制方法
为了尽可能降低稀释费用, 有以下几个般原则应该遵循： （１）钻井液总体积不宜保留过大。 （２）部分旧浆的排放应在加水稀释前进行，不要边稀释
吸附
膨润土 （负电）
不吸附
PAM 吸附
钻屑 （不带电或少量负电）
HPAM
吸附
钻井液工艺原理电子教案—第八章
絮凝过程：吸附→架桥→蜷曲→絮凝成团 CPAM含有阳离子链节和非离子链节，比 PAM、HPAM具有更好的絮凝作用。
钻井液工艺原理电子教案—第八章
4、影性絮凝作用的主要因素 （1）相对分子质量 分子量＞3×106 （2）水解度 α= 30% （3）浓度 饱和吸附量的一半 （4）pH HPAM作为絮凝剂的pH为7-8
钻井液工艺原理电子教案—第八章
（1）絮凝剂 定义：通过桥连吸附将一些细颗粒聚结在一起的化 学物质。
钻井液工艺原理电子教案—第八章
类型： 全絮凝剂：即絮凝有用固相又絮凝无用固相 选择性絮凝剂：只絮凝无用固相
钻井液工艺原理电子教案—第八章
全絮凝作用
选择性絮凝作用
钻井液工艺原理电子教案—第八章
五、固相控制方法
五、固相控制方法
（2）稀释法
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 。
如果用机械方法清除有害固相仍达不到要求，可用 稀释的方进一步降低固相含量，有时是在固控设备缺乏 或出现故障的情况下不得不采用这种方法。
五、固相控制方法
优点：操作简便、见效快。
缺点：在稀释的同时必须补充足够的处理剂，如果是 加重钻井液还需补充大 的加重材料，因而使钻 井液成本显著增加。此外还有一部分被废弃旧 浆的排放问题需要考虑。
五、固相控制方法
为了尽可能降低稀释费用, 有以下几个般原则应该遵循： （１）钻井液总体积不宜保留过大。 （２）部分旧浆的排放应在加水稀释前进行，不要边稀释
吸附
膨润土 （负电）
不吸附
PAM 吸附
钻屑 （不带电或少量负电）
HPAM
吸附
钻井液工艺原理电子教案—第八章
絮凝过程：吸附→架桥→蜷曲→絮凝成团 CPAM含有阳离子链节和非离子链节，比 PAM、HPAM具有更好的絮凝作用。
钻井液工艺原理电子教案—第八章
4、影性絮凝作用的主要因素 （1）相对分子质量 分子量＞3×106 （2）水解度 α= 30% （3）浓度 饱和吸附量的一半 （4）pH HPAM作为絮凝剂的pH为7-8
钻井液工艺原理电子教案—第八章
（1）絮凝剂 定义：通过桥连吸附将一些细颗粒聚结在一起的化 学物质。
钻井液工艺原理电子教案—第八章
类型： 全絮凝剂：即絮凝有用固相又絮凝无用固相 选择性絮凝剂：只絮凝无用固相
钻井液工艺原理电子教案—第八章
全絮凝作用
选择性絮凝作用
钻井液工艺原理电子教案—第八章
固相控制
第七章固相控制第一节钻井液中的固相物质钻井中的固相物质主要是指配浆粘土、加重物质、钻屑和某些其它的固体物质。
钻井液中的固相物质就其来源划分，有配浆粘土、岩屑、加重物质和处理剂中的固相物质等。
1、按固相物质的密度分，有高密度的，密度在4.2 g/cm3以上，有低密度的，密度为2.5－3.0 g/cm3。
前者主要是指重晶石和其它加重材料。
后者主要是指膨润土和岩屑，一般认为其平均密度为2.6 g/cm3。
2、根据其在水中的作用方式和其在水中离子的作用方式，低密度固相又可进一步分成活性固相和惰性固相两类。
活性固相—是指容易发生水化作用，或者能与液相中的其它发生反应的固相。
这类固相具有高的表面活性和高的比表面积，电化学性质比较活泼，泥浆中粘土颗粒之间、粘土与离子间、粘土与聚合物间结合紧密。
这类固相的作用是调节钻井液性能，所以也称为有用固相。
惰性固相—是指对周围环境的变化没有反应、表面没有电荷、不发生电化学反应的固相。
包括砂子、燧石、石灰石、白云岩、某些页岩和许多矿物的混合物。
它们聚集在一起，压缩活性固相、聚结使粘度升高，引起钻井液性能的改变。
这类固相在钻井液中是没有用的，所以也称为无用固相。
无用固相的颗粒尺寸大于15μm时，对循环设备有磨蚀作用，因此又称它为有害固相。
3、就颗粒尺寸而言，按API标准可分为：粘土或胶体颗粒：尺寸小于2μm泥、粉砂：尺寸在2－74μm砂子：尺寸大于74μm如果用筛网检验颗粒的话，凡是不能通过200目筛网（API标准检验筛）的固相颗粒为砂子。
第二节固相物质对钻井液的影响一、固相物质对钻井液性能的影响固相的类型、颗粒的大小和形状及含量对钻井液性能都有影响。
1、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。
2、钻井液的粘度与固相含量、固相颗粒的尺寸和固相的性质有关。
对同一钻井液来说，固相含量增大，钻井液的粘度升高；颗粒分散的越细，钻井液的粘度越高；固相的吸水性越强，钻井液的粘度也越高，钻井液的流动性变差。
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Particle size distribution of a barite 重晶石粒度分布
• 按照我国国家标准和API标准，
钻井液用重晶石粉的200目筛筛
余量均小于3％，即要求至少有 97％的重晶石颗粒的粒径在74
m
以下。一般认为，绝大多数重晶 石粉颗粒的粒度范围为2-74 m 。 • (1)小于2 m 的颗粒约占8％；
m • (2)小于30 m 的颗粒约占76％;
Particle size distribution of a barite
• (3)小于40 m 的颗粒约占83％。
Cuttings岩屑
Vs
• • •
•
(1 )d dD
2
4
dt
Vs = the cutting volume entering the mud,m3/h; φ= the average formation porosity, d = the bit diameter, m, and
②稀释法
• 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。如果用机械方法清除有害固相仍达不到要求，便可用 稀释的方法进一步降低固相含量。也有时是在机械固控设备缺 乏或出现故障的情况下不得不采用这种方法。稀释法虽然操作 简便、见效快，但在加水的同时必须补充足够的处理剂，如果 是加重钻井液还需补充大量的重晶石等加重材料，因而会使钻 井液成本显著增加。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。
0.560
0.425 0.300
30
40 50
0.250
0.200 0.160 0.140 0.112 0.110 0.075
60
80 100 120 150 160 200
②Hydrocyclones（旋流器）
用于钻井液固相控制的旋流器 (Hydrocyclone)是一种带有圆柱 部分的立式锥形容器，其结构如 图8-4所示。锥体上部的圆柱部 分为进浆室，其内径即旋流器的 规格尺寸，侧部有一切向进浆口； 顶部中心有一涡流导管，构成溢 流口。壳体下部呈圆锥形，锥角 为15o～20o。底部的开口称做底 流口，其口径大小可调。
5.3 Solid Control Methods 固控方法
① ② ③ ④
Screening: 振动筛 Forced settling：强制沉降（旋流器，离心机） Chemical flocculation（化学絮凝）, and Dilution（稀释）.
①化学絮凝法
• 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。这 种方法是机械固控方法的补充，两者相辅相成。目前广泛 使用的不分散聚合物钻井液体系正是依据这种方法，使其 总固相含量保持在所要求的4％以下。化学絮凝方法还可 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5μ m左右，而离心机一般只能清除粒径6μ m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。化 学絮凝总是安排在钻井液通过所有固控设备之后进行。
20gd ( s m ) V s 9
2 s
用离心的方法将重力加速度提高若干 倍，则颗粒的沉降速度就会增大若干 倍，这正是使用旋流器和离心机控制 固相的基本原理。通常将这类固控措 施称做强制沉降(Forced Settling)
旋流器的平衡点
• 如果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，液体将全部从溢流口排出； 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衡 点。
25 m 。主要用于处理某些非加重钻井液，以清除超细颗粒。
③泥浆清洁器(Mud Cleaner)
• 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。所选筛网一般在100～325目之 间，通常多使用150目。 • 泥浆清洁器主要用于从加重钻井液中除去比重晶石 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。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。
泥
粘土
重晶石
胶粒
<2
2-74
／
5.5-6.5
Particle size distribution of a bentonite in fresh water 膨润土粒度分布
• Particle size distribution of a bentonite in fresh water: very fine colloidal particles ( <2 m )
1.
Solids in Drilling Fluids and Particle Size Distribution 钻井液固相及粒度分布
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 简称为固控(Solids Control)。 Desirable Solids(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； Desirable Solids(无用固相)，如钻屑、劣质土和砂粒 等。
5.4 Equipments for Solids Control 固控设备
①
Screen Shakers(Shale Shakers)振 动筛
表8-1 石油钻井中通用的振动筛筛网规格
网孔尺寸 ／mm 2.00 1.60 1.00 金属丝直径 ／mm 0.500 0.450 0.500 0.450 0.315 0.280 0.280 0.250 0.224 0.200 0.200 0.180 0.160 0.140 0.125 0.112 0.110 O.090 0.090 0.071 0.056 0.050 0.063 0.056 0.050 0.045 筛分面积百分比 ／％ 64 67 58 58 61 44 48 43 46 36 39 37 41 38 41 38 41 37 44 48 38 41 36 39 相当于英制目数 ／目每英寸 10 12 20
漩流器的类型
• 旋流器的分离能力与旋流器的尺寸有关，直径越小分离的 颗粒也越小。下表列出了各种尺寸的旋流器可以分离的固 相颗粒直径范围。
旋流器直径／mm 50 75 7～30 100 10～40 150 15～52 200 32～64
可分离的颗粒直径／ m 4～10
分离点 (CutPoint)
dD dt = the penetration rate of the bit, m/h.
Particle size distribution of Cuttings 岩屑粒度分布
• 而钻屑的粒度处于0.0510000 m 这样一个极宽的
范围。在小于1 m 的胶体
颗粒和亚微米颗粒中，膨 润土所占的体积分数明显 超过钻屑，而在大于5 m Particle size distribution of a shale in a native mud 的较大颗粒中，则几乎全 部是钻屑的颗粒。
• 如果某一尺寸的颗粒在流经旋流器之后有50％从底流 被清除，其余50％从溢流口排出后又回到钻井液循环 系统，那么该尺寸就称做这种旋流器的50％分离点， 简称分离点(Cut Point)。显然，旋流器的分离点越低， 表明其分离固相的效果越好。下表列出了几种规格的 旋流器在正常情况下的分离点。 旋流器直径／mm 分离点／μm 300 65～70 150 30～34 100 16～18 75 11～13
5.2 Purposes and Significance of Solids Control（固相控制的目的和意义）
• Maintain adequate mud rheological and filtration properties. • Improve lubricity and reduce abrasiveness and friction of mud and mud cake. • Reduce drilling torque and drag. • Reduce frequency of differential sticking and logging troubles. • Reduce surge and swab pressure. • Increase penetration rate and prolong bit footage and life. • Reduce water, barite and chemical additives consumption. • Smooth casing running and improve cementing quality. • Obtain gauge hole and enhance borehole stability. • Reduce wear of pump and equipment parts. • Control mud weight and mitigate formation damage. • Reduce mud drainage and haul-off.