钻井液固控技术

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)
•
① ②
• High-density solids（高密度固相）: weighting materials have higher density (usually > 4.0 g/cm3) • Low-density solids （低密度固相） : bentonite and drilled solids have lower density (usually <2.7 g/cm3)
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
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.
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。
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％；
• Inert solids（惰性固相）: sand, silt, limestone, feldspar, and API barite. They do not hydrate or otherwise react with other components of the mud. • Active solids （活性固相） : bentonite
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 )
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
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 Βιβλιοθήκη Baidum 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。
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。
(1)除砂器：直径为150～300mm的旋流器称为除砂器。在输入压力为
0.2MPa时，各种型号的除砂器处理钻井液的能力为20～120m3／h。 处于正常工作状态时，它能够清除大约95％大于74 m 的钻屑和大
约50％大于30 m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排量的1.25倍。 (2)除泥器: 直径为100～150mm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10～15m3／h。正常工作状态下 的除泥器可清除约95％大于40 m 的钻屑和约50％大于15 m 的钻 屑 。除泥器的许可处理量，应为钻井时最大排量的1.25～1. 5倍。 (3)微型旋流器：直径为50mm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7～
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。
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。
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。
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。
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
• 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