钻井液中的固相物质
钻井液中固相含量对钻井液的影响及控制（精）
钻井液中固相含量对钻井液的影响及控制（精）钻井液中固相含量对钻井作业的影响及其控制摘要钻井液中的固相含量是指固相物质体积占中的循环钻井液体积的百分比。
钻井液中固相的含量对钻井液的性能及钻井工艺有着重要影响, 通过调整钻井液中固相的含量可以控制钻井液密度, 使其与地层保持相同压力,避免井喷,井涌等事故。
清除有害的岩屑,可以减小钻井液与设备之间的摩擦力,减小设备的受损程度,提高钻速,减少成本。
关键词固相含量影响控制钻井液中的固相物质一般是指粘土, 调节钻井液密度的材料(如重晶石和岩屑。
前者可以调节钻井液的性能,加入粘土可以提高钻井液的粘度和切力;后者属于有害固相,使钻井液性能变坏,岩屑含量过高,会使滤饼的渗透率增加,滤失量增大,滤饼增厚,易发生卡钻事故,此外还会降低钻速,增大设备的磨损程度,钻井成本增高。
可见,钻井液中的固相含量必须加以控制,清除有害固相,保持一定量有用固相。
如果将钻井液中的有害固相控制在合适范围内, 会有一下几个方面的好处:降低钻井液的扭矩和摩阻; 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;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;降低钻井及钻井液成本等。
一、钻井液中的固相物质钻井液中的固相可按不同的标准分类:(1 若按来源分类, 固相可分为配浆粘土、岩屑、密度调整材料和处理剂中的固相物质等。
(2 若按密度分类,固相可分为高密度(>=2.7g/cm^3固相和低密度(<2.7g/cm^3固相。
前者如重晶石(密度在 4.2~ 4.6g/cm^3范围 , 后者如膨润土和钻屑 (密度在 2.4~ 2.7g/cm^3范围。
(3 若按表面的化学活性分类, 固相可分为表面活性固相和表面惰性固相。
前者如膨润土, 它的表面易与水和一些处理剂发生作用;后者如重晶石,它的表面不与水和处理剂发生作用。
(4 若按在钻井液中是否有用分类, 固相可分为有用固相和无用固相。
第六章钻井液固控和聚合物钻井液.
（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
钻 速
10% 固相含量
（2）固相颗粒直径 结论：亚微米颗粒（粒径<1μm）含量越高，
钻速越低。 原因：亚微米（粒径<1μm）颗粒含量越高，
固相分散度越大，η∞越大，钻速越小。
分散钻井液 钻 速
不分散钻井
液
（亚微米颗粒含量 0 、
大）
p
固相含量
说明：在所有影响钻速的因素中，固相是 最主要因素。原因就在于固相不但本身 对钻速有影响，同时还影响ρm 、 η∞ 、 Vsp。
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 ：
吸
CON
附
吸 附
H2
膨润土 （负电）
不 吸 附
钻屑（不带电或少 量负电）
吸 附
PHP A：
—（CH2C）H（——CH）2CH—
（ 负电）
COO
CON
Na
H2
3、抑制与防塌作用
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。
钻井液和完井液化学—第八章 钻井液固相控制
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，钻井液中的固 相可按其粒度大小分三大类：(1)粘土(或称胶粒) 粒径＜2µm；(2)泥 粒径2—73 µm ；(3)砂(或称API砂) 粒径＞74 µm 。
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8—9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。
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8—l 6。 从图8—16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。
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。
钻井液的固相含量
主要指膨润土
惰性固相:凡不容易发生水化作用或易与液相中某些组分发生反应的
包括石英、长石、重晶石以及造浆率极低的粘土等
有害固相：除重晶石外其余的惰性固相（须尽可能加以清除）
2、钻井液固相含量对与井下安全的关系（过高的固相含量往往对井下安全造成很大危害）
②将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中，然后将量筒放在引流嘴下方，以接收冷凝成液体的油和水
③接通电源，使蒸馏器开始工作，直至冷凝器引流嘴中不再有液体流出时为止（这段时间一般需20～30min）
④待蒸馏器和加热棒完全冷却后，将其卸开。用铲刀刮去蒸馏器内和加热棒上被烘干的固体。用天平称取固体的质量，并分别读取量简中水、油的体积。
使钻井液流变性能不稳定，粘度、切力偏高，流动性和携岩效果变差
使井壁上形成厚的泥饼，而且质地松散，摩擦系数大，从而导致起下钻遏阻，容易造成粘附卡钻
泥饼质量不好会使钻井液滤失量增大，常造成井壁泥页岩水化膨胀、井径缩小、井壁剥落或坍塌
钻井液易发生盐钙侵和粘土侵，抗温性能变差，维护其性能的难度明显增大
3、钻井液固相含量对钻速的影响
钻井液的固相含量
含义：钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数
重要性：固相含量的高低以及这些固相颗粒的类型、尺寸和性质均对钻井时的井下安全、钻井速度及油气层损害程度等有直接的影响
1、钻井液中固相的类型
根据性质不同，可将钻井液中的固相分为两种类型，活性固相(Active Solids)和惰性固相(Inert So1ids)
固相含量为零（即清水钻进）时，钻速最高
固相含量增大，钻速显著下降；尤其较低固相含量范围时下降更快
固相含量超过10%（体积分数）后，固相含量对钻速影响就相对小了
钻井液固相的数学分析
钻井液固相的数学分析非加重钻井液的固相分析1．连续相全部是水时，有V l = 0.625（ρm －1）【V x (某种固相的百分数%)=(ρm-1)/(ρx-1)】2．连续相中混有部分油时，有V l = 0.625（ρm －1－ρo V o ）3．特殊情况下，当体系中的固相全部为重晶石时，有V h = 0.3125（ρm －1）式中：V l —低密度固相的体积百分数，%；V h —高密度固相的体积百分数，%；ρm —钻井液密度，g/cm 3；【ρx —某种固相或加重剂的密度】ρo —油的密度，一般取0.84 g/cm 3；V o —液相中油的体积百分数，%。
加重钻井液的固相分析1．在非含油的淡水体系中，各固相组份有如下关系：lh m s h s l V V V ρρρρρ--⋅+-=)1(水 lh s s l m h V V V ρρρρρ---⋅-=)1(水 V s = V l + V h式中：V s —体系中总固相的体积分数，%；ρ水—水的密度，取1g/cm 3；ρl —低密度固相的密度，一般取2.6g/cm 3；ρh —加重材料的密度，g/cm 3；其余同上。
2．加重钻井液体系中含有部分油相时的固相分析lh m o o s h o s l V V V V V ρρρρρρ--+⋅+--=)1(水 lh o s o o s l m h V V V V V ρρρρρρ----⋅-⋅-=)1(水 式中符号意义同上。
3．含有可溶性盐的加重钻井液体系固相分析lh m o o s h w w l V V V V ρρρρρρ--+⋅+⋅=lh w w o o s l m h V V V V ρρρρρρ-⋅-⋅-⋅-= 式中：ρw —含有可溶性盐的钻井液体系中液相（滤液）的比重，g/cm 3；一般采用下式计算：ρw = ρ水（1 + 1.94×10－6×〔Cl －〕0.95） 〔Cl －〕—滤液中Cl －的浓度，mg/l ；V w —含有可溶性盐的钻井液体系中水相的体积分数，%；可由下式确定：V w = V 水（1 + 5.88×10－8×〔Cl －〕1.2） V 水—纯水的体积分数，现场采用蒸馏方式得到，%。
钻井液固相分析计算
液相和固相含量的测定与分析1 符号和单位钻井液的含水量以V W表示；钻井液的含油量以V O表示；钻井液的固相含量以V S表示，数值均以百分数表示。
2 仪器与试剂a．固相含量测定仪：范氏(Fann)固相含量测定仪或同类产品；b．量筒：容量等于固相含量测定仪所取钻井液体积的用量；c．消泡剂；d．润湿剂；e．耐高温硅酮润滑油。
3 试验步骤3.1 将样品杯内部和螺纹处用耐高温硅酮润滑油涂敷一层，以便于清洗和减少样品蒸馏时的蒸汽损失。
3.2 在样品杯内注满钻井液(为了除泡，可加入2～3滴消泡剂，并缓慢搅拌)。
3.3 再向样品杯中加入一滴消泡剂并把盖子盖好，轻轻转动盖子直至完全封住为止。
注满不要堵住盖子上的小孔，安装好蒸馏器。
3.4 把洁净、干燥的量筒放在蒸馏器冷凝器的排出口下，加入两滴润湿剂以便油水分离。
3.5 接通电源，开始加入蒸馏，直至量筒内的液面不再增加后再继续加热10min，记录收集到的油水体积(单位：ml)。
3.6 待冷却后，拆开样品杯并彻底洗净。
4 计算4.1根据收集到的油、水体积和所用钻井液体积，按下式计算出钻井液中油和水的体积百分数；式中：V样－样品体积，ml；V水－蒸馏得到的水体积，ml；V油－蒸馏得到的油体积，ml注：固相体积百分数为样品总体积与油水体积的差值，包括了悬浮固相（加重材料和低密度固相）和一些可溶性物质，如盐等。
蒸馏器固体体积分数注：上面的蒸馏器固体体积分数仅仅是水加上油的体积与试样总体积之差占试样总体积的分数。
这样差值是悬浮固体（加重物质和低密度固相）与溶解了的固体（如：盐）体积之和。
只有在钻井液是未处理过的淡水钻井液时，这一蒸馏器固体体积分数才是悬浮固体体积分数。
4.2 需要进行另外的计算来求出悬浮固相的体积分数，并使之与低密度固相和加重物质的相对体积相联系。
为了进行这些计算，需要知道钻井液的精确质量和氯化物浓度。
式中：Vss－悬浮固体的体积分数；P氯化物－氯化物质量浓度，mg/l。
钻井液固相含量对钻井作业的影响及控制
(a)
卧式刮刀卸料离心过滤分离机
4、化学控制法
指加入絮凝剂使钻井液中的固相聚集变大而有利
于沉降或机械清除的方法。
絮凝剂主要是水溶性的聚合物。包括PAM（非离子 型）、HPAM(阴离子型)和CPAM(阳离子型)，前两种是通 过桥接-蜷曲机理絮凝，阳离子型还增加电性中和机理， 效果更好。PAM属完全絮凝剂，HPAM称选择性絮凝剂 。
3、选择性固相控制技术
应用选择性固相控制技术，井口返回钻井液经高效 振动筛后分为大粒湿钻屑（>74 μ m）和过筛液，过筛 液由分级过滤机分出三级固相，从粗到细依次为粗钻屑 （74~35 μ m）、加重固相（35~15 μ m）和细钻屑（ 2~15 μ m），加重固相经分散器分散后重新进入钻井液 体系，粗钻屑和细钻屑外排。这样对钻井液实现了选择 性固相控制，能清除更多有害固相，特别是粒径低于加 重固相的有害固体颗粒，能够大幅度提高机械钻速，降 低钻井液的黏度，降低稀释水量，减少钻井液体积。
3、对经济效益的影响
由于固相含量过高可能导致钻速下降 、卡钻、井喷，甚至井漏事故，因此一 旦井下出现事故复杂，相应的就要增加 钻井成本，从而影响经济效益。
三、钻井液的固相控制
控制钻井液中固相，就是清除无用固相，保留有用固 相。有下列方法： 1、沉降法。指钻井液循环到地表时，通过一个面积较 大的沉淀池，使较大颗粒固相沉淀下来的方法。
沉降类型图
2、稀释法
指向钻液中加入分散介质（水、油），使固相含量 降低的方法，也有加入分散剂（如铁铬盐），使钻井液 粘度下降，提高其承载钻屑的能力。 存在的缺点是加入清水易使钻井液性能产生波动， 引发井下事故，一般不用此法，但在一些地层相对稳定， 粘土分散度较低，且有渗漏现象的地区，用清水正好补 充消耗的钻井液，只需添加相当数量的处理剂即可。
钻井液基本知识
钻井液基本知识钻井液是用于钻井的流体，在钻井中的功用：1、冲洗井底，悬浮携带岩屑，保持井眼洁净。
2、均衡地层压力，稳固井壁、防备井塌、井喷、井漏。
3、传达水功率、以帮助钻头破裂岩石。
4、为井下动力钻具传达动力， 5、冷却钻头、钻具。
6、利用钻井液进行地质、气测录井。
钻井液惯例性能对钻井工作有很大的影响。
一、钻井液密度1 、钻井液密度观点：单位体积钻井液的质量称为钻井液的密度，其单位是克/ 厘米3（ g/cm 3）常用符号表示。
现场一般用钻井液密度计测定钻井液的密度。
2、钻井液密度的计算公式P=(P 地× 102)÷H+PeP----钻井液密度g/cm 3式中：P 地 ----地层压力MPaH-----井深 mPe-----附带密度、油层附带—气层附带—因为起钻时可能产生抽吸或液面降落，此外，气体进入井内，也会惹起液柱压力降低，所以钻井液密度要有附带值。
3、钻井液密度与钻井工作的关系：在钻井作业中，钻井液密度的作用是经过钻井液柱对井底和井壁产生压力，以均衡地层中油、气压力和岩石侧压力、防备井喷、保护井壁，同时防备高压油气水侵入钻井液，免得破坏钻井液的性能惹起井下复杂状况，在实质工作中，应依据详细状况，选择适合的钻井液密度，若钻井液密度过小，则不可以均衡地层流体压力，和稳固井壁，可能惹起井喷、井塌、卡钻等事故，若钻井液密度过大则压漏地层，并易伤害油气层。
钻井液对钻速有很大的影响，密度大液柱压力也大，钻速变慢，因钻井液柱压力与地层压力之间的正压差使岩屑的除去遇到阻拦。
造成重复破裂，降低钻头破裂岩石的效率，使钻速降落，往常在保证井下状况正常的前提下，为了提升钻速，应尽量使用低密度钻井液。
二、钻井液粘度1 、钻井液的粘度观点:钻井液粘度是指钻井液流动时，固体棵粒之间,固体颗粒与液体分子之间,以及,液体分子之间内摩擦的总反应,钻井液粘度可用漏斗粘度计和旋转粘度计进行测定,因为测定的方法不一样,现场常采纳漏斗粘度计丈量钻井液的粘度,单位是秒。
钻井液固相含量及其测定方法
的处理剂
固相
无用固相（有害固相）： 劣质土、钻屑、沙粒等
化学处理剂
无机、有机及高分子化合物
TUHA
DRILLING
固相含量的概念
固相
钻井液中加重剂、岩屑及黏 土等固体颗粒所组成的体系
固相含量
钻井液中全部固相的体积占 钻井液总体积的百分数，用% 表示
固相含量的影响
TUHA
固相含量高对井下安全的影响
TUHA
DRILLING
操作注意事项
注意 事项
样品通过马氏漏斗的筛网（12目）
1
以清除堵漏材料、较大的钻屑或岩 块。
若钻井液气泡较多，可加数滴消
2 泡剂。
3 操作时蒸馏器必须竖直。
4 注意保护加热棒和用电安全。 5 蒸馏时须留意时间，一般约20-
30分钟。
TUHA
DRILLING
实验数据计算
公式：V固=100%-（V油+V水）
V固——钻井液总固相含量，% V水——测得的钻井液中水的体积含量，% V油——测得的钻井液中油的体积含量，%
示例：通过蒸馏，量筒收集到的冷凝液的体积分数 如下图所示，V油=2%，V水=85%，求V固。
解：V固=100%-(2%+85%)=13% 答：该钻井液样品固相含量为13%。
V油=2% V水=85%
颗粒 大小
钻井液所含的细颗粒含量越高，对钻速影响越大。
固相含量的测定
TUHA
固相含量测定仪（ZNG-A型号）
DRILLING
冷凝器
液体接收器 样品杯杯盖
加热棒
蒸
套筒
馏
器
样品杯
TUHA
固相含量的测定程序
DRILLING
钻井液中固相含量的测定实验报告
中国石油大学（油田化学）实验报告实验日期：成绩：班级：学号：姓名：教师：同组者：实验四钻井液中固相含量的测定一．实验目的1．掌握固相含量测定仪的操作方法。
2．学会钻井液中固相含量的计算方法。
二．实验原理根据蒸馏原理，取一定量钻井液用电热器将其蒸干，收集并测出冷凝的体积，用减差法即可求出钻井液中固相含量。
也可通过称重方法算出其固相含量。
三．实验仪器ZNC型固相含量测定仪；电动搅拌器；台称；量筒。
四．实验步骤1．拆开蒸馏器，称出蒸馏杯重量：W杯（克）2．用注射器取10毫升均匀钻井液样，注入蒸馏水杯中，称重W杯+浆（克）。
3．将套筒及加热棒拧紧在蒸馏杯上，再将蒸馏器引流管插入冷凝器出口端。
4．将加热棒插头插入电线插头，通电加热蒸馏，并计时间。
通电约3~5分钟后冷凝液即可滴入量筒，连续蒸馏至不再有液体滴出为止，切断电源。
5．用环架套住蒸馏器上部，使其与冷凝分开，再用湿布冷却蒸馏器。
6．记下量筒中馏出液体体积毫升数，若馏出物为水与油且分层不清时可加入1~3滴破乳剂。
油、水体积分别以V油、V水表示。
7．取出加热棒，用刮刀刮净套筒内壁及加热棒上附者的固体，全部收集于蒸馏杯中，然后称重W杯+固（克）。
注意事项：1．操作时蒸馏器必须竖直。
2．蒸馏时间一般为20分钟，不应超过30分钟。
3．注意保护加热棒和用电安全。
4．若钻井液泡多，可加数滴消泡剂。
五．实验数据处理：设为淡水非加重钻井液：固相质量体积百分含量（W杯+浆－W杯）×10（克/100ml）固相体积百分含量 = 固相质量体积百分含量÷土（ml/100ml）注：粘土比重γ土=2.5。
六．实验数据计算原始数据记录表表1 泥浆中固相含量的测定泥浆的质量（W杯+浆－W杯）=115.25-105.04=10.21g干馏后固体的质量（W杯+固－W杯）=105.43-105.04=0.39g固相质量体积百分含量G=0.39*10=3.9（克/100ml）固相体积百分含量 V =固相重量体积百分含量÷γ土=3.9/2.5=1.56（ml/100ml）实验五钻井液中膨润土含量的测定一. 实验目的学会用亚甲基兰测定钻井液中膨润土含量的方法，并了解其测定原理。
钻井液概述—钻井液的组成和分类
任务一：
钻井液的组成和分类
课程名称：泥浆材料检测与应用
知识点 01 知识点 02 知识点 03
钻井液的定义和组成 分散体系的分01 钻井液的组成和分类
知识点 1 钻井液的定义和组成
钻井液,又称泥浆或钻井泥浆，是石 油钻井的“血液”。 在油气钻井过程中，以其多种功能满
足钻井工作需要的各种循环流体的总称。
一、钻井液的组成：
钻井液主要由液相、固相和化学处理剂组 成。液相可以是水（淡水、盐水）、油（原 油、柴油）或乳状液（混油乳状液和反相乳 状液）。固相包括有用固相（膨润土、加重 材料）和无用固相（岩屑）。
项目一：钻井液概述
任务 01 钻井液的组成和分类
知识点 2 分散体系的分类
胶； 互不相溶液体组成的液-液溶胶，例如牛奶、原油等乳状
液； 液体和气体组成的液-气溶胶，例如泡沫。
➢固溶胶 包括固-固溶胶，例如有色玻璃，不完全互溶的合金；固-
液溶胶，例如珍珠、某些宝石； 固-气溶胶，例如泡沫塑料、沸石分子筛。
➢气溶胶 气-固溶胶，例如烟、含尘的空气； 气-液溶胶，例如雾、云。
（3）盐水钻井液和饱和盐水钻井液
盐水钻井液是用盐水（或海水）配制而成的。 含盐量从1%（Cl-质量浓度为6000mg/L）直至饱和 （Cl-质量浓度为189000mg/L）之间均属此种类型。
特点：对黏土具有较强抑制性
饱和盐水钻井液是指钻井液中NaCl含量达到饱 和时的盐水钻井液体系。它可以用饱和盐水配成， 或可先配成钻井液再加盐至饱和。可作为完井液或 修井液。
（8）合成基钻井液
合成基钻井液是以人工合成的有机化合物作为 连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失 剂、流型改进剂的一类新型钻井液。有机物为无毒 并且能够生物降解的非水溶性有机物。
钻井液中的固相物质
钻井液中的固相物质
②根据油水体积和钻井液样品体积数据，计算 出钻井液中油、水和固相（包括可溶的和悬浮 的）的体积百分数。
③由于溶解盐类在钻井液样品蒸干后仍然存留 于蒸馏器中，因此，对于含可溶盐较多的钻井 液应该进行计算值校正（用滤液分析结果校 正），否则悬浮固相含量的计算将有较大的误 差。
校正时，可以根据滤液的氯离子分析结果，用 下表中盐的体积百分数来乘以钻井液中水相的 体积含量（严格的说，应乘以滤液体积含量）。
钻井液中的固相物质
低密度固相又可进一步分成两类，它们是惰性 固相和活性固相；所谓的惰性固相就是该固相 对其周围环境变化没有任何反应。钻井液中的 惰性固相包括砂子、石灰石、白云岩、某些页 岩和许多矿物的混合物。这类固相在钻井液中 是无用的，所以亦称无用固相。无用固相颗粒 的尺寸大于15um时循环设备有磨蚀作用，所以 又称为有害固相。钻井液中的活性固相是指粘 土颗粒或胶体颗粒。这些颗粒在水中的作用以 调节钻井液性能，所以亦称为有用固相。
钻井液中的固相物质
钻井液中的固相物质
亚 甲 基 蓝 （ C16H18N3SCl·3H2O ） 的 水 分 含量可能与分子式不符，故每次配制溶 液时必须烘干（在93±3℃下干燥1000克 亚甲基蓝至恒重）。配制1升溶液使用的 亚甲基蓝样品的重量可按下式计算：
钻井液中的固相物质
③按下式计算钻井液的阳离子交换容量：
钻井液中的固相物质
测定步骤
①量取一定体积（一般为20ml）的均匀钻井液 样品注入蒸馏器，加2～3滴消泡剂，同时缓慢 搅拌，除去可能混入样品中的空气。再拧紧加 热棒，装在冷凝器的进口端。置一干净的玻璃 量筒于冷凝器的出口端。加热蒸馏，直到量筒 内的液面不再增加时，再继续加热10分钟，在 冷凝液中滴加1～2滴润湿剂使油、水分离，记 录所收集的油、水的体积。
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。
不分散低固相聚合物钻井液
不分散低固相聚合物钻井液不分散低固相聚合物钻井液不分散低固相泥浆由淡水、膨润土和高聚物组成，聚合物可以是聚丙烯酰胺及其衍生物，如80A系列、SK 系列、PAC系列，也可以是两性离子聚合物如FA367等。
通过大量现场实践和深入研究，目前国内外钻井液界对不分散低固相钻井液的性能指标要求已经有了明确的认识，以下几项主要指标，基本上可以反映出这种钻井液的主要特性。
(1)固相含量(主要指低密度固体-膨润土和钻屑)，一般不超过5%(体积比)，大约相当于原浆密度小于1.06g/cm3。
这是不分散低固相的核心目标，是提高钻速的关键。
(2)岩屑膨润土含量之比(以亚甲蓝法测定数值为准)，即D/B值，不超过2：1。
虽然钻井液中的固相是越少越好，但是完全不要膨润土，则不能建立钻井液所必须的各种性能，特别是不能保证净化井眼所必需要的流变性能，以及保护井壁和减轻油层污染所必需的造壁性能。
因此，必须有一定量的膨润土。
其用量以保证建立上述各项钻井液所必需的性能为准，不能少于1%，1.3~1.5%比较合适。
钻屑的量当然最好为零，在钻井过程中要做到钻屑绝对不分散，全部被清除，实际上并不现实。
钻屑量不超过膨润土的2倍是实际上可以接受的范围。
(3)动切力(Pa)与塑性粘度(mPa.s)的比值为0.48。
这是为了满足低返速(如0.6m/s)带砂的要求。
保证钻井液在环空中实现平板型层流而规定的(4)对非加重钻井液来说，动切力应维持在1.5~3Pa。
动切力是钻井液携带岩屑的关键因素，为保证钻井液具有较强的携带能力，仅仅控制动塑比是不够的，首先必须满足动切力的要求才有意义。
(5)滤失控制应具体情况具体分析。
在稳定地层，应适当放宽，以利提高钻速。
在坍塌地层应当从严，进入油层后，为减轻污染应控制得尽量低些。
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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。
钻井液中的固相物质
在加重钻井液里，一般含低密度固相和高密度 固相。低密度固相中粘土对钻井液的性能，特 别是粘度有明显的影响，所以对加重钻井液来 说，就给定的钻井液密度，确定它的低密度固 相含量和高密度固相含量是很重要的。要确定 这两者的数值，首先应当精确的测定钻井液的 总固相含量。测定总固相含量之后，低密度固 相含量的确定仅是数学运算过程，其运算方法 可以用下图中的曲线，也可以用下面的公式进 行计算。
钻井液中的固相物质
低密度固相又可进一步分成两类，它们是惰性 固相和活性固相；所谓的惰性固相就是该固相 对其周围环境变化没有任何反应。钻井液中的 惰性固相包括砂子、石灰石、白云岩、某些页 岩和许多矿物的混合物。这类固相在钻井液中 是无用的，所以亦称无用固相。无用固相颗粒 的尺寸大于15um时循环设备有磨蚀作用，所以 又称为有害固相。钻井液中的活性固相是指粘 土颗粒或胶体颗粒。这些颗粒在水中的作用以 调节钻井液性能，所以亦称为有用固相。
钻井液中的固相物质
钻井液中的固相物质
曲线中表示的是岩屑经过机械降级以后 的尺寸分布规律。不断破碎变小，变小 的程度各不相同，有的从砂粒尺寸变到 泥和粘土尺寸，这个过程称为机械降级， 如下图所示。
钻井液中的固相物质
三、钻井液的固相含量及其测定
钻井液中所含固相物质的多少称为钻井 液的固相含量，一般用体积来表示。例 如，钻井液的固相含量是8％，也就是说 钻井液系统中固相物质的体积占整个钻 井液系统总体积的8％。
钻井液中的固相物质
测定步骤
①量取一定体积（一般为20ml）的均匀钻井液 样品注入蒸馏器，加2～3滴消泡剂，同时缓慢 搅拌，除去可能混入样品中的空气。再拧紧加 热棒，装在冷凝器的进口端。置一干净的玻璃 量筒于冷凝器的出口端。加热蒸馏，直到量筒 内的液面不再增加时，再继续加热10分钟，在 冷凝液中滴加1～2滴润湿剂使油、水分离，记 录所收集的油、水的体积。
钻井液中的固相物质
②根据油水体积和钻井液样品体积数据，计算 出钻井液中油、水和固相（包括可溶的和悬浮 的）的体积百分数。
③由于溶解盐类在钻井液样品蒸干后仍然存留 于蒸馏器中，因此，对于含可溶盐较多的钻井 液应该进行计算值校正（用滤液分析结果校 正），否则悬浮固相含量的计算将有较大的误 差。
校正时，可以根据滤液的氯离子分析结果，用 下表中盐的体积百分数来乘以钻井液中水相的 体积含量（严格的说，应乘以滤液体积含量）。
钻井液中的固相物质
一、钻井液中固相物质的分类
就固相物质的来源划分，有配浆粘土、岩屑、 加重物质和处理剂中的固相物质等。
就固相物质的密度而言，有低密度固相，密度 从2.4～3.0g/cm3；高密度固相，密度在 4.0g/cm3以上。完全由低密度固相物质配成的 钻井液，其密度可从1.02～1.34g/cm3。不同密 度的钻井液含有不同比例的低密度的高密度固 相物质。
钻井液中各种固相含量的数据（例如般 含、钻屑、重晶石的含量）是固相控制 的依据，因此，钻井液固相含量的测定 是十分重要的。
钻井液中的固相物质
1．油、水和固相含量的测定 蒸馏法是分析测定钻井液成分的有效方法，所
以这里要全面介绍蒸馏法的使用，而不只是固 相含量的测定。
蒸馏法的主要过程是将钻井液样品置于专门设 计的蒸馏器中，加热蒸发其中的液体，蒸汽通 过冷凝器回收于量筒中，从而测出液相的体积。 进而用减差法可以确定固相（包括悬浮的和可 溶的）的含量。
钻井液中的固相物质
四、钻井液密度的控制
钻井液的密度是钻井液的一个重要性能，而 钻井液的固相含量直接影响钻井液密度的大 小，所以在实际工作中常常以控制固相含量 的办法控制钻井液的密度。
对钻井液密度的要求应该基于地层压力控制 的需要，例如，联系沉积岩盆地的正常地层 压力梯度为0.107kg/cm2/m，使用的钻井液密 度应为1.102。用淡水配制1.102的钻井液，大 约有7％的低密度固相含量，配制1.2的钻井液， 大约有13.5％的低密度固相。以上结果是按下 式计算的：
钻井液中的固相物质
钻井液中的固相物质
钻井液中的固相物质
2.般土含量的测定——亚甲基蓝试验（MBT）
亚甲基蓝试验能够测出钻井液中的阳离子交换 容量——亚甲基蓝容量，也就是钻井液的般土 含量。
试验步骤如下： ①用不带针头的注射器量取1～2ml钻井液样品，
放入250ml的三角玻璃烧瓶中，加10ml水稀释， 为了除去钻井液样品中的CMC、CMS、FCLS、 聚合物等有机物质的干扰，加入15毫升3％的 H102mOi2n和（0不.5m要l稀蒸H干2S）O。4（然约后5用N）水，稀缓释慢至煮50沸ml。
钻井液中的固相物质
此外，粘土（页岩等）的离子交换容量 也可用亚甲基蓝法测定。把一定量的粘 土用高速搅拌器分散于水中，然后按上 述方法进行测定。测定时无需加双氧水。 粘土的阳离子交换容量，可以表示为每 100g土所需亚甲基蓝的毫克当量数。
前面用蒸馏法求出的粘土含量是低密度 固相（包括粘土和岩屑）的总含量，从 表中减去亚甲基蓝般土含量即可得出岩 屑的含量。
亚甲基蓝＝亚甲基蓝溶液毫升数/钻井液样品的 毫升数…（8）
④计算钻井液的般土含量。根据亚甲基蓝容量 的定义[见公式（8）]和亚甲基蓝溶液的浓度 （1毫升溶液含亚甲基蓝0.01mg当量）可知，1 毫升钻井液中的般土吸附（或吸收）了 “0.01×亚甲基蓝容量”毫克当量的亚甲基蓝。 又有实验得知，般土的阳离子交换容量为70毫 克当量（亚甲基蓝）/100克（土），则1毫升钻 井液中所含般土的克数为：
钻井液中的固相物质
钻井液中的固相物质
亚 甲 基 蓝 （ C16H18N3SCl·3H2O ） 的 水 分 含量可能与分子式不符，故每次配制溶 液时必须烘干（在93±3℃下干燥1000克 亚甲基蓝至恒重）。配制1升溶液使用的 亚甲基蓝样品的重量可按下式计算：交换容量：
钻井液中的固相物质
1升钻井液中就含般土1000/70×亚甲基蓝 容 量 。 即 钻 井 液 般 土 含 量 （ g/l ） ＝ 1000/70× 亚 甲 基 蓝 容 量 或 14.3× 亚 甲 基 蓝容量（g/l）。应注意，由于非般土类 粘土也能吸附亚甲基蓝，般土的分散度 越高吸附亚甲基蓝也越多，因此，用亚 甲基蓝试验测出的般含有相对性（故有 “亚甲基蓝般土含量”之称）。
钻井液中的固相物质
γm＝2.5X＋4.3（V－X）＋（1－V）……………（10）
式中：γm—钻井液密度； 2.5—低密度固相物质的密度； X—低密度固相含量（体积百分数）； 4.3—高密度固相物质的密度； V— 钻 井 液 中 总 固 相 含 量 （ 体 积百 分
数）。
钻井液中的固相物质
钻井液中的固相物质
钻井液中的固相物质
钻井液中的固相物质
⑤计算粘土和重晶石的重量百分数。设 钻井液固相仅由粘土和重晶石组成，粘 土和重晶石的密度分别为γ粘和γ重；固相 中粘土和重晶石的重量百分数含量分别 为G粘和G重则
G粘＋G重＝100 ………（3） 又因固相体积等于粘土体积与重晶石体
积之和，所以：