4.3_钻井液循环系统

井号 井深（米） 固控状况 钻速（米/小时） 泥浆成本（元/米）
89号 3902 很差 1.04 86．6
94号 3836 良好
1.91
63.9
全井累计（万元） 33.8 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。
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；配置钻井液所需
的膨润土和处理剂。
表7-3列出了部分固控设备的处理能力和处理的 粒度范围。
典型的机械固相控制系统。
4.3.3 振动筛
钻井作业中利用 振动的筛网回收 钻井液中的液相， 并且以是否能通 过筛网为标准， 将大小不等的固 相颗粒分成两组 或两组以上的机 械设备，称为钻 井振动筛，简称 振动筛。
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。
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。
4.3.5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的固相
1）、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。
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。
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。
自然沉降法： 井内返出的钻井液在地面循环过程
中，因地面钻井液液池体积大，流速低，钻井液中 的岩屑颗粒在重力作用下沉降到底部而被分离，上 部的钻井液再入井循环使用。
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。
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。
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、泥浆配置设备等。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。
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
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。
激振器与筛架的相对位置以及激振器转动的方向 决定着振动的轨迹形状。
如果把激振器安装在筛架的重心位置，则振动轨
迹呈圆周形状，如图7-18a所示。此刻，钻屑在筛 架上运动的方向和速度取决于激振器的转动方向、 振动频率和振幅。
分散于钻井液中的固体颗粒称为钻井液中的固 相。钻井液中的固相：
一是来源于被破碎岩石产生的钻屑； 二是为钻井工艺要求而人为加入的。 按固相在钻井液中所起的作用可分为有用固相和 有害固相两类。 钻屑是有害固相的主要来源，而且存在于钻井过
程的始终，带来很多危害。因此必须消除有害固相。
泥浆中有害固相的危害 1、堵塞油气通道，损害油气层：
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
粒度级别 一、粗粒 二、中粗粒 三、中粗 四、细粒 五、超细粒 六、胶体
直径（μm） >20000
泥浆清洁器由旋流器和振动
筛组合而成，上部是4－5英寸 的水力旋流器，下部是150～ 200目的振动筛。
泥浆自井口中返出，经双层振动筛(上层40目，
如果把激振器安装在筛架重心的上方位置，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。
呈直线运动的振动筛，如图7-18c所示。
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。
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。
五十年代以前，主要是用振动筛来清除钻井液中 的固相。
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。
排砂口，固相从中排出。
水力旋流器的结构图7-20所示。
水力旋流器与一般分离机械不同，它没有运动 件，利用泥浆中固、液相各颗粒所受的离心力大小 进行分离。
根据动力学，切向进入并有一定压力的泥浆，在 旋流器内腔旋转时所产生的离心力为：
C＝mvt2／r
式中M为固、液相颗粒的质量，vt为切向速度，r为旋 转半径。
4.3.4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，—般在泥浆振动筛之后装有水力旋流器，用以清
除较小颗粒的固相。
水力旋流器分为 除砂器和除泥器种， 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
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
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。
颗粒。
但是对深井和超深井，由于井下油气压力高，地
层情况复杂，常使用加重泥浆，即在泥浆中添加重晶 石粉和化学药剂等。此时，若仍用上述设备组成净化 系统，就会使大量重晶石粉或贵重液相白白地流失。 因此，对于水基或油基加重泥浆，应采用振动筛泥浆 清洁器离心机组成净化系统，即钻深井或超深井时， 泥浆清洁器是净化系统中的必备装置。
不同的钻井流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。
钻屑污染是指在循环过程中，钻屑在机械及化学 作用下，分散成大小不等的颗粒而混入钻井液中， 使钻井液性能变坏，给钻井工程及油、气层带来 危害。
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。
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)气体(氮气或天然气)。
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；
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
2号井
6号井
固控方式
土池
固控系统
材 钻头（只） 9
6
料 拉杆（根） 20
7
消 耗
缸套（只）
7
4
活塞（只） 60
25
凡尔（套） 40
20
5、增加钻井成本：相邻两井比较
4.3钻井液净化设备 4.3.1 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。
250－2000 74－250 44－74 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，随地层的岩性钻头中类型和钻井 参数的不同，钻井液中的固相含量及粒度级配也 不一样。
4.3.2 固相控制方法
因此，质量较大的 固相颗粒受到较大的离 心力，足以克服泥浆的 摩擦阻力，被抛到旋流 器的内壁上，并靠重力 作用向下旋流，由排砂 口排出，而质量小的固 相颗粒及轻质泥浆则螺
旋上升，经溢流管输出。
水力旋Βιβλιοθήκη Baidu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。
化学沉降法：就是在钻井液中加入少量化学沉淀 剂使分散的微小岩屑一接触这些化学剂就产生絮凝 作用形成较大的颗粒，而迅速沉降。
机械清除法：利用机械设备强制清除有害固相， 改变固相级配。
级别 一 二 三 四 五
机械清除设备配置
设备 振动筛 除砂器 除泥器 清洁器 离心机
处理能力（μm） >250 32－80 10－52 10－60 2－7