钻井液的固相及其含量的控制

钻井液的固相及其含量的控制

舒儒宏

(渤海钻探钻井技术服务公司泥浆公司)

摘要钻井液的固相含量是指单位体积钻井液中固相物质的质量。钻井液的固相控制，就是使用一切可以利用的手段，最经济地、最大限度的清除在钻井液中的钻屑，目的是维护钻井液性能，减少钻井事故，提高钻速，降低成本。认识钻井液的固相类型、掌握它在钻井液中作用及对它的要求、控制方法等，对今后的工作意义重大。

关键词类型作用要求方法

钻井液中的固相，包括人为加入的粘土和加重材料以及钻屑。前两者是钻井液的主要成分，使钻井液具有所需要的性能，后者属于有害成分，使钻井液的性能变坏，如果钻井液中的钻屑过多，将会引起一系列问题。例如：钻井液密度升高，粘切增大，泥饼变厚，会加剧设备的磨损，会影响固井质量，影响测井，损害油气层；也可能引起卡钻，、井漏等井下复杂情况；还会使钻速降低，钻井液维护处理费用增加和钻井总成本增加等。可见，搞好钻井液固相含量的控制，维持有用的固相含量，清除钻屑，对于保证钻井工艺的顺利进行，对于提高钻速和降低成本都是至关重要的。如果将钻井液中的有害固相控制在适当的范围，可以有以下几方面的好处：降低钻井的扭矩和摩阻；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；可以改善下套管的条件；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；降低钻井液和钻井成本等11方面。

一、钻井液中固相的类型

1、按照作用可分为

(1)有用固相：例如粘土和加重材料以及非水溶性或油溶性的化学处理剂。

(2)有害固相：例如钻屑、劣质土和砂粒等。

2、按照尺寸大小

(1)砂：不能通过200目筛网，即大于74微米的固体。

(2)淤泥：即2--74微米的固体。

(3)粘土：即小于2微米的固体。

3、按照固体的密度可分为

(1)低密度固体，即密度小于2.7的固体，如粘土和钻屑。

(2)高密度固体，即密度大于4.2的固体，也就是平时说的加重剂。

4、按照反应活性可分为

(1)活性固体，即容易与水发生反应的或相互之间易发生反应的固体。例如粘土等，活性固体不仅要影响密度、粘切等钻井液性能，还会影响钻井液的PH值、矿化度等滤液性能。

(2)惰性固体，即不易与其它矿物质发生反应的固体。例如重晶石和石灰石、砂岩等。惰性固体对钻井液的密度和造壁性影响较大，而对钻井液的滤液性能基本无影响。

二、钻井液中固相的作用

1、对钻井液性能的影响

(1)影响钻井液的密度：经验公式F s=0.625(ρm-1)，其中F s固相含量的体积分数；而ρm表示钻井液密度。从上面可以看出，对于未加重钻井液，钻屑含量每增加0.625%，钻井液密度将增加0.01。

(2)影响造壁性：随着钻井液固相含量的增加，在相同的失水量下，对应的泥饼增厚。

(3)影响流变性：

①影响途径

a、增加颗粒之间，颗粒与液相之间的摩擦；

b、固体表面吸收水分，使钻井液中自由水减少；

c、形成空间网架结构。

所以，随着固相含量的增加，钻井液的粘度，切力上升，其影响程度的大小主要取决于固体含量、颗粒尺寸和固相的表面活性。

②影响的因素

a、固相含量：随着固相含量的增加，钻井液的流动阻力增加，粘切升高。

b、颗粒尺寸：在固相含量相同的情况下，颗粒尺寸越小，则固体颗粒的数目越多，所产生的摩擦力越大，因而钻井液的粘切就越高。

c、固体的活性：惰性固体只产生纯摩擦，，所以对塑性粘度影响较大，而对其它影响较小。然而活性固体不仅产生摩擦，而且与液相之间还要相互作用，，所以它不但会影响塑性粘度，而且还要影响其它钻井液性能。

(4)影响滤液性能：由于活性固体表面要发生水解、电离、离子交换等作用，就会使钻井液的PH值、电解质浓度等发生变化。

2、对钻井工艺的影响

(1)影响钻速，由于固相含量增加时易产生“压持效应”，造成重复破碎，从而机械钻速下降。

(2)引起井下复杂情况，由于固相含量增加，摩阻增大、密度增大、泥饼变厚、粘切升高等，就容易造成压差卡钻，还易造成压力激动和抽吸压力，进而引起井漏或井喷。

(3)其它：由于固相含量增加，容易造成下套管、电测等困难，更易堵塞油气通道，损害油气层。

3、影响经济效益

大家知道，只要井下出现事故复杂，相应的就要增加钻井成本，从而影响经济效益。三、钻井液固相含量的要求

钻井液中的固相含量，主要包括膨润土、加重剂和钻屑。

1、膨润土含量的要求

钻井液的膨润土含量，主要取决于钻井液的流变性、造壁性和悬浮能力的要求。如果膨润土含量太低，不能使钻井液具有一定的粘度、切力，而且不易形成泥饼，因而不能满足携岩、悬浮加重材料和稳定井壁的要求；如果膨润土含量过高，则会导致泥饼过厚、粘度、切力过大，容易引起井下复杂情况。所以，膨润土含量不能过高，也不能过低，优质膨润土的最佳含量应在

0.5-3.5%之间。下面介绍下影响钻井液膨润土含量的因素：

(1)膨润土的质量

膨润土的造浆率越高，需要越少。

(2)钻井液的密度

当钻井液的密度高时，总固相含量大，钻井液的粘切高、为保证井下安全，膨润土含量应低点，只要有足够悬浮加重材料的膨润土含量即可；当密度低时，应保持适当高点的膨润土含量。

(3)钻井液的矿化度

钻井液的矿化度高时，膨润土容易聚结，不易水化造浆，此时膨润土含量应适当高点；当矿化度低时，膨润土含量应适当低点。

(4)钻井液的使用温度：

由于高温有助于膨润土的水化分散。因此，在深井高温条件下使用的钻井液，膨润土含量应低点，而在浅井低温条件下应高点。

2、加重剂含量的要求

加入加重材料，主要为了满足井下对钻井液密度的要求，所以，加重材料的含量是由所需钻井液密度确定的。

3、钻屑含量的要求

钻屑被认为是有害固相，过多会影响钻井液性能。因此，钻井液中钻屑应越少越好，但考虑到现场实际工艺，钻屑不可能被彻底清除，同时，作为低固相钻井液，如果含有少量钻屑作架桥离子，对钻井液的造壁性是有利的，所以，现场允许钻井液含有少量钻屑，但其含量不能超过膨润土含量的两倍。

四、控制钻井液固相含量的方法

1、地面沉降法：就是当钻井液循环到地面时，加入包被剂，使钻屑在地面循环罐中被絮凝和沉淀的方法。此方法一般只用于无固相钻井液体系。

2、稀释法：就是在钻井液中加入固相很低或无固相的液体的方法。此方法又可分为纯冲稀和部分替换两种方法。

3、机械分离法：就是利用固控设备，将钻屑从钻井液中分离出来的方法。现场中多是用此方法，所以，使用好固控设备就显得尤其重要，它关系到一口井的成败。

4、化学控制法：就是加入絮凝剂使钻井液中的固相颗粒聚集变大而有利于用地面沉降法或机械分离法除去固相的方法。此方法可除去5微米以下的固相颗粒，而单纯的地面沉降法和机械分