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。

采取前一种运动方式的连续操作设备有沉降槽、澄清器、螺旋卸料沉降式离心机以及水力旋流器。

采取后一种运动方式的设备主要是连续过滤器以及转鼓上开孔的篮式离心机，前一种设备在油田现场应用最为普遍。

2、十字流过滤原理
滤浆垂直于过滤介质的表面流动，固体被介质截留，逐渐形成滤饼。

随着过滤的吃醋进行和滤饼岑层的增厚，过滤速度明显减少，直至滤液停止流出。

在过滤相对粘稠及含有较大颗粒的流体时，过滤介质的孔隙会很快发生堵塞，怎后的滤饼逐渐密实，最终导致过滤速度急剧降低。

在对此类滤浆惊醒滤饼过滤时，必须使用絮凝剂或助滤剂。

总之，需要对滤饼的增厚进行限制。

3旋流分离原理
旋流分离过程本质上是非均混合物中，颗粒现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。

四、钻井液固相控制方法
1 常用的钻井液固相控制方法钻井液固控有各种不同的方法。

首先应考虑的是机械方法，即通过合理使用振动筛、除砂器、除泥器、清洁器和离心机等机械设备，利用筛分和强制沉陷原理，将钻井液中的固相按密度和颗粒大小分离开，并根据需要决定取舍，达到控制固相的目的。

与其它方法相比，这种方法处理时间短，效果好，成本较低。

这类处理方法的主要不足是占用场地较大，处理量一般不超过15m3 /h，不能适应大量废浆的即时处理。

除机械方法外，常用的固控方法还有稀释法，沉降法和化学絮凝法。

稀释法即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，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的这种方法。

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，因而使钻井液成本大大提高。

为了尽可能降低成本，一般遵循以下原则：（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低。

沉降法是指向钻井液循环至地面时，通过一个面积较大的池子，是较大的故乡颗粒沉降下来的方法。

在上部地层钻井时，常用此法控制固相含量。

化学絮凝法是在钻井液中加入适量的絮凝剂（如部分水解聚丙烯配剂），使某些细小的固体颗粒通过絮凝作用聚集成较大颗粒，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要求的4%以下。

化学絮凝方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5μm左右，而离心机一般只能清除粒径6μm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。

2化学絮凝法常用的絮凝剂
2.1 无机盐
现场使用的无机盐类抑制剂有Ca2+、K+等。

Ca2+是通过离子交换，压缩双电层，降低ζ位使水化膜变薄，将粘土晶胞层面水化分开的距离大大缩短，钠土在淡水中能达到120埃，在Ca2+作用下至多只能达到15埃，水化分散能力大大降低。

K+的直径与粘土晶层间相对应的两个六角环的间距一致，K+正好能嵌入其中，嵌入后能阻止水分子的进入，起到抑制分散的作用。

2.2 聚合物
有一类高分子聚合物对泥浆内的粘土颗粒起保护作用，对劣质粘土和岩屑起絮凝聚沉作用，被称为选择性絮凝剂。

絮凝剂能使多个颗粒物质产生桥联作用而发生絮凝，从而增大团块直径，便于清除。

现场常用的絮凝剂有PHP、PAM、80A51等。

包被剂能将粘土颗粒包裹起来，一方面增加颗粒的直径，另一方面防止钻屑分散变细。

现场常用的包被剂有FA367等。

由于聚合物的分子链长，在较大的剪切力作用下易断裂，聚合物的作用会降低。

因而使用水力旋流器或离心机时，往往会造成聚合物的减效，离心机还能去除一些分子量大的聚合物，造成浪费。

在现场使用时，一定要注意这个问题，尽量减少浪费。

2.3 正电胶
正电胶是20 世纪90 年代初出现的一种高效抑制剂，有良好的流变性能，它一出现就受到了人们的青睐，现场使用取得了良好效果。

正电胶是一种超细微单分散的多羟基混合金属氢氧化物溶胶，颗粒大约介于15~30nm之间。

当粘土颗粒进入正电胶钻井液后，经过表面瞬时水化，即与正电胶发生吸附交换作用，生成由具有较低负ζ电位的“正电胶复合体”（简称复合体）组成的表面凝胶层。

由于复合体内电荷密度较高，使复合体内高度水化，“束缚水”固化成“晶体水”，贮存于表面凝胶层的孔隙结构中，阻止或延缓水分子向粘土矿内层渗透水化。

这个表面凝胶层虽被水化，但并不分散，具有一定的粘弹性，就像一层具有一定强度的弹性膜包裹在颗粒表面，避免了粘土矿物的快速剪切水化分散。

从现场施工情况看，正电胶对粘土的抑制性优于无机盐类和聚合物类处理剂，且不受水力剪切作用影响，是一种较理想的处理剂，值得开发和利用。

五、各种机械控制方法对钻井液性能的影响
钻井液固相控制系统通常有除砂设备、除气器、钻井液搅拌器、钻井液罐、钻井液配置等。

固控设备的最佳工作状态取决于整个钻井液体系，无论是分散钻井液还是不分散钻井液、絮凝不絮凝、水基或油基、清水或盐水、、、、、其所要求的基本原则都一样，即控制清除粒度范围和体积百分比。

设计合理的钻井液固相控制系统，最终目的是吧钻屑除掉，使钻机钻速高、卡钻少、固井优、成本低等。