钻井液中的固相物质

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）。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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％。
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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。
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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）。
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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。
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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。
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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：
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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。
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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：
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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：
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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）。
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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）。
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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：