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。

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。

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，%。

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。

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。