第十三章 固相控制

第十三章 固相控制 钻井液中的固相，按其作用可分成两类：一类是“有用固相”，如膨润土、化学处理剂、加重剂等；另一类是“有害固相”，主要是钻井过程中进入钻井液中的钻屑。有害固相的过度积累和增加将会对钻井液性能乃至钻井工程的安全、快速带来极大危害。固相控制是钻井工程中的一个很重要的环节。钻井液中有害固相的及时清除对于钻井工程来讲非常重要，他严重影响到机械钻速的提高；特别是含砂量的升高对于泥浆泵配件及钻头的损害是相当严重的；而且有害固相的不断积累会严重影响到钻井液性能的稳定，使其流变性难以控制、钻井液密度升高滤失量变大、泥饼变厚，增加钻井液的处理难度，成本增加，甚至会造成井下阻卡。因此，泥浆中固相含量的高低，也是检验泥浆优劣的一项标准。合理的使用好固控设备，也是钻井液正常维护的重要工作之一。 本章主要讨论和叙述机械方法的固相控制。

一、固相分析 钻屑的混入情况，随所钻地层特性的变化而变化。从密度上来分可分为“高密度的固相”和“低密度固相”。其中高密度固相多半是惰性物质，如石灰岩、花岗岩或重晶石等。这类固相与钻井液中的液相基本不起反应，仅增加钻井液的密度。难于清除的是低密度（1.6～2.6g／cm3）的固相，如膨润土类（大多数是钙膨润土）、页岩或粘泥类。这类土质会在钻井液的液相中水化分散，再加上机械破碎，愈变愈细，表面积无限增大。 根据API（美国石油学会）的规定，将钻屑按粒度的大小分成了三类： 1．粘土（或胶体）类 粒度小于2微米 2．泥渣类 粒度为2～74微米 3．砂类（API砂） 粒度大于74微米 注：API砂：即“含砂量”一词的分界尺寸。在钻井液性能中所谓“含砂量”一词的含意就是指 其合大于74微米颗粒的数量值。 通过多次的分析、检测，不论是在硬地层或软地层钻进时，通常的水基钻井液中固相粒度大多如下表的分布状态。

从上表中可看出，钻井液中固相颗粒的粒度分布，过大的（大于2000微米）和特小的（小于2微米）颗粒都不多。由于含砂量的概念是以74微米为界，则大于74微米的颗粒仅占3.7～25.9％。也就是说即使是用200目的振动筛也只能筛除整个固相含量的1／4，其余都是小于74微米的颗粒。因此，仅以含砂量百分数的多少来检验钻井液中的固相含量的多少，显然已是很不够的了。也正是这些小于74微米颗粒的固相存留在钻井液中给钻井液性能和钻井工程带来了严重的危害。从下图可以形象地看出，这些占3/4数量的细颗粒用泥浆筛来筛除时，几乎是不可能的。

筛目放大图 二、稀释法 尽管目前固控设备已发展到比较完善，但是实际钻井中还常常不得不依靠稀释（冲稀）来维持钻井液的性能。所谓稀释是指向钻井液体系中加水或较稀的流体，包括胶液或低粘、低固相钻井液。稀释公式如下：

三、替换法 换法是指用一部分“好浆”替换一部分“坏浆”。替换法一般来说比稀释法经济。替换法公式如下：

式中：Vd是排放的钻井液量m3，也等于加入的稀释液量以保持循环总量不变。其余代号含义与上式相同。

四、固控设备简介 为了能尽可能地清除钻井液中的所有“有害固相”，目前已广泛应用振动筛、除砂器、除泥器、清洁器、除气器、离心机等固控设备。国外在多年研究的基础上，近年来已在海上成功地使用了“综合自控钻井液系统”。 1、振动筛 振动筛使用的好坏直接影响下一级固控设备的效果。泵排量、筛网面积、固相浓度、钻井液粘度等因素影响振动筛网的选择以及分离的效果。应尽可能选择使用细的筛网。性能先进的振动筛使用的最小筛网可达325目至460目。一般原则是以钻井液覆盖筛网面积的70～80％为合适。除特殊情形外（如加入堵漏材料），不允许返出钻井液旁通振动筛循环。 筛网的目数是指从钢丝的中心算起在纵向或横向上每一英寸内的孔眼数。API对筛网的标记方法是：纵向和横向上的目数，纵向和横向上的开孔大小（微米）以及开孔面积的百分数。 例如 API 80 X 80（178 X 178，32．4）这样的标记表示：筛网是正方形80 X 80目，纵、横两方向上的开孔大小为178μm、开孔面积为32．4％。 钻井常见的筛网标记和代号解释如下： S 正方形目数筛网 B 长方型目数筛网 BLS 双层筛网 BXL 高强度筛网 注：以上代号的后面通常跟一个数字，代表筛网的目数。如S－80，即是“正方形80目筛” 。BXL－200即是“200目筛”。而B是代表长方形筛网，其数目是纵横两方向目数的和，如B－120代表80X40筛目。 SWG 三联筛网，不可修复 PWP 可修复的，底板支撑的平面筛网 SCG 特殊高强度筛网 PMD 金字塔型筛网 DX 特细筛网 HP 长方形孔高容量筛网 LMP 用于线性筛的穿孔底架筛网 2、沉砂罐 沉砂罐或沉砂池为重力分离设备。罐底一般为45°斜坡以便排放和节省钻井液。钻井液中的颗粒沉降速率遵循斯托克斯（Stokeˊs）定律：

3、离心式分离装置 离心式分离装置包括水力旋流器（除砂器、除泥器、清洁器）和离心机。从斯托克斯定律中可看出，颗粒在液体中的沉降速度与重力加速度成正比，与固体颗粒直径成正比，而与液体粘度成反比。离心机分离装置通过提高定律中的重力加速度，从而提高固相颗粒的沉降速度。在固控设备的术语中，常常提到“G”值，它的物理意义是表示机器产生的离心加速度相当于重力加速度的倍数。如G=6，表示固体颗粒在机器上受到的力是自身重量的6倍。衡量振动筛的高频与否实际也是叙述它产生的G值的大小。离心式分离装置是目前钻井现场固控系统的重要组成部分，它们将钻井液固相分离成“粗重”和“轻细”两部分，可根据需要废弃其中一部分而回收另一部分。

（l）除砂器和除泥器。 这是一种内部没有运动部件的圆锥筒形装置。钻井液由上部的切线口进入，在一定的流速条件下，这一切向力使钻井液在简内呈螺旋运动，像旋风一样，使大颗粒下沉，由底部排出，轻液由上部溢流口返回池中。一般把直径为152.4～304.8mm（6～12英寸）的旋流器叫“除砂器”，把50.8～152.4m。（2～6英寸）的叫“除泥器”。为了满足钻井排量要求，把每4个、6个、8个、12个一齐组装起来，它们的处理量应该是循环排量的125～150％。 旋流器的除固相能力以“分离点”表示，又叫“中分点”，或“分离效率百分数”。其定义是指旋流器的分离效率为50％的固相颗粒的大小（以当量直径表示）。也就是该直径的颗粒有50％从底流排出，而仍有50％保留在液体中。 一般情况下，旋流器的分离能力与旋流器的直径有关。直径愈大其分离的颗粒也越大。反之直径愈小，其分离出的固相颗粒也愈小。如152.4～304.8mm（6～12英寸）的旋流器称为“除砂器”分离点约为40微米，把50.8～152.4mm（2～6英寸）的旋流器叫做“除泥器”，分离点约为15微米，均根据其分离能力而得名。有一种微型旋流器，其直径只有50mm（2英寸），分离效率达到7～5微米。 除砂器通常用于非加重钻井液（也有专家建议在1.30～1.44g／cm3（SG）的加重钻井液中使用，因为重晶石大部分颗粒在“泥”的范围，在此密度范围内不会造成大量的重晶石损失）。在正常工作状态下，其底流密度应比进口钻井液密度高0.3～0.6g／cm3。还有一种判定方法，即如果进口钻井液的含砂量为6%左右，经除砂器处理后其溢流的含砂量应为微量（<0.5％）。 除泥器用于非加重钻井液。正常工作时，其底流的密度应比进口钻井液密度高0.3～0.42g／cm3，且溢流的密度应比进口钻井液密度稍低。 除砂器和除泥器的操作要点。 ①伞状排泄和串状排泄的对比 要达到最好的固相清除，水力旋流器的底流口应呈伞状流，且伴有空气从底流口吸入。伞状流损耗的钻井液与排出固体颗粒的表面积成正比。其清除的效率高而对内壁和底流口的磨损轻。而串状流表明钻井液和固相颗粒在抵达底流口之前就失去了相对运动，底流口无空气吸入，分离效率低，器壁和底流口磨损大，到达底流口较细的颗粒不从底流口而从溢流口排出。串状排泄时底流的密度比伞状底流的密度高。但不能以其密度来衡量旋流器清除固体的效率。应从单位时间内清除固体的重量来评价。 ②旋流设备在一定的水压头下工作，而不是在一定的压力下工作。一般要求有23～27m（75～90f t）的压头。工作压力量是水压头乘上钻井液密度。因此，钻井液密度越高，工作压力应越大。对于27m的水压头，压力（MPa）=0.27×钻井液密度。在通常情况下，离心泵要保持0.24～0.31MPa（35～45ps i）的压力。过大的压力会加速磨损且影响分离点。 ③底流口有时会堵塞，可通过调节底流口或加以疏通。连续性的堵塞可能是前一级的固控装置工作不好，导致固相含量过大。可事先调大底流口及提高前一级固控装置的效率。

（2）清洁器 清洁器由除泥器与细网振动筛组成，筛网一般在140～200目（网孔104～74微米）之间，目的是回收部分通过旋流器排出的液体。 一般不建议清洁器用于非加重钻井液。若在非加重钻井液中使用清洁器，则可关掉振动筛而让旋流器的底流全部排掉。 （3）离心机 是利用重力加速度原理而研制成功的另一种结构的清除细颗粒固相的设备，与旋流器结构最主要不同之点在于旋流器是利用高速度液流来产生离心力使固相分离，而离心机是利用外壳旋转来产生离心力，分离固相颗粒。通称第三级固控。该装置是一筒形离心机。它由一高速旋转的转筒和安装在筒内能将较粗颗粒排出，把较细的颗粒留在液体中的一螺旋输送器组成。见下图。 其大概流程是将欲处理的钻井液经空心轴内的管子进入进料室，从进料口进入分离室后，钻井液被抛向转鼓内壁，形成液圈并加速到与转鼓相近似的速度，使固、液相分离。重的和粗的颗粒会进一步甩向转鼓内壁并沉降进入沉降区，再通过输送器的刮板将沉降的颗粒推向脱水区而从底流口排出。由于钻井液在离心机内有一个滞留的时间（约30～50秒），颗粒受到离心挤压和过滤，因此排出的钻屑比较干，只带少量的吸附水。 离心机的规格以鼓的长度和最大直径表示：有18×24英寸、14×22英寸、14×20英寸（直径×长度）等规格。离心机的转鼓以1500～3500转／分（r／min）旋转。螺旋输送器一般以1∶80的速差和转鼓同向旋转。一般可清除2～3微米的固相颗粒。 在现场组合应用时，一般是根据离心机的处理量大小、离心力“G”的大小、分离点的大小、转速等分成了三种类型： ①重晶石回收离心机：这类离心机的转数在1800r／min左右，“G”值在700左右。低密度固相分离点在6～10微米，高密度固相分离点在4～10微米。这种离心机主要是将重晶石粉回收至钻井液体系中，而将一些低固相颗粒排除掉。其处理量一般为38～151升／分（1／min）[10～40加仑／分（gal／min）]。 ②大容量离心机：主要用来排除低密度的固相，转数为1900～2200r／min，“G”值为800左右，分离点约为5～7微米（在未加重钻井液中），处理量为378～7561／min（100～200gal／min）。 ③高速离心机：用做双离心机组合使用时的第二台离心机。主要用来清除未加重钻井液中的低密度含量。这类离心机的规格是：转速2500～3300r／min，“G”值在1200～2100，分离点在2～5微米，处理量为151～4531／min（40～120gal／min）。