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1、所谓所谓钻井液固相控制钻井液固相控制，就是指在保存适量有用固相的前，就是指在保存适量有用固相的前提下，尽可能地清除无用固相。通常将钻井液固相控制提下，尽可能地清除无用固相。通常将钻井液固相控制简称为固控简称为固控(SolidsControl)。DesirableSolids(有用固相有用固相)，如膨润土、加重材料以，如膨润土、加重材料以及非水溶性或油溶性的化学处理剂；及非水溶性或油溶性的化学处理剂；DesirableSolids(无用固相无用固相)，如钻屑、劣质土和砂粒，如钻屑、劣质土和砂粒等。等。1.SolidsinDrillingFluidsandParticleSizeDistribut
2、ion钻井液固相及粒度分布钻井液固相及粒度分布High-densitysolids（高密度固相）（高密度固相）:weightingmaterialshavehigherdensity(usually4.0g/cm3)Low-densitysolids（低密度固相）（低密度固相）:bentoniteanddrilledsolidshavelowerdensity(usually2.7g/cm3)Inertsolids（惰性固相）（惰性固相）:sand,silt,limestone,feldspar,andAPIbarite.Theydonothydrateorotherwisereactwith
3、othercomponentsofthemud.Activesolids（活性固相）（活性固相）:bentonite按固相粒度分类按固相粒度分类按照美国石油学会按照美国石油学会(APl)制订的标准，钻井液制订的标准，钻井液中的固相可按其粒度大小分为三大类：中的固相可按其粒度大小分为三大类：(1)粘土粘土(或称胶粒或称胶粒)：粒径：粒径74.钻井液中固相的粒度分布情况钻井液中固相的粒度分布情况类别类别外外观观描述描述粒径范围粒径范围对应对应目数目数质质量分数量分数/%砂砂粗粗中中中中细细2 000250-2 00074-25031060-10200-600.8-20.4-8.72.5-15.2泥
4、泥细细极极细细44-742-44355-20011-19.856-70粘土粘土胶粒胶粒25.5-6.5重晶石重晶石2-74Particlesizedistributionofabentoniteinfreshwater膨润土粒度分布膨润土粒度分布Particle size distribution of a bentonite in fresh water:very fine colloidal particles(2 )Particlesizedistributionofabarite 重晶石粒度分布重晶石粒度分布 按照我国国家标准和按照我国国家标准和API标准，标准，钻井液用重晶石粉的钻井
5、液用重晶石粉的200目筛筛目筛筛余量均小于余量均小于3，即要求至少有，即要求至少有97的重晶石颗粒的粒径在的重晶石颗粒的粒径在74以下。一般认为，绝大多数重晶以下。一般认为，绝大多数重晶石粉颗粒的粒度范围为石粉颗粒的粒度范围为2-74。(1)小于小于2的颗粒约占的颗粒约占8；(2)小于小于30的颗粒约占的颗粒约占76;(3)小于小于40的颗粒约占的颗粒约占83。ParticlesizedistributionofabariteCuttings岩屑 Vs=the cutting volume entering the mud,m3/h;=the average formation porosit
6、y,d=the bit diameter,m,and =the penetration rate of the bit,m/h.Particle size distribution of Cuttings岩屑粒度分布而钻屑的粒度处于而钻屑的粒度处于0.05-10000这样一个极宽的这样一个极宽的范围。在小于范围。在小于1的胶体的胶体颗粒和亚微米颗粒中，膨颗粒和亚微米颗粒中，膨润土所占的体积分数明显润土所占的体积分数明显超过钻屑，而在大于超过钻屑，而在大于5的较大颗粒中，则几乎全的较大颗粒中，则几乎全部是钻屑的颗粒。部是钻屑的颗粒。Particle size distribution of a
7、shale in a native mud 5.2 PurposesandSignificanceofSolidsControl（固相控制的目的和意义）（固相控制的目的和意义）Maintainadequatemudrheologicalandfiltrationproperties.Improvelubricityandreduceabrasivenessandfrictionofmudandmudcake.Reducedrillingtorqueanddrag.Reducefrequencyofdifferentialstickingandloggingtroubles.Reducesurg
8、eandswabpressure.Increasepenetrationrateandprolongbitfootageandlife.Reducewater,bariteandchemicaladditivesconsumption.Smoothcasingrunningandimprovecementingquality.Obtaingaugeholeandenhanceboreholestability.Reducewearofpumpandequipmentparts.Controlmudweightandmitigateformationdamage.Reducemuddrainag
9、eandhaul-off.5.3SolidControlMethods固控方法固控方法Screening:振动筛振动筛Forcedsettling：强制沉降（旋流器，离心机）：强制沉降（旋流器，离心机）Chemicalflocculation（化学絮凝）（化学絮凝）,andDilution（稀释）（稀释）.化学絮凝法化学絮凝法化学絮凝法是在钻井液中加入适量的化学絮凝法是在钻井液中加入适量的絮凝剂絮凝剂(如部分水解如部分水解聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺)，使某些细小的固体颗粒通过絮凝作用聚结，使某些细小的固体颗粒通过絮凝作用聚结成较大颗粒，然后用机械方法排除或在沉砂池中沉除。这成较大颗粒，然后用机械方法
10、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所要求的总固相含量保持在所要求的4以下。化学絮凝方法还可以下。化学絮凝方法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在5m左右，而离心机一般只能清除粒径左右，而离心机一般只能清除粒径6m以上的颗粒，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。因此用机械方法无法降低钻井液中膨润土的含量
11、。化学絮化学絮凝总是安排在钻井液通过所有固控设备之后进行。凝总是安排在钻井液通过所有固控设备之后进行。稀释法稀释法稀释法稀释法既可用清水或其它较稀的流体直接稀释循环系统中的钻既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。量降低。如果用机械方法清除有害固相仍达不到要求如果用机械方法清除有害固相仍达不到要求，便可用，便可用稀释的方法进一步降低固相含量。也有时是在机械固控稀释的
12、方法进一步降低固相含量。也有时是在机械固控设备缺设备缺乏或出现故障乏或出现故障的情况下不得不采用这种方法。稀释法虽然操作的情况下不得不采用这种方法。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，因而会使钻是加重钻井液还需补充大量的重晶石等加重材料，因而会使钻井液井液成本成本显著增加。为了尽可能降低成本，一般应遵循以下原显著增加。为了尽可能降低成本，一般应遵循以下原则：则：(1)稀释后的钻井液总体积不宜过大；稀释后的钻井液总体积不宜过大；(2)部分旧浆的排放应部分旧浆的排放应在
13、加水稀释前进行，不要边稀释边排放；在加水稀释前进行，不要边稀释边排放；(3)一次性多量稀释比一次性多量稀释比多次少量稀释的费用要少。多次少量稀释的费用要少。5.4EquipmentsforSolidsControl固控设备固控设备ScreenShakers(ShaleShakers)振振动筛动筛网孔尺寸mm金属丝直径mm筛分面积百分比相当于英制目数目每英寸2.000.5000.4506467101.600.5000.45058121.000.3150.2805861200.5600.2800.2504448300.4250.2240.2004346400.3000.2000.180363950
14、0.2500.1600.1403741600.2000.1250.1123841800.1600.110O.09038411000.1400.0900.071371200.1120.0560.05044481500.1100.0630.05638411600.0750.0500.0453639200表表8-1 石油石油钻钻井中通用的振井中通用的振动筛筛动筛筛网网规规格格用于钻井液固相控制的旋流器用于钻井液固相控制的旋流器(Hydrocyclone)是一种带有圆柱是一种带有圆柱部分的立式锥形容器，其结构如部分的立式锥形容器，其结构如图图8-4所示。锥体上部的圆柱部所示。锥体上部的圆柱部分为进浆室
15、，分为进浆室，其内径即旋流器的其内径即旋流器的规格尺寸，规格尺寸，侧部有一切向进浆口；侧部有一切向进浆口；顶部中心有一涡流导管，构成溢顶部中心有一涡流导管，构成溢流口。壳体下部呈圆锥形，锥角流口。壳体下部呈圆锥形，锥角为为15o20o。底部的开口称做底底部的开口称做底流口，其口径大小可调流口，其口径大小可调。Hydrocyclones（旋流器）（旋流器）用离心的方法将用离心的方法将重力加速度提高若干重力加速度提高若干倍倍，则颗粒的沉降速度就会增大若干，则颗粒的沉降速度就会增大若干倍，这正是使用旋流器和离心机控制倍，这正是使用旋流器和离心机控制固相的基本原理。通常将这类固控措固相的基本原理。通常
16、将这类固控措施称做强制沉降施称做强制沉降(ForcedSettling)旋流器的旋流器的平衡点平衡点如果旋流器的底流口尺寸调节适当，那么在给旋如果旋流器的底流口尺寸调节适当，那么在给旋流器输入纯液体时，液体将全部从溢流口排出；流器输入纯液体时，液体将全部从溢流口排出；而含有可分离固相的液体输入时，固体将会从底而含有可分离固相的液体输入时，固体将会从底流口排出，每个排出的固体颗粒表面都粘附着一流口排出，每个排出的固体颗粒表面都粘附着一层液膜。层液膜。此时的底流口大小称做该旋流器的平衡此时的底流口大小称做该旋流器的平衡点点。漩流器的类型漩流器的类型旋流器的分离能力与旋流器的尺寸有关，直径越小分离的
17、旋流器的分离能力与旋流器的尺寸有关，直径越小分离的颗粒也越小。下表列出了各种尺寸的旋流器可以分离的固颗粒也越小。下表列出了各种尺寸的旋流器可以分离的固相颗粒直径范围。相颗粒直径范围。旋流器直径旋流器直径mm 50 75 100 150 200 可分离的可分离的颗颗粒直径粒直径 410 730 1040 1552 3264分离点分离点(CutPoint)如果某一尺寸的颗粒在流经旋流器之后有如果某一尺寸的颗粒在流经旋流器之后有50从底流从底流被清除，其余被清除，其余50从溢流口排出后又回到钻井液循环从溢流口排出后又回到钻井液循环系统，那么该尺寸就称做这种旋流器的系统，那么该尺寸就称做这种旋流器的5
18、0分离点，分离点，简称分离点简称分离点(CutPoint)。显然，旋流器的分离点越低，。显然，旋流器的分离点越低，表明其分离固相的效果越好。下表列出了几种规格的表明其分离固相的效果越好。下表列出了几种规格的旋流器在正常情况下的分离点。旋流器在正常情况下的分离点。旋流器直径旋流器直径mm30015010075分离点分离点m6570303416181113(1)除砂器：除砂器：直径为直径为150300mm的旋流器称为除砂器。在输入压力为的旋流器称为除砂器。在输入压力为0.2MPa时，各种型号的除砂器处理钻井液的能力为时，各种型号的除砂器处理钻井液的能力为20120m3h。处于正常工作状态时，它能够
19、清除大约处于正常工作状态时，它能够清除大约95大于大于74的钻屑和大的钻屑和大约约50大于大于30的钻屑。为了提高使用效果，在选择其型号时，的钻屑。为了提高使用效果，在选择其型号时，对钻井液的许可处理量应该是钻井时最大排量的对钻井液的许可处理量应该是钻井时最大排量的1.25倍。倍。(2)除泥器除泥器:直径为直径为100150mm的旋流器称为除泥器。在输入压力为的旋流器称为除泥器。在输入压力为0.2MPa时，其处理能力不应低于时，其处理能力不应低于1015m3h。正常工作状态下。正常工作状态下的除泥器可清除约的除泥器可清除约95大于大于40的钻屑和约的钻屑和约50大于大于15的钻的钻屑屑。除泥器
20、的许可处理量，应为钻井时最大排量的。除泥器的许可处理量，应为钻井时最大排量的1.251.5倍。倍。(3)微型旋流器微型旋流器：直径为：直径为50mm的旋流器称为微型旋流器。在输入压力的旋流器称为微型旋流器。在输入压力为为0.2MPa时，其处理能力不应低于时，其处理能力不应低于5m3h。分离粒度范围为。分离粒度范围为725。主要用于处理某些非加重钻井液，以清除超细颗粒。主要用于处理某些非加重钻井液，以清除超细颗粒。泥浆清洁器泥浆清洁器(Mud Cleaner)泥浆清洁器泥浆清洁器(MudCleaner)是一组旋流器和一台细是一组旋流器和一台细目振动筛的组合。上部为旋流器，下部为细目振动目振动筛的
21、组合。上部为旋流器，下部为细目振动筛。泥浆清洁器处理钻井液的过程分为两步：第一筛。泥浆清洁器处理钻井液的过程分为两步：第一步是旋流器将钻井液分离成低密度的溢流和高密度步是旋流器将钻井液分离成低密度的溢流和高密度的底流，其中溢流返回钻井液循环系统，底流落在的底流，其中溢流返回钻井液循环系统，底流落在细目振动筛上；第二步是细目振动筛将高密度的底细目振动筛上；第二步是细目振动筛将高密度的底流再分离成两部分，一部分是重晶石和和其它小于流再分离成两部分，一部分是重晶石和和其它小于网孔的颗粒透过筛网，另一部分是大于网孔的颗粒网孔的颗粒透过筛网，另一部分是大于网孔的颗粒从筛网上被排出。所选筛网一般在从筛网上
22、被排出。所选筛网一般在100325目之间，目之间，通常多使用通常多使用150目。目。泥浆清洁器主要用于从加重钻井液中除去比重晶石泥浆清洁器主要用于从加重钻井液中除去比重晶石粒径大的钻屑。加重钻井液在经过振动筛的一级处粒径大的钻屑。加重钻井液在经过振动筛的一级处理之后，仍含有不少低密度固体的颗粒。这时如果理之后，仍含有不少低密度固体的颗粒。这时如果再单独使用旋流器进行处理，重晶石会大量地流失。再单独使用旋流器进行处理，重晶石会大量地流失。使用泥浆清洁器的优点就在于：既降低了低密度固使用泥浆清洁器的优点就在于：既降低了低密度固体的含量，又避免了大量重晶石的损失。体的含量，又避免了大量重晶石的损失。
23、Centrifuges（离心机）（离心机）离心机可用于处理加重钻井液离心机可用于处理加重钻井液以回收重晶石和清除细小的钻以回收重晶石和清除细小的钻屑颗粒。屑颗粒。具体做法是，钻井液用离心机具体做法是，钻井液用离心机处理后，将底流的固相颗粒回处理后，将底流的固相颗粒回收，而将溢流的流体收，而将溢流的流体(主要包含主要包含低密度固体低密度固体)丢弃。丢弃。5.5ARRANGEMENTSOFSOLIDSCONTROLEQUIPMENTSYSTEM Converting factors 1atm=9.80665*104Pa1kg/cm2=9.80665*104Pa1psi(lb/in2)=6.8948
24、*103Pa1atm=1kg/cm2=14.2psi1lb=0.453592kg1kgf=9.80665N1dyn=10-5N1lbf=4.44822N1ft=30.48cm1in=2.54cm1bbl=1.59*105cm31Gal(英英)4.546092L1Gal(美美)3.78543L1D(达西达西)=0.987*10m-121lbf=4.44822N1P（泊）（泊）=0.1Pa.s1=（-32）Summary1.SolidsinDrillingFluidsandParticleSizeDistribution2.PurposesandSignificanceofSolidsControl3.SolidControlMethods4.EquipmentsforSolidsControl5.ARRANGEMENTSOFSOLIDSCONTROLEQUIPMENTSYSTEM