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钻井液固相控制技术及设备钻井液固相控制技术及设备 第一章钻井液中的固相及其影响第一章钻井液中的固相及其影响 第一节概论第一节概论 钻井液是钻井过程中使用的循环流体，它是液体固体和化学处理剂的 混合物。 钻井液中的固体颗粒分为有害固相和有用固相，岩屑是钻井中的最主 要的有害固相。 有害固相在钻井过程中将影响钻井液的物理性能，使钻井液的密度、 粘度、动切力、失水、泥饼、研磨性、粘滞性、流动阻力增加，其结果导 致损害油气层，降低钻速，增加钻盘扭矩，起下钻遇阻，粘附卡钻，井漏 井喷等井下复杂情况，对钻井液循环系统造成磨损。 第二节钻井液的作用与组成第二节钻井液的作用与组成 一、 作用 1、清洗井底 2、携带岩屑 3、冷却和润滑钻头及钻柱 4、形成泥饼保护井壁 5、控制与平衡地层压力 6、悬浮钻屑和加重剂沉砂 7、提供地层资料保护油气储层防止伤害 8 作为动力液传递水功率。 二、 钻井液组成 1、水－淡水、盐水、咸水和饱和盐水 2、膨润土－钠膨润土，钙膨润土 3、化学处理剂－无机类、有机类、表面活性剂类、高分子聚合物类 4、油－轻质油或厚油类 5、加重剂－重晶石类、赤铁矿 6、气－空气、天然气， 三、 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流体减少和活性固体的膨胀活性固体的膨胀，抑制地层的抑制地层的 造浆造浆。 第三节固相颗粒粒度的影响第三节固相颗粒粒度的影响 （固相颗粒粒度通常指颗粒的大小尺寸） 一、固相颗粒粒度对钻速的宏观影响 宏观上钻井液中不同性质的固相颗粒对钻速影响不同，小于 1 微 米的胶体要比粗颗粒的影响更严重， 在固相量大于 6时， 分散性钻井 液细颗粒与不分散钻井液细颗粒固相对钻速的影响几乎一样，当固相 含量低于 6时， 不分散钻井液比分散钻井液的钻速要高， 固相含量越 低，钻速差别越大，这是因为固相含量低于 6时，分散性钻井液中的 胶体颗粒所占的百分比越大。 二、 固体颗粒粒度的微观影响 任何水基钻井液中的颗粒，其表面都吸附水分子，自由液体受到 约束。 钻井液中的钻屑在钻井循环中不断破裂，其表面积不断增加，因 而增加了吸附的水分子。 2 1 3 4 5 6 7 65 70 75 80 85 90 95 不分散钻井液 分散钻井液 a a a a a a 立方体边长a 立方体表面积S6* a 立方体边长被分成b段后 小立方体个数 n 小立方体边长 a/n 小立方体表面积 6 * * a/n 小立方体表面积和 S n*6* a/n n*6*a n*6*a n*Sn*S 一个小颗粒被立体型分裂后，颗粒变为多少倍，表面积就增加多少倍。 同体积的物质，破碎后表面积会成倍增加，因而吸附水分子的数量也 成倍增加，因此钻屑不能及时被清除，继续循环而不断破碎，从而增加钻 井液的塑性粘度和动切力，同样增加了固控设备净化的难度。 比如，一杯水中加入几粒麦粒，对水的流动状态和粘度将不会有大的 变化，如果将其磨成粉后加入水中，其粘度将提高许多倍，这两种情况下， 钻井液中固含量一样的，而后一种塑性粘度格外高。 API 泥浆材料标准化分范围如下 颗粒分类术语 颗粒尺寸（μm） 胶体（颗粒） 〈2 超细 2--44 细 44---74 中偏细 74--250 中偏粗 250--2000 粗 200010000 1mm 颗粒 1μm 颗粒后 ，表面积增加 1000 倍 第四节、 化学添加剂对固体颗粒的影响第四节、 化学添加剂对固体颗粒的影响 能够降低颗粒膨胀或分散倾向的化学处理剂，防止单位体积的固相表 面积增加。因而，这类处理剂可用固相控制剂，化学处理剂某种方式改变 固体的状态，起到稀释剂，絮凝剂包被剂和某些提粘剂的功用。 聚合物的浓度和链长使得聚合物有三种功用 1、 稀释剂 2、絮凝剂 3、包被剂 稀释剂-----聚合物分子链较短带负电荷的聚合物和粘土的正边缘结 合，使粘土都成负电子引起其之间相互排斥，它们就不聚团这就是聚分物 起到了稀释剂。 絮凝剂-----中等长度的分子链不但结合了带电粘土的边缘还靠自身将 其联结，使颗粒变大，使其易于清除。 包被剂-----特别长的分子链，而且浓度很高，能把粘土包裹起来，使 得页岩地层钻屑按厚被包裹。 第二章钻井液固相控制的原理第二章钻井液固相控制的原理 2、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 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 除泥器 除砂器 高架槽 振动筛 岩屑 一般体系用于轻质泥浆 离心机 除泥器 除砂器 高架槽 振动筛 岩屑 高速离心机 复杂井体系用于轻质泥浆 离心机 除泥器 除砂器 高架槽 振动筛 岩屑 高速离心机 复杂井体系用于加重泥浆 设备部分 第一章钻井液振动筛第一章钻井液振动筛 第一节概述第一节概述 钻井液振动筛是固控设备的龙头龙头设备，振动筛使的效果不但直接后几级 固控设备的工作效能，而且影响钻井工程井下的工况 第二节组成第二节组成 1） 底座 2）筛箱 3）激振器 4）后仓 5）防溅系统 6）升降调角机构 7） 防爆电控系统 1）底座、2）筛箱、3）激振器、4）后仓、5）防溅系统、 6）升降调角机构 、7）防爆电控系统 第三节第三节 工作原理工作原理 振动筛筛床上安装的激振器产生激振力，使筛床产生振动，筛床通过其上 安装的筛网将力作用于通过的泥浆，使泥浆中的钻屑固相与液相分离，小 于筛孔的钻固相随液相落入罐里，大于筛孔的钻屑固相及被吸附的泥浆残 液被运移出筛床至罐外池泥浆中。 第四节第四节 分类分类 1、底座上分单筛 、双联筛、多联筛 单筛 双联筛 多联筛 2、筛床上分单层、双层、单级、多级 单层筛 双层筛 单级筛 多级筛 3、激振上分机械传动式，振动电机 4、振动轨迹上分平衡类，非平衡类 第五节振动轨迹的形成及特点第五节振动轨迹的形成及特点 圆筛－质心和振动旋转轴心重合 轴心、质心 非平衡椭圆筛---振动轴心位于质心上方 直线筛---双轴连线的重直平分线过合体质心 合体质心 轴心 轴心 轴心 合体质心 平衡椭圆筛---力的复合叠加形成 第二章除砂、除泥清除器第二章除砂、除泥清除器 第一节概述第一节概述 除砂器、除泥器统称为水力旋流器清除器是指与除砂器除泥器相配的 高目数振动筛用于回收重晶石清除大于其的岩屑，其工作对象是中细颗粒 固相。 第二节组成及分类第二节组成及分类 其组成如图 合体质心 轴心 轴心 现场使用一般分为 12” 、10”、 5”、 4” 12” 、10”分离粒度 4474μm 除砂器 5” 、4”分离粒度 2044μm 除泥器 第三节工作原理第三节工作原理 1 由于离心力的作用，2 大颗粒先到达筒壁，Fmrω 3 旋流形成中空负压，4 空气压力携带中部细小颗粒进入中心溢流管 5 较大颗粒随着离心力减小到消失下移到底流口排出。完成分离。 三种现象1、平衡流孔 2、干底 底流孔太小 3、湿底 底流孔太大 第四节第四节 旋流设备分类旋流设备分类 1、除砂器、除砂器 进浆管 溢流管 圆柱蜗壳 底流管 锥体 2、除泥器、除泥器 3、除砂除泥一体机、除砂除泥一体机 第五章离心机第五章离心机 第一节概述第一节概述 离心机是第四级固控设备它主要是要清除钻井液的超细固相和胶体 固相这主要指在非加重泥浆中； 在加重泥浆中离心机主要用于回收重晶石， 清除固相中的胶体固相起到保密降粘的作用。 第二节分类及组成分类 1 分类 中速大排量 30-50m/h 高速小排量 20m/h 2 组成 转鼓、内螺旋输料器、差速器、主电机、液力偶合器、付电机、电控 （防爆）系统、底座、护罩、喂料泵 第四节工作原理 离心机的工作原理采用了离心沉降的固液分离原理， 实现的过程如下， 钻井液由喂料泵通过进料管输入进入螺旋推进器的空心轴进入转鼓内，由 于转鼓高速旋转带动进入的钻井液一起旋转，钻井液中固相按密度不同梯 度向转壁位移，螺旋输送器与转鼓的相对运动使其推动壁上固相移向小端 的卸料孔，途中经过锥转鼓进行了干燥，而后被推至底流口排出，清质的 泥浆经内螺旋道送到转鼓的大端溢流口排出，从而实现固液分离。 第四章除气器第四章除气器 第一节概述第一节概述 钻井过程中，地层中有各种气体溶入泥浆中，在深井中由于液柱压力 使得气体体积没有太大的变化，对泥浆的参数没有太大的影响，但随着泥 浆向上循环运移，液柱压力减小使得气体体积急剧增大，使得泥浆的密度 迅速变小，从而整个液柱压强变小，对地层压力失衡，尤其是直径小于 0、 8mm 的气泡无法克服泥浆的张力束缚逃逸，泥浆体系一旦被气侵污染，砂 泵、泥浆泵无法正常工作，严重的后果将导致井涌、井喷，失控后后果更 不堪设想，因此前期的除气至关重要 第二节分类及组成 1、 分类 离心式、真空式、离心真空式 内泵式、外泵射流式 2、 组成 工作主体、吸入管、排除管、真空泵、外排主泵，气液分离器， 工作视窗、真空表、调压阀、进气阀。 第五节第五节 离心式砂泵离心式砂泵 一、 用途 一、 用途 HCP86X14、HCP8611离心泵是用来给除砂器、除泥器、混料器、泥浆 泵灌注提供具有一定排量和压力的设备。HCP65X14、HCP65X11、HCP5 4X14离心泵一般用于车装钻机配套。HCP43X13离心泵主要用来给计量 罐配套，一般也称计量泵或补给泵。HCP32X13离心泵是用来给水罐和水 冷却系统配套，又称清水泵。功率要合理配置。 砂泵组成轴承座、泵轴、轴承、轴承压盖、密封总承、耐磨套、耐磨盘、 叶轮、蜗壳 第五节第五节 离心式砂泵离心式砂泵 二、 用途 二、 用途 HSP6X5剪切泵是一种新型钻井液处理设备，其特殊的叶轮结构，能够产生 很高的剪切效率, 可以有效混合、高效、充分水化钻井液中所添加聚合物 材料，为钻井过程提供良好的泥浆性能，满足钻井工程的需要。 功率要合理配置，37KW、45KW、55KW。 砂泵组成轴承座、泵轴、轴承、轴承压盖、密封总承、耐磨套、耐磨盘、 剪切叶轮总成、蜗壳。 第五节第五节 搅拌器搅拌器 一、 用途 一、 用途 钻井液搅拌器是钻井液固控系统的重要组成部分。钻井液搅拌器安装在循 环罐上，搅拌器叶轮深入液面下一定深度，搅动钻井液使之均匀旋动，防 止泥浆混合液沉砂。 二、 组成二、 组成 底座、减速机、电机、联轴器总成、护罩、传动杆、叶轮 第五节第五节 混浆装置混浆装置 一、用途 一、用途 旋流混浆器是用于将钻井液处理剂与原钻井液均匀混合的设备。它具有混 合效果好、加料速度快、不易堵塞等特点，但混浆后的出口压降很大，不 能爬坡。 射流混浆器具有混合效果加料速度一般、加料过大易堵塞，但混浆后的 出口压大，能爬坡，尤其与剪切泵配套效果好。 二、旋流混浆器 二、旋流混浆器 1、、 旋流混浆器 旋流混浆器 加料台面漏斗、碟阀、旋流上体总成、、旋流下体总成 2 原理原理 三、射流流混浆器 1、组成 三、射流流混浆器 1、组成 加料台面漏斗、碟阀、射流总成、、旋流下体总成 2、原理、原理 第五节、液气分离器 第五节、液气分离器 一、用途 一、用途 钻井液液-气分离器是气侵钻井液初级脱气的专用设备。 该液-气分离器 具有结构简单实用，运输、安装方便，维护简便，流程合理有效，处理量 大，除气效率高等优点。