钻井液固控系统院士讲座

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和活性固体的膨胀，抑制地层的造浆。

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。

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。

试论泥浆固控系统的使用陈福洪程灭资(河南南阳市油田机械制造有限公司，河南南阳413132)廛恿抖遮瞒要]固控设备(又称泥浆净化设备)的作用，则是清除泥浆中的固相含量，维持泥浆优良性的保证．而优良的泥浆性能是预防钻井井下事故、防止伤害、保护产层、提高钻速、降循威．本的前提。

为此，固控系统使用性能等方面的优劣，将直接影响钻机的施工质量。

[关键词]泥浆；固控；系统在钻井过程中。

钻井液(又称泥浆)的作用是清洗井底、带出岩屑，冷却钻头、钻具。

1固控系统的工作原理及流程1．1固控系统的工作原理在钻井施工中，钻头在高压泥浆的辅助冲刷中不断钻进，岩屑被返出的泥浆带到地面以上。

此时的泥浆中含有大量的较大颗粒岩石，无法重复利用。

为了节约钻井成本，就要将此时泥浆中含有的固体按照其颗粒的大小，逐一地去除，并对净化后的泥浆成份再次配比，使其最终达到可以重复利用的性能．固控系统就是将此过程实现的装备。

该系统通过各部的联合使用，使从井口返出的带有钻屑的泥浆经过逐级净化、配药、加重等程序，使达到重复利用的性能。

泥浆净化流程：从井口返出的带有大量钻屑的泥浆经过井口返流管线依次经过振动筛、除气器、除砂器、除泥器、中速离心机、高速离心机的处理，对泥浆进行逐级净化，可以较好的去除其中的有害固相，达到泥浆再循环利用的程度。

此时泥浆泵可以直接吸人泥浆，打入高压管汇，进入井口，为钻机进行正常的钻井施工提供保证。

剪切配药流程：若泥浆成份需要再次配比。

则剪切泵从配药仓吸入泥浆，对从配药漏斗加入的药品进行反复剪切混合，再将混合后的药品注入配药仓，需要使用的时候，可以将剪切混合后的药品可以打入总泥浆管线，或任意泥浆仓，再经泥桨泵直接打人高压管汇进井口。

加重流程：若需要增加泥浆的比重，则加重砂泵从加重仓吸入泥浆，将从加重漏斗加入的重晶石等配入泥浆中，并将加重后的泥浆送至加重仓，或是其他的泥浆储备仓中，再由泥桨泵打人高压管汇进井口。

泥浆泵上水流程：各种型号钻机泥浆固控系统中泥浆泵的上水管线贯穿除沉砂仓、除气仓之外的各个泥浆仓，在每个仓内，布置一套罐底阀，此阀可在罐面操作其开关，使泥浆泵根据施工的实际情况，可以从任意一个仓吸人泥浆。

设备管理与维修2021翼3（上）钻井液固相控制系统发展历程及发展趋势展望王臣1，明向东2，代炳晓2，彭爱红1，周小刚1，李乐佳1（1.渤海石油装备制造有限公司石油机械厂，河北沧州062552；2.渤海钻探工程有限公司第五钻井工程分公司，河北沧州062552）摘要：分析固控系统的发展现状、存在的问题，并展望其发展趋势。

目前，固控系统的标准化模块化设计是提高产品互换性、兼容性和扩展性的基础，简化方法是构建振动筛、除气器和变频离心机组成的三级固控系统。

现场试验表明，该系统可以为深井钻机及复杂井提供配套模块，成本低，安装方便，适用性广，安全环保，满足现场固控处理和钻井工艺的要求。

关键词：固控系统；超细目振动筛；高速变频离心机；自动控制；节能环保；标准化模块化中图分类号：TE928文献标识码：B DOI ：10.16621/ki.issn1001-0599.2021.03.680引言随着石油钻井工艺技术的不断更新，环保要求的日益严峻，对钻井液固相控制（以下简称“固控”）系统的要求也越来越高。

常规的固控系统配有振动筛、除气器、除砂器、除泥器、离心机等五级净化设备，固控系统对钻井液进行循环、处理以及净化，调整钻井液的密度、黏度等参数满足工艺要求。

高质量的固控系统在钻井工程中起着重要作用。

在近30年来，固控系统不断改进与完善，对提高钻井液处理效果，减少维护保养工作量，保证钻井液性能，减少井下事故、提高钻速、减少成本效果显著。

因此，完善的钻井液固相控制系统是科学钻井的重要标志。

在不降低或少降低其固控系统性能的基础上，简化设备、降低能耗、提高可靠性已成为国内外固控专家们关心的问题。

1发展现状通过多年的研究和经验累积，固控系统得到了较快的发展，各种配置较为全面、设计越来越人性化、性能稳定。

固控系统配套有防爆电路、砂泵、搅拌器、泥浆枪、剪切泵、加重漏斗、安全设施等多种辅助设备和设施，总重量达到45~300t ，总电力消耗己接近300~800kW 。

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。

58高密度钻井液稳定性和流变性控制技术鲁小庆 高　峰 苏　敏 张丽宁 西部钻探钻井液分公司【摘　要】高密度尤其是超高密度高温钻井液存在稳定性和流变性难以控制的技术难题。

为能够最好地改善高密度水基钻井液固相含量大、固相颗粒的分散程度相对高、钻井液体系中自由水量少和积累不易处理的问题，使用控制坂土含量、保持钻井液的强抑制性等处理工艺技术，使得高密度钻井液具有很好的流变性特点。

【关键词】高密度钻井液；悬浮稳定性；流变性；机理研究一、高密度钻井液稳定性与流变性调控技术思路1.高密度钻井液中，其颗粒的相互作用与环境介质性质、颗粒表面性质及润湿性有着密切关系，另外还与颗粒表面覆盖的吸附层的成分、覆盖率、吸附强度、厚度等有关。

因此, 要提高加重剂在钻井液中的悬浮能力，一方面要求钻井液具有合适的动切力和静切力以提高势能；另一方面要求加重剂在钻井液中具有很好的分散性。

2.高密度钻井液流变性调控技术思路悬浮理论认为, 影响悬浮液黏度的重要因素是悬浮液中固体颗粒的体积分数。

而固相之间以及固相与液相之间的物理、化学作用可以造成悬浮液中固相容积分率增大。

根据悬浮液黏度理论可知, 悬浮液的黏度与能量消散的速度有关, 单位体积悬浮液中非有效流动相体积分数越大, 能量消散的速度就越慢, 悬浮液的黏度就越大。

我们根据推导出的计算钻井液悬浮体系的总黏度公式：η=ηs+ηG=f (φs+φδ+φE+φc) +ηG (ηs为单位体积悬浮黏度;ηG为悬浮液结构黏度;φs为固相体积分率;φδ为溶剂化层体积分率;φE为束缚水体积分率;φc为沉积液体积分率)由以上公式可以管窥出高密度水基钻井液流变性调控的思路应是一通过降低膨润土的含量来减小φs、φδ、φE、φc和ηG;二是减少总固相含量以减小φs、φδ、φE、φc和ηG; 三是重晶石粒度级配来减小φc;四是使用高效处理剂以减少处理剂的种类和加量以减小φδ。

二、控制高密度钻井液稳定性与流变性的技术应用1.控制膨润土的用量来控制其流变性根据黏度计算公式, 减小φs、φδ、φE、φc和ηG值可以减少总黏度, 而减少膨润土的用量就是减少这些数值的主要方式。

方兴未艾的井下控制工程学——访中国工程院院士、中国石油集团工程技术研究院苏义脑教授作者：王大锐来源：《石油知识》 2018年第6期问：井下控制工程学的产生背景与发展过程答：井下控制工程学这一概念是我于1988年开始形成并在1993年前后正式提出的，至今也只有短短的20多年时间，其研究的主要对象是油气井井下控制问题。

它首先是从解决油气钻井的井眼轨道控制成功率和精度问题发端，而后发展迅速，逐步成为油气钻完井中的一个新领域。

最近十多年来在其他井下专业方面也获得了日益广泛的应用。

钻直井技术一直在持续发展，重点在于“复杂地质结构”条件下的深井和超深直井。

与20世纪初相比，油气钻井的地面装备、井下工具、钻井液等方面都发生了显著的变化，而且从无到有建立了井眼轨道的测量、控制和油气层保护、完井等技术环节，使钻井工程形成了现代化的工程技术学科。

钻井技术的每一次重大进步都是其他学科和新技术引入并结合的结果。

考虑到钻井轨道控制与飞行器的姿态和轨道控制方面的共性，以及工程控制论在导弹制导中的成功应用，促使我产生了把工程控制论和飞行器制导技术引入油气钻井工程、从而另辟蹊径以发展井眼轨道控制理论与技术的想法。

在经过一段时间的类比、分析和较深入的研究工作之后，1988年我提出“井眼轨道制导控制理论与技术”这一新的研究方向，寄希望于“井下闭环控制”和“用手段解决问题”。

在此基础上，考虑到油气井井下各种工艺过程中有关控制问题的共性，于1993年正式提出“井下控制工程学”这一新概念和学科框架。

问：井下控制工程学的主要研究内容答：作为一个新的学科分支，井下控制工程学由以下四个基本部分组成：一是理论基础，主要是研究井下系统动力学与控制信号分析理论及方法；二是技术基础，针对井下控制机构与系统设计学、井下参数采集与传输技术进行攻关；三是产品开发，这一新的学科分支的应用目标是研制和开发不同井下作业过程所需要的各种控制工具和控制系统，以解决实际生产问题；四是实验室建设和实验方法，相应的实验室是井下控制工程学的依托和基础。

钻井液固控系统优化配置分析发布时间：2022-10-31T05:48:40.291Z 来源：《中国建设信息化》2022年第12期第6月作者：岳建灵[导读] 钻井液固控系统是石油勘探工作中使用最为广泛的设备，但钻井液固控系统配套在实际应用中存在一定的岳建灵广东南油服务股份有限公司天津分公司摘要：钻井液固控系统是石油勘探工作中使用最为广泛的设备，但钻井液固控系统配套在实际应用中存在一定的问题。

想要有效提高钻井工程的施工质量，提高经济效益、社会效益，就要在钻井工程开展过程中，加强对材料使用、技术创新、管理环节等方面的重视，确保上述内容做到科学合理、应用得当。

关键词：钻井液固控系统；配套现状；改进措施；流程优化在钻井过程中，如果钻井液性能优良不仅可以提高钻井效率，还能够有效降低钻井成本，并且预防井下事故。

钻井液固控系统是保证钻井液性能的关键，随着石油勘探工业的不断发展，钻井深度也在逐渐提高、钻井工作环境日益复杂，在这种情况下，需要进一步提高钻井液固控系统性能，以此保证钻井液性能稳定。

1钻井液固控系统配套的发展现状钻井液固控系统是钻井工程中的核心技术，直接关系到钻井液的性能，经过上述分析对钻井液固控系统配套的设备和工艺流程有了简单的了解，在此基础上进一步分析钻井液固控系统配套的发展现状，主要存在为下几个方面的问题：第一，钻井材料消耗问题较为严重，存在一些不正常的消耗情况。

在钻井液固控系统施工过程中可能会用到更多的机械和大量的材料，这是一个非常复杂的流程，对材料的消耗非常多，在实际使用过程中，存在着一些不正常现象。

比如：材料资源的浪费现象、材料利用不够充足，导致经济损失增加，不仅如此，钻井液配对密度不够标准，造成钻井液和人力资源被浪费。

第二，钻井液固控系统控制流程不合理，其中存在一些误差问题。

由上可知，钻井液固控系统一共分为五个流程，分别为：五级净化流程、加重泵加重流程、泥浆枪流程、泥浆泵吸入流程、水流程。