㈠ 泥漿固相含量控制與清除
泥漿中的固相可分為有用固相和無用固相,膨潤土、加重材料及非水溶性或油溶性化學處理劑都屬於有用固相,而鑽屑、劣質黏土和砂粒等則屬於無用固相。無用固相過多將破壞泥漿性能,給鑽進帶來隱患。泥漿固相控制就是在保存適量有用固相的前提下盡可能清除無用固相,是實現優化鑽進的重要手段之一。有效控制固相含量可降低鑽進扭矩和摩阻,減小環空抽吸壓力波動,減少壓差卡鑽的可能性,提高鑽速,延長鑽頭壽命,改善下套管條件,增強孔壁穩定性,降低泥漿成本。常用化學絮凝沉澱和機械清除兩種方法來控制泥漿固相。
(一)化學絮凝沉澱法
在泥漿中加入化學絮凝劑,使固相絮凝膠結沉澱而去除固相。化學絮凝劑有全絮凝和選擇性絮凝兩種,前者是將泥漿中有用和無用固相統統絮凝掉,如未水解的PAM和明礬等都屬於全絮凝劑。後者是保留泥漿中有用固相,絮凝掉岩粉等無用固相,一般水解度30%的選擇絮凝劑PHP效果最佳。對金剛石地質岩心鑽探而言,由於岩粉顆粒細,絮凝物呈絮狀團塊,密度小,沉降時間長,部分絮凝塊可能又被送入孔內循環,難以完全達到清除固相的效果。所以選擇性絮凝需要地表較完善的沉澱系統,輔助人工及時撈取才能提高清除固相的效果。
(二)機械清除法
機械清除泥漿固相主要設備有振動篩,旋流除砂(泥)器和離心機。根據分離顆粒的尺寸,旋流分離器又可分為除砂器、除泥器和超級旋流器三種,機械清除泥漿固相的使用范圍如圖5-11所示。
圖5-11 泥漿固相機械分離設備的使用范圍
注:圖中10μm、25μm、40μm、74μm為清除固相粒徑范圍
固相控制處理過程是:泥漿在沉澱池初步沉澱後,送入水力旋流除砂器清除大部分粗顆粒岩屑(主要由全面鑽進、擴孔鑽進和井壁坍塌產生),再經離心機分離出較細的岩粉,達到二級凈化的目的。經旋流除砂器和離心機處理後的泥漿繼續循環使用。泥漿循環及固控系統布置如圖5-12所示。安徽省地礦局313地質隊施工2000m以深的鑽孔均採用該泥漿循環及固控系統。
圖5-12 泥漿循環及固控系統示意圖
1—孔內返回泥漿;2—旋流器;3—200目振動篩;4—離心機;5—廢棄物;6—進入孔內泥漿;7—沉澱池;8—泥漿池;9—補充新漿、處理劑等
泥漿固相清除控制方法及設備的選擇與配置應根據鑽探現場情況、孔深、孔徑、鑽進方法合理組合,不要盲目布置過多的固相系統造成浪費。小口徑金剛石鑽探因用泥漿量較少,應盡量選擇體積小、功率小的固控設備。
㈡ 怎樣降低鑽井液的固相含量
利用固控設備，主要是：振動篩、除砂器、除泥器、離心機，用這幾個足以應對固相控制了；循環罐里砂子的沉澱，循環槽砂子的及時清理等。
㈢ 固相控制
8.3.1 固控設備（圖8.12至圖8.14；表8.1）
圖8.12 F-1600HL 泥漿泵
圖8.13 美國DERRICK公司固控系統（振動篩、除砂器、除泥器）
圖8.14 離心機
表8.1 FL-1600泥漿泵的技術參數
8.3.2 固相含量控制設計
（1）鑽井液振動篩GNZS系列鑽井液振動篩是用於鑽井泥漿凈化系統一級固控設備，該振動篩吸取國內外同類產品的設計經驗和先進技術，採用進口的激振電機。該鑽井液振動篩可以根據需求實際改造成雙聯或三聯。同時該設備也可作為泥漿清潔器的底流振動篩用。該鑽井液振動篩具有振動強度高、篩分面積大、篩箱角度可調、結構緊湊、性能卓越、性價比高等優點。如圖8.15所示。
圖8.15 鑽井液振動篩
該鑽井液振動篩參數如表8.2所示。
表8.2 鑽井液振動篩技術參數
GNZS系列直線振動篩廣泛應用於石油鑽井、冶金、建材、化工、耐火、水泥、陶瓷、糧食、食品等各行各業中，用於對各種物料不同程度的分級作業。它可用於流水線作業中，實現自動化。
GNZS系列直線振動篩與其他類型的振動篩相比具有以下特點：
1）體積小，重量輕，結構簡單，安裝方便，維修容易。
2）雜訊小，耗能少，效率高，造價低。
3）篩分精度高，無粉塵污染，有利於環境保護。
4）可更換多種振動篩篩網，使用壽命長。
（2）鑽井液除砂器
ZQJ系列旋流除泥器是處理鑽井液的二、三級固控設備，根據旋流器直徑的大小不同，分為除砂器和除泥器。一般6in以下的旋流器組合稱為除泥器，是鑽井作業中的三級固控設備，常用的是5in和4in旋流器，主要用於分離鑽井液中粒度為15～47μm的固相顆粒。根據要求的處理量大小，選擇幾組旋流器組合成除泥器。冠能固控的旋流除泥器廣泛應用於石油鑽井，水平定向鑽井的旋流除泥分離。如圖8.16所示。
該旋流除砂器參數如表8.3所示。
鑽井液除砂器由進液管、排砂錐斗和排砂口構成，排砂錐斗內，設有旋轉構件，旋轉構件的筒壁開有分離窗，旋轉構件的上部筒壁、一組錐形槽和進液管構成鑽井液上升構件，除砂器的葉片布置在旋轉構件的內底，排砂調節器控制排砂量。鑽井液由進液管進入旋轉構件，經葉片離心旋轉，液體上升到分離窗處時砂粒與鑽井液分離，砂粒經分離窗排到排砂錐斗內，分離後的鑽井液進入到上升構件，鑽井液由錐形槽的排液口進入鑽井液槽內。排砂錐斗內的砂粒，經排砂調節器控制的排砂口排出。
圖8.16 旋流除砂器
表8.3 旋流除砂器技術參數
（3）鑽井液除泥器
旋流除泥器是處理鑽井液的二、三級固控設備，根據旋流器直徑的大小不同，分為除砂器和除泥器。一般6in以下的旋流器組合稱為除泥器，是鑽井作業中的三級固控設備，常用的是5in和4in旋流器，主要用於分離鑽井液中粒度為15～47μm的固相顆粒。根據客戶要求處理量的大小，選擇幾組旋流器組合成除泥器。冠能固控的旋流除泥器廣泛應用於石油鑽井，水平定向鑽井的旋流除泥分離。如圖8.17所示。
該旋流除泥器參數表8.4所示。
鑽井液除泥器，分離能力高，分離粒度范圍廣；旋流器底流口呈帶壓傘狀「濕底」排砂使分離區內的顆粒能迅速排出，減少了底流口堵塞的概率；先進的小型兩篩網泥漿振動篩處理量大，雜訊小，篩網壽命長；對稱的進液機構使旋流分配合理、工作穩定。
（4）鑽井液離心機
LW系列鑽井液卧式螺旋卸料沉降離心機（Decanting Centrifuge）是針對石油鑽井液的特點，設計的固液分離專用設備，可在全速運轉下完成進料、離心沉降、卸料等各道工序，主要用於回收重晶石，清除細小固體，降低鑽井液的固體含量，控制鑽井液的密度、黏度，保證鑽井液的性能以及對快速鑽井均有重要作用。鑽井液卧式螺旋卸料沉降離心機是利用離心沉降原理對鑽井懸浮液進行分離，懸浮液由進料管經螺旋推料器中出液孔進入轉鼓，在離心力的作用下固相顆粒被推向轉鼓內壁，通過螺旋推料器上的葉片推至轉鼓小端排渣口排出，液相則通過轉鼓大端的溢流孔溢出。如此不斷循環，以達到連續分離的目的。沉降型離心機屬於卧式螺旋離心機范疇，全稱卧式螺旋沉降型離心機。如圖8.18所示。
圖8.17 旋流除砂器
表8.4 旋流除泥器參數
鑽井液離心機參數如表8.5所示。
LW系列油田離心機由主機、供液系統和控制系統三大部分組成，大容量離心機同高速離心機配套使用，可以實現三篩、兩機固控系統方案，從而簡化了固控系統，減少用點功率，提高了凈化效率。卧式螺旋離心機具有其他離心機不可比的優點：
1）對物料的適應性較大，能分離的固相粒度范圍廣0.005～2mm，在固相粒度大小不均時也能照常分離。
圖8.18 鑽井液離心機
表8.5 鑽井液離心機相關參數
2）能自動、連續、長期運轉，維修方便，能夠進行封閉操作。
3）單機生產能力大，結構緊湊，佔地小，操作費用低。
4）可以實現遠程自動化控制。
8.3.3 鑽屑體積變形分析
8.3.3.1 井下狀態分析
在井下10000m處主要為岩漿岩，5000m處有為沉積岩。深層的岩漿岩主要有花崗岩、閃長岩、輝長岩、橄欖岩等。深層沉積岩有砂岩、灰岩、白雲岩、石灰岩等。
根據海姆假說：在岩體深處的初始垂直應力與其上覆岩體的重力成正比，而水平應力大致與垂直應力相等。而對於5000m及10000m屬於深部，地應力計算應該遵循海姆假說。
在不考慮地層的構造應力，僅考慮自重應力的情況下（岩石密度取2.6g/cm3（2.5～2.8g/cm3），鑽井液密度取1.3g/cm3）岩石應力為：
科學超深井鑽探技術方案預研究專題成果報告（中冊）
鑽井液應力為：
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地溫計算，地殼的近似平均地熱梯度是每千米25℃，這里取每百米3℃，地表取為0。
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8.3.3.2 溫度和壓力對岩石彈性模量的影響
（1）自重應力及高圍岩壓力對岩石彈性模量影響
1）岩石抗壓強度：三軸等壓強度>三軸不等壓強度>單軸抗壓強度，所以深部地層岩石的抗壓強度要較單軸情況下大很多。
2）岩石的變形：三軸等壓下變形<三軸不等壓變形<單軸抗壓變形。
所以三向高應力條件下，抗壓強度大很多，變形要較小，因此，在三向高應力下彈性模量可取單軸下的2～3倍，見圖8.19。
圖8.19 砂岩不同圍岩下應力應變
（2）溫度對彈性模量影響（圖8.20，圖8.21）
圖8.20 溫度對砂岩及石灰岩彈性模量的影響
圖8.21 溫度對花崗岩等彈性模量的影響
因此，300°時彈性模量可略取常規下的80%，150°下可取常規下的90%。
8.3.3.3 岩屑變形量計算
（1）選取岩石彈性模量，見表8.6。
表8.6 部分岩石的彈性模量
所以，粗略的岩漿岩的彈性模量可取80GPa，沉積岩的彈性模量可取40GPa。
（2）確定岩石線彈性系數，見表8.7。
表8.7 部分岩石的線膨脹系數
因此，岩石的一般線膨脹系數可取2×10-6/℃。
（3）體積變形計算
變形包括應力變化引起的變形和溫度變化引起的變形兩方面。應力變形又可分為兩部分，第一部分為岩石鑽碎後的體積變形，第二部分為岩屑上浮過程中應力變化引起的體積變形，
第一部分：
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第二部分，無論在井下10000m還是5000m，上浮過程中壓力變化分別為130MPa和65MPa。因此，在此過程中的總體體積變形與第一部分相同，同為0.3%
溫度變形計算。假設鑽井液到達地面後溫度為70°，溫度引起的體積膨脹系數取3倍，則
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