現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液固相粒度評(píng)價(jià)新方法

李兵

（勝利石油工程公司西南分公司,成都 257500 ）

油基鉆井液具有良好的抗溫性、流變性以及較強(qiáng)的抗污染能力，在川渝區(qū)塊頁(yè)巖氣井的鉆采過(guò)程中廣泛應(yīng)用[1-2]。但頁(yè)巖氣井的主力儲(chǔ)層段龍馬溪組地層壓力系數(shù)較高，因此所用油基鉆井液的密度加重至1.6～2.3 g/cm3，從而增加了鉆井液的成本[3]。因此，在使用油基鉆井液過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)井漿進(jìn)行了重復(fù)利用，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高速、經(jīng)濟(jì)鉆井的目的?，F(xiàn)場(chǎng)通常應(yīng)用振動(dòng)篩、除砂除泥器、離心機(jī)等多級(jí)固控設(shè)備來(lái)清除油基鉆井液中的巖屑等無(wú)用固相[4]，但目前固控設(shè)備處理油基鉆井液具有較大局限性，無(wú)法完全去除小粒徑巖屑顆粒。且缺少一套針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液固相粒徑大小的評(píng)價(jià)方法，用于獲取通過(guò)固控設(shè)備處理后的油基鉆井液內(nèi)的固相粒徑的尺寸，從而有針對(duì)性對(duì)通過(guò)固控設(shè)備處理后的鉆井液進(jìn)行后續(xù)處理和性能調(diào)控[5-6]?；诖?，在使用數(shù)值擬合和粒度分布計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)鉆井液通過(guò)固控設(shè)備處理前后的固相顆粒粒度測(cè)量方法進(jìn)行了建立。通過(guò)建立固控設(shè)備清除效率和粒徑大小的匹配關(guān)系，提出了一種鉆井液性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Dξ，用于評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液中固控設(shè)備清除效率，表征鉆井液通過(guò)固控設(shè)備處理后的固相顆粒粒徑，為現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液的使用及性能優(yōu)化提供理論指導(dǎo)[7]。

1 現(xiàn)場(chǎng)固相粒度測(cè)量方法的建立

油基鉆井液內(nèi)固相顆粒的粒度分布由重晶石、有機(jī)土等固相粒度的大小決定，符合正態(tài)分布。巖屑在井下循環(huán)過(guò)程中，隨鉆井液不斷上返，從而影響鉆井液內(nèi)的固相顆粒的粒度分布。不同粒度的固相顆粒在固控設(shè)備中，具有不同的清除效率[7]。因此，通過(guò)不同顆粒粒度在同一固控設(shè)備內(nèi)的清除效率，模擬現(xiàn)場(chǎng)鉆井液過(guò)固控設(shè)備后的粒度分布范圍，從而表征現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的固相顆粒粒徑的大小，并根據(jù)粒徑的大小，采用不同的處理方法調(diào)控油基鉆井液性能。

1.1 固相粒度分布數(shù)學(xué)方法

鉆井液中不同粒徑的鉆屑經(jīng)固控設(shè)備分離后，固控設(shè)備的清除效率計(jì)算方法如式（1）所示。

式中，Rs0，Rs為鉆井液過(guò)固控設(shè)備前、后的固相含量，%；ws0,ws為鉆井液過(guò)固控設(shè)備前后的不同粒徑顆粒固相含量占比，%。當(dāng)計(jì)算固控設(shè)備總體清除效率時(shí)，ws0,ws均為1，此時(shí)固控設(shè)備清除效率。

不同粒徑顆粒的清除效率與其粒徑大小具有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此可將其清除效率表示為粒徑尺寸D的函數(shù)，形如泰勒三階展開式見式（2）。

式中，D表示粒徑，μm；B1為 系數(shù)，μm-3；B2為系數(shù)，μm-2；B3為 系數(shù)，μm；I為常數(shù)，無(wú)因次；與固控設(shè)備本身性能有關(guān)。分離曲線 G(D)為自變量固相粒徑大小的擬合函數(shù)，可在一定程度上表征固控設(shè)備對(duì)粒徑大小為D的固相顆粒的清除效率。

鉆井液的粒徑累積分布曲線是粒徑微分分布的累積。對(duì)于經(jīng)由分離設(shè)備分離后，不同粒徑固相在液體內(nèi)分布的累積函數(shù)F(D)，選用羅辛-拉姆勒分布表征[8]，可得公式（3）。

式中，m為鉆井液分布指數(shù)寬度，無(wú)因次，表征鉆井液固相粒度的分布范圍，m越大，粒度分布范圍越大；為固相顆粒平均粒徑，是當(dāng)F(D)=0.632時(shí)對(duì)應(yīng)的特征粒徑，μm。由固相粒度累積函數(shù)，可將鉆井液內(nèi)固相粒度微分分布曲線表征出來(lái)，即公式（4）。

固相粒度的微分分布曲線即是粒度分布累積曲線關(guān)于粒徑的導(dǎo)數(shù)，其大小與鉆井液分布指數(shù)寬度m大小緊密相關(guān)。過(guò)固控設(shè)備后，鉆井液的固相含量可以表征為過(guò)固控設(shè)備前的老漿固相含量與在該粒徑處清除效率的累積。即由式（2）和式（4），可將基于固控設(shè)備清除效率的鉆井液固相含量表征為式（5）：

式中，W為經(jīng)過(guò)固控設(shè)備后鉆井液的固相含量，%；D0代表在粒徑累積分布含量為0 時(shí)的粒徑最大值，μm；D1代表在粒徑累積分布含量為1 時(shí)的粒徑最小值，μm。

式（5）中，基于積分中值定理[9]，鉆井液內(nèi)過(guò)固控設(shè)備后的剩余固相含量W可以表征為鉆井液粒度分布范圍內(nèi)某粒徑為Dξ的固相含量，即式（6）。

式中，Dξ為應(yīng)用相同的固控設(shè)備，不同鉆井液體系在清除固相含量后的粒徑分布情況，μm。

通過(guò)式（6）可知，在固控設(shè)備使用過(guò)程中，可以得到一個(gè)數(shù)值點(diǎn)Dξ，該點(diǎn)代表應(yīng)用相同的固控設(shè)備，不同鉆井液體系在清除固相含量后的粒徑分布情況。固控設(shè)備分離后鉆井液中固相含量可以和鉆井液粒度分布圖中的某一點(diǎn)Dξ的清除效率對(duì)應(yīng)的固相含量保持一致。并且，隨著W的增減，Dξ隨之進(jìn)行增減，二者表現(xiàn)為正相關(guān)性。因此，可以針對(duì)不同的鉆井液體系，采用相同的固控設(shè)備、使用相同的分離方法，獲取不同的Dξ。即可以用Dξ表征現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液的平均粒度大小。

1.2 固相粒度測(cè)試方法的建立

根據(jù)上述數(shù)學(xué)分析論證，驗(yàn)證了采用固控效率確定固相粒度分布的可行性。據(jù)此建立粒度測(cè)試方法，步驟如下：①采用現(xiàn)場(chǎng)固控設(shè)備分離前后的油基鉆井液，進(jìn)行粒度分布測(cè)試；② 針對(duì)不同粒徑固相顆粒的清除效率，繪制清除效率與粒徑大小的曲線圖；③采用該固控設(shè)備清除前后的油基鉆井液，進(jìn)行固相含量測(cè)定，通過(guò)固相含量測(cè)定計(jì)算總體清除效率；④ 在曲線圖中讀取清除效率該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的粒徑，即為現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液分離后的固相平均粒度。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及驗(yàn)證

2.1 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液取樣資料

實(shí)驗(yàn)取樣為川渝瀘州區(qū)塊某井過(guò)固控設(shè)備前后的現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液，配方如下。

5#白油+25%CaCl2溶液+2%有機(jī)土+3.2%主乳化劑XG-A+0.8%輔乳化劑XG-B+2%潤(rùn)濕劑XG-R+3%封堵劑+3%降濾失劑+3%生石灰+重晶石，油水比為80∶20

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

采用激光粒度分布儀、固相含量測(cè)定儀，測(cè)量過(guò)固控設(shè)備前后鉆井液的粒度分布及固相含量，測(cè)試結(jié)果見表1。繪制固相清除效率-粒徑曲線圖，在排除小粒徑顆粒影響下，參照式（3）將剩余滿足曲線規(guī)律的參數(shù)進(jìn)行三次泰勒展開擬合，擬合結(jié)果見圖1 和表2。

表1 鉆井液固相含量占比

由表1 可知，在排除細(xì)小粒徑的影響后，固相清除效率的高低與固相粒徑整體呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，在細(xì)小粒徑中，大粒徑固相經(jīng)振動(dòng)篩震動(dòng)、旋流器旋轉(zhuǎn)分離，部分大顆粒粒徑被粉碎成小顆粒，因此小粒徑顆粒的固相清除效率計(jì)算結(jié)果較高，計(jì)算結(jié)果存在一定誤差。由圖1 和表2 可知，采用三次泰勒展開擬合模擬不同粒徑的固相含量，對(duì)滿足固控設(shè)備工作環(huán)境的固相顆粒具有一定精確度，其誤差精度R2＞0.95，證明固控設(shè)備粒徑分布與粒度大小具有強(qiáng)相關(guān)性，滿足擬合條件需要。

表2 擬合曲線方程數(shù)據(jù)

圖1 分離效率擬合曲線

2.3 現(xiàn)場(chǎng)固相含量測(cè)試計(jì)算

通過(guò)表1 可知，測(cè)量過(guò)固控設(shè)備后油基鉆井液的固相含量為16.2%，原有鉆井液中固相含量為45%，計(jì)算得出鉆井液總體清除效率為0.64。令W=G(Dξ)，則通過(guò)清除效率擬合曲線反查得知，Dξ約為12.50 μm。該粒徑范圍與鉆井液過(guò)固控設(shè)備后井漿的粒度分布曲線峰值處接近，即在實(shí)際使用過(guò)程中可用Dξ表示鉆井液過(guò)固控設(shè)備后的固相粒度，測(cè)試方法具有一定準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

1.固控設(shè)備清除巖屑能力與固相粒徑大小緊密相關(guān)，經(jīng)泰勒擬合展開后的相關(guān)系數(shù)R2＞0.95，可用固相粒徑大小對(duì)應(yīng)表征固控設(shè)備清除巖屑的性能。

2.通過(guò)鉆井液經(jīng)固控設(shè)備后的固相粒度與清除效率相關(guān)性計(jì)算，建立了現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的粒度分布測(cè)試方法，該方法通過(guò)測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)固相含量，獲取現(xiàn)場(chǎng)鉆井液固相粒度，測(cè)量方法具有良好可行性。

3.該方法可在現(xiàn)場(chǎng)條件下測(cè)量鉆井液內(nèi)巖屑大致粒度范圍，為現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液密度、流變性等性能控制提供參考。