基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算方法

郭京華，黃桂洪

（1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；3.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川廣漢 618300）

鉆井液的成分非常復(fù)雜，包括粘土礦物、無(wú)機(jī)鹽和各種化合物等，配制鉆井液時(shí)，對(duì)于可溶性處理劑用量的計(jì)算，通用的方法是忽略處理劑自身的體積，重點(diǎn)考慮加重劑（碳酸鈣、重晶石、鐵礦粉等）對(duì)總體積的影響。鉆井施工過(guò)程中，鉆井液各處理劑的加入量非常大，在某些異常壓力地質(zhì)條件下，要時(shí)刻關(guān)注循環(huán)系統(tǒng)鉆井液體積的細(xì)微變化，如果忽略加入的可溶性處理劑體積，就會(huì)干擾識(shí)別井涌井漏等井下異常情況。因此，配制或處理鉆井液時(shí)有必要考慮所有物料對(duì)鉆井液總體積的貢獻(xiàn)，根據(jù)這一需要，本文提出了基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算方法，在部分海外區(qū)塊得以應(yīng)用，取得了很好的效果。

1 計(jì)算公式

1.1 配制鉆井液需要的數(shù)據(jù)

為計(jì)算配制鉆井液所需要的處理劑量，一種情況是指定基漿體積，也就是在已有基漿的基礎(chǔ)上配制鉆井液，另一種情況是指定鉆井液的最終體積，根據(jù)計(jì)算結(jié)果量取基漿。無(wú)論哪種情況，鉆井液的初始體積（基漿體積）和最終體積（總體積）中必有一個(gè)是已知量。

基于物料體積的計(jì)算方法要求所有處理劑和加重劑用量都要依據(jù)最終體積來(lái)計(jì)算，假設(shè)需要用n 種可溶性處理劑和1 種加重劑配制鉆井液，基漿體積為V0，基漿密度為ρ0，鉆井液配制完成后最終體積為Vt，最終密度為ρt，配制鉆井液需要的各種數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。在已知量中，各處理劑配方是人為指定的，各處理劑密度可由相關(guān)手冊(cè)或?qū)嶒?yàn)獲知，鉆井液的初始密度由實(shí)際測(cè)量獲得，最終密度是指定的目標(biāo)數(shù)值。在未知量中，除了物料體積和物料用量，還包含加重劑的配方數(shù)值。

表1 配制鉆井液需要的數(shù)據(jù)

表1 配制鉆井液需要的數(shù)據(jù)（續(xù)表）

1.2 加重劑配方計(jì)算公式

配制完成后，鉆井液的總質(zhì)量等于基漿的質(zhì)量和各物料質(zhì)量之和，忽略可溶性處理劑溶解前后自身體積的變化，處理劑和加重劑在鉆井液中所占的體積近似等于其混合前的體積，根據(jù)質(zhì)量、密度和體積之間的關(guān)系，可推導(dǎo)出下列計(jì)算公式。

鉆井液的最終體積：

鉆井液初始體積與最終體積之比：

加重劑配方（以質(zhì)量濃度表示）的計(jì)算公式：

上述公式中：V0為配制鉆井液的初始體積（基漿體積），cm3；Vt為配制鉆井液的最終體積（總體積），cm3；ρ0為基漿的密度，g/cm3；ρt為加重后的鉆井液密度，g/cm3；mi為第Ni種處理劑的質(zhì)量，g；Ci為第Ni種處理劑在鉆井液中的配方含量（質(zhì)量濃度，%）；ρi為第Ni種處理劑的密度，g/cm3；Cw為加重劑在鉆井液中的配方含量（質(zhì)量濃度，%）；mw為加重劑的質(zhì)量，g；ρw為加重劑的密度，g/cm3。

1.3 處理劑和加重劑用量的計(jì)算

為便于應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化計(jì)算，簡(jiǎn)化計(jì)算公式，引入一個(gè)計(jì)算因子κ，其物理意義就是基漿體積與加入所有處理劑和加重劑后的鉆井液最終體積之比，即：

由式（2）和式（3）式可得：

從式（5）可以看出，κ 與鉆井液初始密度、最終密度和處理劑配方有關(guān)，配制規(guī)定密度的鉆井液，如果鉆井液配方不同，κ 的數(shù)值可能不同，但是，只要鉆井液配方確定下來(lái)，κ 值就不會(huì)再變化，而成為一個(gè)常數(shù)。

配制鉆井液時(shí)各物料用量的計(jì)算公式如下。

基漿體積V0為已知量時(shí)：

鉆井液最終體積Vt為已知量時(shí)：

從上述表達(dá)式可以看出，基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算方法中，無(wú)論是按基漿體積還是按鉆井液最終體積計(jì)算，可溶性處理劑和加重劑用量的計(jì)算公式其實(shí)是同一個(gè)公式。

2 可溶性無(wú)機(jī)鹽密度的替代值（以氯化鉀為例）

為簡(jiǎn)化計(jì)算公式的推導(dǎo)，假設(shè)處理劑溶解后的體積等于其自身體積，但是，溶解過(guò)程不是簡(jiǎn)單的混合過(guò)程，溶液的體積不等于溶劑和溶質(zhì)的體積之和[1]。為起到理想的抑制效果，氯化鉀鉆井液需要較高濃度的氯化鉀，配制鉆井液時(shí)，如果用氯化鉀實(shí)際密度值來(lái)計(jì)算，會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差。

室內(nèi)配制了不同濃度氯化鉀溶液，反推氯化鉀的密度替代取值。實(shí)驗(yàn)方法如下[2]：用量筒量取1 000 cm3水作為實(shí)驗(yàn)用水，按照不同配方分別稱取氯化鉀，取一個(gè)燒杯，用少量水將氯化鉀完全溶解，然后將氯化鉀溶液轉(zhuǎn)移到1 000 cm3容量瓶中，加水至1 000 cm3刻度線，記錄所用水的體積V水，則氯化鉀在溶液中所占的體積V氯化鉀=1 000-V水，用氯化鉀的質(zhì)量除以V氯化鉀得出氯化鉀的密度替代值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖1），虛線所標(biāo)出的值是2.45 g/cm3。在空氣中，氯化鉀的密度為1.98 g/cm3，氯化鉀在鉆井液體系中的常用濃度范圍為3 %～10 %，基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算方法計(jì)算氯化鉀用量時(shí)，氯化鉀合理的密度替代取值范圍在2.40～2.50。

圖1 氯化鉀密度替代數(shù)值的選取

3 公式正確性的驗(yàn)證

基于物料體積的鉆井液計(jì)算方法未見(jiàn)有學(xué)術(shù)報(bào)道，為判斷公式是否正確，通過(guò)對(duì)比鉆井液密度的理論計(jì)算值與測(cè)量值來(lái)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)室中配制不同密度的氯化鉀鉆井液，實(shí)驗(yàn)處理劑的密度值[3]（見(jiàn)表2），氯化鉀密度替代值取2.45 g/cm3，按照不同配方計(jì)算各種處理劑的用量，稱量處理劑，將處理劑和加重劑依次加入基漿中，混合均勻，攪拌30 min配成鉆井液，將鉆井液裝入老化罐中，在120 ℃溫度條件下熱滾16 h，取出老化罐，冷卻至室溫，測(cè)量鉆井液的密度值，用實(shí)際測(cè)量的密度值和計(jì)算值在同一坐標(biāo)系中作曲線圖，結(jié)果（見(jiàn)圖2）。實(shí)驗(yàn)表明，鉆井液的實(shí)際測(cè)量值與計(jì)算值相吻合，19 次實(shí)驗(yàn)的平均偏差為0.008。

圖2 鉆井液密度計(jì)算值和測(cè)量值對(duì)比曲線

表2 實(shí)驗(yàn)用處理劑密度值

表2 實(shí)驗(yàn)用處理劑密度值（續(xù)表）

4 應(yīng)用效果

4.1 簡(jiǎn)化了鉆井液配方計(jì)算流程，配方真實(shí)反映了鉆井液中各物料的實(shí)際含量

傳統(tǒng)計(jì)算方法用不同的體積標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算可溶性處理劑和加重劑。計(jì)算可溶性處理劑用量以基漿體積為基準(zhǔn)，忽略處理劑自身對(duì)鉆井液體積和密度的貢獻(xiàn)，為彌補(bǔ)計(jì)算方法的不足，在加完可溶性處理劑后需要測(cè)量中間漿液的體積和密度，計(jì)算加重處理劑以中間漿液的體積為基準(zhǔn)，并在計(jì)算中要考慮加重劑對(duì)鉆井液總體積的貢獻(xiàn)。基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算作為一種新的計(jì)算方法，采用了統(tǒng)一的體積標(biāo)準(zhǔn)，可溶性處理劑和加重劑都以配制鉆井液的總體積為基準(zhǔn)計(jì)算，省去了配制過(guò)程的中間測(cè)量過(guò)程，這兩種計(jì)算方法的配制計(jì)算流程（見(jiàn)圖3，圖4）。

可溶性處理劑和加重劑加入基漿后勢(shì)必引起漿液體積的增大，傳統(tǒng)計(jì)算方法的缺陷，導(dǎo)致可溶性處理劑在鉆井液中的實(shí)際含量與配方存在差異，鉆井液密度越高，加重劑用量越大，基漿體積和最終體積的差值就越大，以基漿體積來(lái)計(jì)算可溶性處理劑用量，處理劑在鉆井液中的實(shí)際濃度就越低于配方數(shù)值。基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算方法修正了這一不足，可溶性處理劑和加重劑的配方與其在鉆井液中的實(shí)際含量達(dá)到了統(tǒng)一，配方真實(shí)反映了鉆井液中各成分的實(shí)際濃度。

4.2 實(shí)現(xiàn)了智能化計(jì)算，有利于系統(tǒng)開(kāi)展室內(nèi)鉆井液配方研究

由圖3 可以看出，傳統(tǒng)計(jì)算方法先計(jì)算出可溶性性處理劑的用量，在可溶性處理劑混合完成前，不能準(zhǔn)確得出加重劑的用量。

圖4 表明，基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算方法通過(guò)先計(jì)算加重劑配方，再通過(guò)計(jì)算因子，能在混合處理劑前得出所有處理劑和加重劑的用量。表面看來(lái)，新計(jì)算方法公式復(fù)雜，實(shí)際上，用EXCEL 表格建立計(jì)算模板后能快速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算，新計(jì)算方法具有計(jì)算準(zhǔn)確性高和智能計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。在鉆井液配方研究過(guò)程中，即使同一體系的鉆井液，由于鉆井液密度不同，對(duì)配制鉆井液所需的膨潤(rùn)土、堿度調(diào)節(jié)劑、降濾失劑、流型調(diào)節(jié)劑、潤(rùn)滑劑和加重劑的用量都不同。應(yīng)用這一新的計(jì)算方法，能夠做到邊設(shè)計(jì)邊計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)前就可設(shè)計(jì)出完整鉆井液配方，有利于合理規(guī)劃實(shí)驗(yàn)方案，系統(tǒng)化研究?jī)?yōu)選鉆井液配方。

4.3 引入現(xiàn)場(chǎng)報(bào)表系統(tǒng)，精確監(jiān)測(cè)鉆井液循環(huán)系統(tǒng)液面變化

鉆井過(guò)程中，在異常壓力地層，或鉆開(kāi)油氣藏后，需要時(shí)刻監(jiān)測(cè)鉆井液循環(huán)系統(tǒng)液面變化，以便盡早發(fā)現(xiàn)井漏、井涌等異常井下情況，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，采用基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算方法，準(zhǔn)確列出了每一種處理劑對(duì)鉆井液總體積的貢獻(xiàn)，循環(huán)加藥處理鉆井液過(guò)程中，便于分析循環(huán)系統(tǒng)液面細(xì)微的變化，提高防范井下突發(fā)情況的應(yīng)變能力。在部分海外項(xiàng)目，如印尼JABUNG 區(qū)塊，鉆井液報(bào)表軟件已經(jīng)引入該計(jì)算方法，日?qǐng)?bào)表中專列鉆井液體積平衡表（Volume Balance），記錄消耗處理劑的自身體積和用水量，為地質(zhì)錄井液面報(bào)警系統(tǒng)提供可靠數(shù)據(jù)。

圖3 傳統(tǒng)鉆井液配制計(jì)算流程圖

圖4 基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算流程圖

5 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)計(jì)算方法的缺陷，導(dǎo)致鉆井液中處理劑的實(shí)際含量與配方數(shù)值存在差異，基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算方法修正了這一不足，計(jì)算過(guò)程中考慮了每一種處理劑對(duì)總體積的貢獻(xiàn)，鉆井液中處理劑的實(shí)際含量與其配方數(shù)值保持一致。

（2）基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算方法，具有計(jì)算準(zhǔn)確性高和能夠?qū)崿F(xiàn)智能計(jì)算的特點(diǎn)，有利于建立鉆井液配方實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹到y(tǒng)化研究鉆井液配方。

（3）現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工過(guò)程中，應(yīng)用基于物料體積的鉆井液配制計(jì)算方法，能夠?yàn)楸O(jiān)控循環(huán)系統(tǒng)罐面體積變化提供可靠數(shù)據(jù)，有利于定量分析循環(huán)系統(tǒng)體積變化的原因，提高了防范井漏、井涌等井下異常情況的應(yīng)變能力。

［1］ 嚴(yán)宣申.溶解過(guò)程的體積效應(yīng)［J］.化學(xué)教育，2007，28（5）：60.

［2］ 馮成武，白桂蓉，胡幼梅.分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1993：37-38.

［3］ Handbook of Drilling fluids MI［M］.Revision N0：A-0，1998：95.