現場油基鉆井液固相粒度評價新方法

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、流變性以及較強的抗污染能力，在川渝區塊頁巖氣井的鉆采過程中廣泛應用[1-2]。但頁巖氣井的主力儲層段龍馬溪組地層壓力系數較高，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程中，對現場井漿進行了重復利用，以達到優質、高速、經濟鉆井的目的。現場通常應用振動篩、除砂除泥器、離心機等多級固控設備來清除油基鉆井液中的巖屑等無用固相[4]，但目前固控設備處理油基鉆井液具有較大局限性，無法完全去除小粒徑巖屑顆粒。且缺少一套針對現場油基鉆井液固相粒徑大小的評價方法，用于獲取通過固控設備處理后的油基鉆井液內的固相粒徑的尺寸，從而有針對性對通過固控設備處理后的鉆井液進行后續處理和性能調控[5-6]。基于此，在使用數值擬合和粒度分布計算的基礎上，對鉆井液通過固控設備處理前后的固相顆粒粒度測量方法進行了建立。通過建立固控設備清除效率和粒徑大小的匹配關系，提出了一種鉆井液性能評價指標Dξ，用于評價現場油基鉆井液中固控設備清除效率，表征鉆井液通過固控設備處理后的固相顆粒粒徑，為現場油基鉆井液的使用及性能優化提供理論指導[7]。

1 現場固相粒度測量方法的建立

油基鉆井液內固相顆粒的粒度分布由重晶石、有機土等固相粒度的大小決定，符合正態分布。巖屑在井下循環過程中，隨鉆井液不斷上返，從而影響鉆井液內的固相顆粒的粒度分布。不同粒度的固相顆粒在固控設備中，具有不同的清除效率[7]。因此，通過不同顆粒粒度在同一固控設備內的清除效率，模擬現場鉆井液過固控設備后的粒度分布范圍，從而表征現場鉆井液的固相顆粒粒徑的大小，并根據粒徑的大小，采用不同的處理方法調控油基鉆井液性能。

1.1 固相粒度分布數學方法

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

式中，Rs0，Rs為鉆井液過固控設備前、后的固相含量，%；ws0,ws為鉆井液過固控設備前后的不同粒徑顆粒固相含量占比，%。當計算固控設備總體清除效率時，ws0,ws均為1，此時固控設備清除效率。

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

式中，D表示粒徑，μm；B1為 系數，μm-3；B2為系數，μm-2；B3為 系數，μm；I為常數，無因次；與固控設備本身性能有關。分離曲線 G(D)為自變量固相粒徑大小的擬合函數，可在一定程度上表征固控設備對粒徑大小為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。對于經由分離設備分離后，不同粒徑固相在液體內分布的累積函數F(D)，選用羅辛-拉姆勒分布表征[8]，可得公式（3）。

式中，m為鉆井液分布指數寬度，無因次，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F(D)=0.632時對應的特征粒徑，μm。由固相粒度累積函數，可將鉆井液內固相粒度微分分布曲線表征出來，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于粒徑的導數，其大小與鉆井液分布指數寬度m大小緊密相關。過固控設備后，鉆井液的固相含量可以表征為過固控設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），可將基于固控設備清除效率的鉆井液固相含量表征為式（5）：

式中，W為經過固控設備后鉆井液的固相含量，%；D0代表在粒徑累積分布含量為0 時的粒徑最大值，μm；D1代表在粒徑累積分布含量為1 時的粒徑最小值，μm。

式（5）中，基于積分中值定理[9]，鉆井液內過固控設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某粒徑為Dξ的固相含量，即式（6）。

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

通過式（6）可知，在固控設備使用過程中，可以得到一個數值點Dξ，該點代表應用相同的固控設備，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Dξ的清除效率對應的固相含量保持一致。并且，隨著W的增減，Dξ隨之進行增減，二者表現為正相關性。因此，可以針對不同的鉆井液體系，采用相同的固控設備、使用相同的分離方法，獲取不同的Dξ。即可以用Dξ表征現場油基鉆井液的平均粒度大小。

1.2 固相粒度測試方法的建立

根據上述數學分析論證，驗證了采用固控效率確定固相粒度分布的可行性。據此建立粒度測試方法，步驟如下：①采用現場固控設備分離前后的油基鉆井液，進行粒度分布測試；② 針對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采用該固控設備清除前后的油基鉆井液，進行固相含量測定，通過固相含量測定計算總體清除效率；④ 在曲線圖中讀取清除效率該點對應的粒徑，即為現場油基鉆井液分離后的固相平均粒度。

2 現場試驗及驗證

2.1 現場鉆井液取樣資料

實驗取樣為川渝瀘州區塊某井過固控設備前后的現場油基鉆井液，配方如下。

5#白油+25%CaCl2溶液+2%有機土+3.2%主乳化劑XG-A+0.8%輔乳化劑XG-B+2%潤濕劑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 實驗方法及步驟

采用激光粒度分布儀、固相含量測定儀，測量過固控設備前后鉆井液的粒度分布及固相含量，測試結果見表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）將剩余滿足曲線規律的參數進行三次泰勒展開擬合，擬合結果見圖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正相關的關系，在細小粒徑中，大粒徑固相經振動篩震動、旋流器旋轉分離，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算結果較高，計算結果存在一定誤差。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，對滿足固控設備工作環境的固相顆粒具有一定精確度，其誤差精度R2＞0.95，證明固控設備粒徑分布與粒度大小具有強相關性，滿足擬合條件需要。

表2 擬合曲線方程數據

圖1 分離效率擬合曲線

2.3 現場固相含量測試計算

通過表1 可知，測量過固控設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%，計算得出鉆井液總體清除效率為0.64。令W=G(Dξ)，則通過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固控設備后井漿的粒度分布曲線峰值處接近，即在實際使用過程中可用Dξ表示鉆井液過固控設備后的固相粒度，測試方法具有一定準確性。

3 結論

1.固控設備清除巖屑能力與固相粒徑大小緊密相關，經泰勒擬合展開后的相關系數R2＞0.95，可用固相粒徑大小對應表征固控設備清除巖屑的性能。

2.通過鉆井液經固控設備后的固相粒度與清除效率相關性計算，建立了現場鉆井液的粒度分布測試方法，該方法通過測定現場固相含量，獲取現場鉆井液固相粒度，測量方法具有良好可行性。

3.該方法可在現場條件下測量鉆井液內巖屑大致粒度范圍，為現場油基鉆井液密度、流變性等性能控制提供參考。