一种钻井液微细钻屑颗粒清除方法及其钻井液固相控制的随钻处理应用方法与流程

本发明涉及石油与天然气钻井工程领域，具体地，涉及一种钻井液循环处理和固相控制方法。

背景技术：

在石油与天然气勘探开发过程中，用来清洗井底并把岩屑携带到地面、维持钻井操作正常进行的流体称为钻井液。

钻井液中的固相颗粒含量对钻井液的密度、粘度和切力有着显著的影响，这些性能对钻井液的水力参数、钻井速度、钻井成本和井下情况有着直接的联系。人们通过大量的实验研究，总结出钻井液固相对钻速影响的规律如下：钻速随固相含量升高而下降，固相含量每降低1％，钻速至少可提高10％。小于1μm微细固相颗粒对钻速影响尤其显著，实验得出，小于1μm微细固相颗粒对钻速的影响为大于1μm微细固相颗粒的13倍。

钻井液中较高的固相含量可能导致的严重后果有：形成厚的滤饼，引起压差卡钻；形成滤饼的渗透率高，滤失量大；造成储层损害和井眼不稳定；造成钻头及钻柱的严重磨损；钻井机械钻速降低等。因此，研究一种低成本、低污染、高循环利用度的钻井液循环处理方法对石油工业的发展至关重要。

现场常用的固相控制方法主要有四种方法：(1)大池子沉淀；(2)清水稀释；(3)替换部分钻井液；(4)利用机械设备清除固相。前三种处理方法的缺点在于容易造成浪费，改变了原有钻井液的性能，安全性较差，所以一般不采用。机械设备清除固相是现在常用的固相控制方法，但成本较高，对微细固相颗粒清除效果不佳，通常需要配合聚合物絮凝剂使用。

中国专利文件cn201857911u公开了一种钻井液除砂、除泥一体化清洁器，该清洁器能够将经过振动筛处理后的钻井液进行再次固、液分离，把钻井液中振动筛无法去除的固相从钻井液中分离出来，为下一步的离心机净化提供合适的钻井液。但是该方法仅对振动筛无法去除的固相进行了分离，处理后的钻井液仍需离心机净化，没有能够对钻井液中的微纳米颗粒进行清除。

中国专利文件cn103626344a公开了一种水基钻井液固-液分离设备及方法，它是在经过预处理的水基钻井液废弃物中加入絮凝剂等，通过离心机使水和固相离心分离出来，实现固液分离。分离出的废水经过二级絮凝、过滤处理达标后可以实现井场回用或者排放，分离出的废渣通过固化处理，达标堆放。该方法分别对钻井液固液相进行了处理，处理后钻井液达到了排放标准，但是该方法没有实现对废弃钻井液的回收再利用。

中国专利文件cn1944280a公开了一种钻井废弃泥浆无害化处理方法，其具体步骤是向泥浆池中搅拌加入盐酸或硫酸或草酸中至少一种工业酸中和废弃泥浆中的氢氧化钠和碳酸钠，然后在搅拌中加入漂白粉或双氧水或次氯酸钠中至少一种氧化剂除去或降低废弃泥浆中的有机物含量；最后边搅拌边加入多聚硅酸钠或硫酸铝或明矾或石膏粉或氧化镁中至少一种吸附剂吸附废弃泥浆中的水分，破坏废弃泥浆的乳液平衡。该方法采用化学处理的方法在一定程度上解决了废弃泥浆处理费用高、环境污染的问题，但是无法有效清除微细固相颗粒，固相含量控制不彻底。

以上几种对钻井液的处理方法都存在着一定的局限性，如无法有效清除微细固相颗粒，固相含量控制不彻底，存在环境隐患等，其推广和应用受到了限制。另外，对存在循环利用价值的钻井液没有充分利用，无法满足低成本、高循环利用度的钻井液处理要求。

技术实现要素：

针对现有的钻井液处理技术存在的问题，本发明提供了一种新型钻井液循环处理方法，以及针对钻井液中固相含量高的问题，提供了一种可以有效去除钻井液中微细固相颗粒、降低钻井液中固相含量的处理方法，不仅提高了固控设备的使用效果，更有利于除去对钻速影响最大的1μm以下的微细固相颗粒，使钻井液各项参数达到再利用标准。

本发明的技术方案如下：

一种钻井液微细钻屑颗粒的清除方法，包括步骤如下：

调节钻井液ph值为5-8，并加热钻井液，对加热后的钻井液进行超声波辐射，然后固液分离，即完成钻井液微细钻屑颗粒的清除。

根据本发明，优选的，调节钻井液ph值为6-8，更优选ph值为7。调节钻井液的ph值可采用工业酸或碱进行调节；优选采用盐酸、硫酸或氢氧化钠。

根据本发明，优选的，加热钻井液的温度至40～90℃，进一步优选70-90℃。

根据本发明，优选的，所述超声波辐射时间为0.5～3h；优选的超声波辐射频率为15khz～70khz。优选的，超声波辐射的方式为采用超声波振动子进行辐射，每个超声波振动子的功率为50w～3000w。

本发明钻井液微细钻屑颗粒的清除方法主要包括调节钻井液ph性能、对钻井液进行加热、超声波辐射。超声波辐射完成后分离钻井液组分、调节钻井液各项指标至可配浆回用。该方法的核心改进点在于，对现有的钻井液循环处理流程进行了改进，在不更换现有钻井液固控设备的基础上，提高了固控设备的使用效果，同时在不添加絮凝剂的情况下，有效去除了对钻速影响最大的1μm以下的微细固相颗粒。

根据本发明，该方法通过调节钻井液性能，使超声波辐射起到分离钻井液中微纳米固体颗粒的作用，从而能够降低钻井液中固相含量，然后才能回收钻井液中的有用部分，重新配置后达到原钻井液的循环利用标准。特别的，本发明的上述调节钻井液性能步骤与超声波辐射步骤配合使用时，能够有效地提高钻井液中固相分离效果。

根据本发明，一种优选的实施方法，通过以下步骤实现：

(1)向钻井液加入盐酸或硫酸等工业酸中和钻井液中的碱性物质，调整钻井液ph值为7；

(2)准备加热棒，并将加热棒均匀放入钻井液中，加热调整为中性的钻井液至超声波作用流体温度；

(3)准备超声波振动子，并将超声波振动子没入步骤(2)处理后的钻井液，对其进行超声波辐射，经过超声波辐射，破坏了钻井液胶体的稳定性，钻井液胶体粒子转化为微细钻屑颗粒，然后通过后续步骤完成固液分离。

根据本发明，优选的，步骤(2)中所述超声波作用流体温度为40～90℃；

所述超声波作用时间为0.5～3h；

所述超声波作用频率为15khz～70khz；

单个超声波振动子的功率为50w～3000w。

从提高钻井液固相控制水平和回收再利用率方面考虑，优选情况下，所述超声波作用流体温度为70-90℃；所述超声波作用时间为1h；所述超声波作用频率为70khz；所述超声波作用功率为3000w。

根据本发明，另一种优选的实施方法，通过以下步骤实现：

(1)向钻井液加入盐酸或硫酸等工业酸中和钻井液中的碱性物质，调整钻井液ph值为7；

(2)准备加热棒，并将加热棒均匀放入钻井液中，加热调整为中性的钻井液至超声波作用流体温度90℃；

(3)准备超声波振动子，并将超声波振动子没入步骤(2)处理后的钻井液，对其进行超声波辐射，超声波作用频率为70khz。通过超声波辐射，破坏了钻井液胶体的稳定性，将胶体粒子转化为了微细钻屑颗粒。

传统的钻井液去除颗粒的方法常采用化学脱稳破胶法，加入有机聚合物絮凝剂实现，常见的有机聚合物絮凝剂有：pam、php、vama等，传统的钻井液化学脱稳破胶法的作用机理是：有机聚合物絮凝剂通过分子链上的吸附基团与粘土表面的氧原子或氢氧原子之间形成氢键而发生吸附，由于絮凝剂的分子链较长，分子链上有多个吸附基团，所以一条长链上可以同时吸附多个粘土颗粒，随后形成团块，在重力作用下下沉，从钻井液中分离出去。这种处理方式会对钻井液固相控制带来一些问题。例如，在钻速较快时，难以维持钻井液的低固相，无用固相不能及时清除，加入絮凝剂后改变了钻井液的流动性等问题。

相较于传统钻井液化学脱稳法，本发明处理流程简单，调整钻井液ph和温度，并协同利用超声波的破胶作用，将钻井液固液分离成固相、液相，尤其有利于除去对钻速影响最大的1μm以下的微细固相颗粒颗粒。而且本发明方法不需要添加任何外加剂用于回配钻井液，钻井液性能良好，循环处理方法完美兼容原钻井液固相控制流程。

本发明还提供钻井液固相控制随钻处理方法，包括：

采用振动筛、除砂器、除泥器去除大颗粒砂石步骤；

采用上述方法分离钻井液微细钻屑颗粒的步骤；

采用离心机、微型旋流器和泥浆泵进一步固液分离和输送步骤。

本发明的原理：

钻井液属于胶体，胶体中含有胶体粒子，胶体粒子无法通过机械利用物理手段分离出来。本发明先将钻井液胶体通过非化学手段破胶，破坏钻井液胶体的稳定性，将钻井液中的胶体粒子转化为可以通过机械手段分离出的微细固相颗粒，也就是将钻井液中的胶体粒子分离出来。

溶于钻井液的胶体粒子无法通过原有的钻井液处理方法分离出来，所以先经过超声波处理，使钻井液胶体中的胶体粒子转化为微细钻屑颗粒，然后再通过后续步骤清除，比如离心机、微型旋流器。所以，超声波处理后，钻井液胶体中的微细钻屑颗粒含量会上升。

本发明未详尽说明的，均按本领域常规操作。

本发明的有益效果：

本发明提供的钻井液微细钻屑颗粒的清除方法，通过调整钻井液ph值和温度，结合超声波辐射协同处理，有助于有效降低钻井液中固相含量，提高固控设备的使用效果，尤其是有利于除去1μm以下的微细固相颗粒，并且使经过超声波循环处理钻井液技术处理后的钻井液达到可循环标准，特别适用于石油与天然气勘探开发过程中的钻井作业中。

附图说明

图1为现有技术中钻井液固相控制流程图；

图2为本发明钻井液固相控制流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明提供的钻井液微细钻屑颗粒的清除方法，主要包括调节钻井液ph和温度性能、对钻井液进行超声波辐射、分离超声波辐射后的钻井液组分、调节钻井液各项指标至可配浆回用。该方法的核心改进点在于，对现有的钻井液循环处理流程进行了改进，在不更换现有钻井液固控设备的基础上，提高了固控设备的使用效果，同时在不添加絮凝剂的情况下，有效去除了最钻速影响最大的1μm以下的微细固相颗粒颗粒。

以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述。

以下实施例和对比例中：

钻井液取自某油田生产井。

超声波发生器和超声波振动子购自杭州成功超声设备有限公司，超声波发生器型号为数控电源v6.3，超声波振动子为15～70k。

实施例1

钻井液微细钻屑颗粒的清除方法，包括步骤如下：

(1)向钻井液加入稀盐酸(20％质量分数)并搅拌，调整钻井液ph值为7。

(2)根据需要准备适量加热棒，并将加热棒均匀放入钻井液中，加热钻井液至40℃。

(3)准备超声频率15khz的超声波振动子，并将超声波振动子没入步骤(2)处理后的钻井液，对其进行超声波辐射。通过超声波辐射，破坏了钻井液胶体的稳定性，将胶体粒子转化为了微细钻屑颗粒。然后通过后续步骤，如离心机、微型旋流器完成固液分离。

实施例2

如实施例1所述，不同的是：

加热钻井液至50℃。

实施例3

如实施例1所述，不同的是：

加热钻井液至60℃。

实施例4

如实施例1所述，不同的是：

加热钻井液至70℃。

实施例5

如实施例1所述，不同的是：

加热钻井液至80℃。

实施例6

如实施例1所述，不同的是：

加热钻井液至90℃。

实施例7

如实施例1所述，不同的是：

采用超声频率20khz的超声波振动子对钻井液进行辐射。

实施例8

如实施例1所述，不同的是：

采用超声频率28khz的超声波振动子对钻井液进行辐射。

实施例9

如实施例1所述，不同的是：

用超声频率30khz的超声波振动子对钻井液进行辐射。

实施例10

如实施例1所述，不同的是：

采用超声频率35khz的超声波振动子对钻井液进行辐射。

实施例11

如实施例1所述，不同的是：

采用超声频率40khz的超声波振动子对钻井液进行辐射。

实施例12

如实施例1所述，不同的是：

采用超声频率60khz的超声波振动子对钻井液进行辐射。

实施例13

如实施例1所述，不同的是：

采用超声频率70khz的超声波振动子对钻井液进行辐射。

实施例14

如图2所示，一种钻井液固相控制随钻处理方法，包括：

采用振动筛、除砂器、除泥器去除大颗粒砂石步骤；

采用实施例1所述的方法分离钻井液微细钻屑颗粒的步骤；

采用离心机、微型旋流器和泥浆泵进一步固液分离和输送步骤。

对比例1

如实施例1所述，不同的是：

加入稀盐酸后，钻井液ph值调整为1。

对比例2

如实施例1所述，不同的是：

稀盐酸采用氢氧化钠代替，加入氢氧化钠后，钻井液ph值调整为14。

对比例3

如实施例1所述，不同的是：

对钻井液不调节ph值和温度，仅进行超声波辐射处理。

试验例1

对钻井液微细钻屑颗粒清除方法处理后的钻井液和未经本方法处理的钻井液进行粒度分析，得到处理前后钻井液粒度分布如表1所示：

表1

通过表1的结果可以看出，经钻井液微细钻屑颗粒清除方法处理后，钻井液中的微细钻屑颗粒得到显著升高，尤其是对钻速影响最大的小于1μm的固相颗粒，其在钻井液中的含量升高了5％以上，说明超声波辅助方法有利于破坏钻井液胶体的稳定性，分离出更多的微细钻屑颗粒，分离出的微细钻屑颗粒可以在接下来的步骤中得到清除，这充分表明了钻井液微细钻屑颗粒清除方法对微细固相颗粒的清除效果。

钻井液属于胶体，胶体中含有胶体粒子，胶体粒子无法通过机械利用物理手段分离出来。本发明先将钻井液胶体通过非化学手段破胶，破坏钻井液胶体的稳定性，将钻井液中的胶体粒子转化为可以通过机械手段分离出的微细固相颗粒，也就是将钻井液中的胶体粒子分离出来。

溶于钻井液的胶体粒子无法通过原有的钻井液处理方法分离出来，所以先经过超声波处理，使钻井液胶体中的胶体粒子转化为微细钻屑颗粒，然后再通过后续步骤清除。所以，超声波处理后，钻井液胶体中的微细钻屑颗粒含量会上升。

试验例2

经过本发明方法固液分离处理后的钻井液和未经本方法处理的钻井液进行烘干处理，并测量烘干后得到的钻井液固相的质量，结果见表2所示：

表2

通过表2的结果可以看出，经过处理后的钻井液固相含量得到了有效控制，固相含量显著降低，能够满足钻井液再循环的施工要求，并且提高钻井过程中的钻井速度。

同时，对原始钻井液不进行调节ph值和调节温度处理，仅仅进行超声波处理。可以看到，钻井液固含量相比本发明方法降低的要少，去除微细颗粒的效果要差一些。说明ph值，温度和超声波处理有着良好的协同作用。

试验例3

对钻井液微细钻屑颗粒清除方法处理后的钻井液进行烘干处理，并测量烘干后得到的钻井液固相的质量，计算得到实施例1和对比例1-2的钻井液固相含量，结果见表3所示：

表3

通过表3的结果可以看出，本发明中ph值对钻井液固相控制效果有着一定的影响，强酸性和强碱性条件对本发明的钻井液固相含量均有不利影响。由实施例1可知，酸碱性为中性时，钻井液固相含量控制方法取得最佳效果。

试验例4

对钻井液微细钻屑颗粒清除方法处理后的钻井液进行烘干处理，并测量烘干后得到的钻井液固相的质量，计算得到实施例4-8的钻井液固相含量，结果见表4所示：

表4

通过表4的结果可以看出，在ph值和超声辐射频率相近时，与实施例1相比较，实施例2-6中的钻井液固相含量得到了显著降低，说明提高温度可以有效提高本发明的钻井液固相含量控制方法的作用效果。

试验例5

对钻井液微细钻屑颗粒清除方法处理后的钻井液进行烘干处理，并测量烘干后得到的钻井液固相的质量，计算得到实施例9-15的钻井液固相含量，结果见表5所示：

表5

通过表5的结果可以看出，本发明作用效果与超声波辐射频率密切相关，在提高超声波作用频率后，超声波辐射与控制钻井液酸碱性、提高钻井液温度之间具有较好的协同作用，使本发明的钻井液固相含量控制方法表现出优良的效果。

以上详细描述了本发明的实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。