基于物料体积的钻井液配制计算方法

2014-08-10郭京华黄桂洪

石油化工应用 2014年1期

郭京华，黄桂洪

（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油大学（北京），北京 102249；3.中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院，四川广汉 618300）

钻井液的成分非常复杂，包括粘土矿物、无机盐和各种化合物等，配制钻井液时，对于可溶性处理剂用量的计算，通用的方法是忽略处理剂自身的体积，重点考虑加重剂（碳酸钙、重晶石、铁矿粉等）对总体积的影响。钻井施工过程中，钻井液各处理剂的加入量非常大，在某些异常压力地质条件下，要时刻关注循环系统钻井液体积的细微变化，如果忽略加入的可溶性处理剂体积，就会干扰识别井涌井漏等井下异常情况。因此，配制或处理钻井液时有必要考虑所有物料对钻井液总体积的贡献，根据这一需要，本文提出了基于物料体积的钻井液配制计算方法，在部分海外区块得以应用，取得了很好的效果。

1 计算公式

1.1 配制钻井液需要的数据

为计算配制钻井液所需要的处理剂量，一种情况是指定基浆体积，也就是在已有基浆的基础上配制钻井液，另一种情况是指定钻井液的最终体积，根据计算结果量取基浆。无论哪种情况，钻井液的初始体积（基浆体积）和最终体积（总体积）中必有一个是已知量。

基于物料体积的计算方法要求所有处理剂和加重剂用量都要依据最终体积来计算，假设需要用n 种可溶性处理剂和1 种加重剂配制钻井液，基浆体积为V0，基浆密度为ρ0，钻井液配制完成后最终体积为Vt，最终密度为ρt，配制钻井液需要的各种数据（见表1）。在已知量中，各处理剂配方是人为指定的，各处理剂密度可由相关手册或实验获知，钻井液的初始密度由实际测量获得，最终密度是指定的目标数值。在未知量中，除了物料体积和物料用量，还包含加重剂的配方数值。

表1 配制钻井液需要的数据

表1 配制钻井液需要的数据（续表）

1.2 加重剂配方计算公式

配制完成后，钻井液的总质量等于基浆的质量和各物料质量之和，忽略可溶性处理剂溶解前后自身体积的变化，处理剂和加重剂在钻井液中所占的体积近似等于其混合前的体积，根据质量、密度和体积之间的关系，可推导出下列计算公式。

钻井液的最终体积：

钻井液初始体积与最终体积之比：

加重剂配方（以质量浓度表示）的计算公式：

上述公式中：V0为配制钻井液的初始体积（基浆体积），cm3；Vt为配制钻井液的最终体积（总体积），cm3；ρ0为基浆的密度，g/cm3；ρt为加重后的钻井液密度，g/cm3；mi为第Ni种处理剂的质量，g；Ci为第Ni种处理剂在钻井液中的配方含量（质量浓度，%）；ρi为第Ni种处理剂的密度，g/cm3；Cw为加重剂在钻井液中的配方含量（质量浓度，%）；mw为加重剂的质量，g；ρw为加重剂的密度，g/cm3。

1.3 处理剂和加重剂用量的计算

为便于应用计算机实现智能化计算，简化计算公式，引入一个计算因子κ，其物理意义就是基浆体积与加入所有处理剂和加重剂后的钻井液最终体积之比，即：

由式（2）和式（3）式可得：

从式（5）可以看出，κ 与钻井液初始密度、最终密度和处理剂配方有关，配制规定密度的钻井液，如果钻井液配方不同，κ 的数值可能不同，但是，只要钻井液配方确定下来，κ 值就不会再变化，而成为一个常数。

配制钻井液时各物料用量的计算公式如下。

基浆体积V0为已知量时：

钻井液最终体积Vt为已知量时：

从上述表达式可以看出，基于物料体积的钻井液配制计算方法中，无论是按基浆体积还是按钻井液最终体积计算，可溶性处理剂和加重剂用量的计算公式其实是同一个公式。

2 可溶性无机盐密度的替代值（以氯化钾为例）

为简化计算公式的推导，假设处理剂溶解后的体积等于其自身体积，但是，溶解过程不是简单的混合过程，溶液的体积不等于溶剂和溶质的体积之和[1]。为起到理想的抑制效果，氯化钾钻井液需要较高浓度的氯化钾，配制钻井液时，如果用氯化钾实际密度值来计算，会产生较大的计算误差。

室内配制了不同浓度氯化钾溶液，反推氯化钾的密度替代取值。实验方法如下[2]：用量筒量取1 000 cm3水作为实验用水，按照不同配方分别称取氯化钾，取一个烧杯，用少量水将氯化钾完全溶解，然后将氯化钾溶液转移到1 000 cm3容量瓶中，加水至1 000 cm3刻度线，记录所用水的体积V水，则氯化钾在溶液中所占的体积V氯化钾=1 000-V水，用氯化钾的质量除以V氯化钾得出氯化钾的密度替代值，实验结果（见图1），虚线所标出的值是2.45 g/cm3。在空气中，氯化钾的密度为1.98 g/cm3，氯化钾在钻井液体系中的常用浓度范围为3 %～10 %，基于物料体积的钻井液配制计算方法计算氯化钾用量时，氯化钾合理的密度替代取值范围在2.40～2.50。

图1 氯化钾密度替代数值的选取

3 公式正确性的验证

基于物料体积的钻井液计算方法未见有学术报道，为判断公式是否正确，通过对比钻井液密度的理论计算值与测量值来验证。

实验室中配制不同密度的氯化钾钻井液，实验处理剂的密度值[3]（见表2），氯化钾密度替代值取2.45 g/cm3，按照不同配方计算各种处理剂的用量，称量处理剂，将处理剂和加重剂依次加入基浆中，混合均匀，搅拌30 min配成钻井液，将钻井液装入老化罐中，在120 ℃温度条件下热滚16 h，取出老化罐，冷却至室温，测量钻井液的密度值，用实际测量的密度值和计算值在同一坐标系中作曲线图，结果（见图2）。实验表明，钻井液的实际测量值与计算值相吻合，19 次实验的平均偏差为0.008。

图2 钻井液密度计算值和测量值对比曲线

表2 实验用处理剂密度值

表2 实验用处理剂密度值（续表）

4 应用效果

4.1 简化了钻井液配方计算流程，配方真实反映了钻井液中各物料的实际含量

传统计算方法用不同的体积标准计算可溶性处理剂和加重剂。计算可溶性处理剂用量以基浆体积为基准，忽略处理剂自身对钻井液体积和密度的贡献，为弥补计算方法的不足，在加完可溶性处理剂后需要测量中间浆液的体积和密度，计算加重处理剂以中间浆液的体积为基准，并在计算中要考虑加重剂对钻井液总体积的贡献。基于物料体积的钻井液配制计算作为一种新的计算方法，采用了统一的体积标准，可溶性处理剂和加重剂都以配制钻井液的总体积为基准计算，省去了配制过程的中间测量过程，这两种计算方法的配制计算流程（见图3，图4）。

可溶性处理剂和加重剂加入基浆后势必引起浆液体积的增大，传统计算方法的缺陷，导致可溶性处理剂在钻井液中的实际含量与配方存在差异，钻井液密度越高，加重剂用量越大，基浆体积和最终体积的差值就越大，以基浆体积来计算可溶性处理剂用量，处理剂在钻井液中的实际浓度就越低于配方数值。基于物料体积的钻井液配制计算方法修正了这一不足，可溶性处理剂和加重剂的配方与其在钻井液中的实际含量达到了统一，配方真实反映了钻井液中各成分的实际浓度。

4.2 实现了智能化计算，有利于系统开展室内钻井液配方研究

由图3 可以看出，传统计算方法先计算出可溶性性处理剂的用量，在可溶性处理剂混合完成前，不能准确得出加重剂的用量。

图4 表明，基于物料体积的钻井液配制计算方法通过先计算加重剂配方，再通过计算因子，能在混合处理剂前得出所有处理剂和加重剂的用量。表面看来，新计算方法公式复杂，实际上，用EXCEL 表格建立计算模板后能快速实现自动计算，新计算方法具有计算准确性高和智能计算的优点。在钻井液配方研究过程中，即使同一体系的钻井液，由于钻井液密度不同，对配制钻井液所需的膨润土、碱度调节剂、降滤失剂、流型调节剂、润滑剂和加重剂的用量都不同。应用这一新的计算方法，能够做到边设计边计算，在实验前就可设计出完整钻井液配方，有利于合理规划实验方案，系统化研究优选钻井液配方。

4.3 引入现场报表系统，精确监测钻井液循环系统液面变化

钻井过程中，在异常压力地层，或钻开油气藏后，需要时刻监测钻井液循环系统液面变化，以便尽早发现井漏、井涌等异常井下情况，及时采取应对措施，采用基于物料体积的钻井液配制计算方法，准确列出了每一种处理剂对钻井液总体积的贡献，循环加药处理钻井液过程中，便于分析循环系统液面细微的变化，提高防范井下突发情况的应变能力。在部分海外项目，如印尼JABUNG 区块，钻井液报表软件已经引入该计算方法，日报表中专列钻井液体积平衡表（Volume Balance），记录消耗处理剂的自身体积和用水量，为地质录井液面报警系统提供可靠数据。