泥浆中的固相可分为有用固相和无用固相,膨润土、加重材料及非水溶性或油溶性化学处理剂都属于有用固相,而钻屑、劣质黏土和砂粒等则属于无用固相。无用固相过多将破坏泥浆性能,给钻进带来隐患。泥浆固相控制就是在保存适量有用固相的前提下尽可能清除无用固相,是实现优化钻进的重要手段之一。有效控制固相含量可降低钻进扭矩和摩阻,减小环空抽吸压力波动,减少压差卡钻的可能性,提高钻速,延长钻头寿命,改善下套管条件,增强孔壁稳定性,降低泥浆成本。常用化学絮凝沉淀和机械清除两种方法来控制泥浆固相。
(一)化学絮凝沉淀法
在泥浆中加入化学絮凝剂,使固相絮凝胶结沉淀而去除固相。化学絮凝剂有全絮凝和选择性絮凝两种,前者是将泥浆中有用和无用固相统统絮凝掉,如未水解的PAM和明矾等都属于全絮凝剂。后者是保留泥浆中有用固相,絮凝掉岩粉等无用固相,一般水解度30%的选择絮凝剂PHP效果最佳。对金刚石地质岩心钻探而言,由于岩粉颗粒细,絮凝物呈絮状团块,密度小,沉降时间长,部分絮凝块可能又被送入孔内循环,难以完全达到清除固相的效果。所以选择性絮凝需要地表较完善的沉淀系统,辅助人工及时捞取才能提高清除固相的效果。
(二)机械清除法
机械清除泥浆固相主要设备有振动筛,旋流除砂(泥)器和离心机。根据分离颗粒的尺寸,旋流分离器又可分为除砂器、除泥器和超级旋流器三种,机械清除泥浆固相的使用范围如图5-11所示。
图5-11 泥浆固相机械分离设备的使用范围
注:图中10μm、25μm、40μm、74μm为清除固相粒径范围
固相控制处理过程是:泥浆在沉淀池初步沉淀后,送入水力旋流除砂器清除大部分粗颗粒岩屑(主要由全面钻进、扩孔钻进和井壁坍塌产生),再经离心机分离出较细的岩粉,达到二级净化的目的。经旋流除砂器和离心机处理后的泥浆继续循环使用。泥浆循环及固控系统布置如图5-12所示。安徽省地矿局313地质队施工2000m以深的钻孔均采用该泥浆循环及固控系统。
图5-12 泥浆循环及固控系统示意图
1—孔内返回泥浆;2—旋流器;3—200目振动筛;4—离心机;5—废弃物;6—进入孔内泥浆;7—沉淀池;8—泥浆池;9—补充新浆、处理剂等
泥浆固相清除控制方法及设备的选择与配置应根据钻探现场情况、孔深、孔径、钻进方法合理组合,不要盲目布置过多的固相系统造成浪费。小口径金刚石钻探因用泥浆量较少,应尽量选择体积小、功率小的固控设备。