作者：美国机械工程师学会振动筛委员会
出版社：石油工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
钻井液处理手册试读：
前言
20世纪70年代早期，国际钻井承包商协会（IADC）组建了一个专门委员会，研究钻井现场的钻井液固相控制。经过10年的工作，出版了IADC《钻井液设备手册》。委员会成立之初只有6个承包商会员，完成工作时增加到27个。许多会员承包商更换雇主时保留了委员会会员资格，而且雇主也想保留资格且参与委员会活动。其他承包商听说我们的工作之后，也申请加入委员会。《钻井液设备手册》讨论了钻井液处理系统的各个部分。所有主题都在美国当地钻井承包商协会管区主办的研究会/讨论会上进行了讨论。撰写《钻井液设备手册》是一项伟大的教育工作，所涉各部分材料的讨论使得作者疲于应对。《钻井液设备手册》出版之后，委员会又组建了一个新的工作组——钻井承包商钻探仪器和测量委员会（RIM）。这个委员会主要负责出版与钻探参数测量和信息传输相关的书籍。经过几年的工作，委员会决定修订《钻井液振动筛手册》，委员会的大部分成员都参与了该书第一版的编写工作。《钻井液振动筛手册》出版时，线性振动筛还没有得到应用。新技术使得修订工作成为必要。由于未能就最终编写方法与国际钻井承包商协会达成共识，委员会与钻井承包商协会分道扬镳，然后寻找新的主办者。
选择哪个主办者的争论趋于白热化，委员会最终选择了美国钻井工程师协会（AADE）休斯敦分会作为主办方，而且当时休斯敦分会董事会也对委员会表示热烈欢迎。原委员会的许多成员仍然留在委员会继续工作，另外还补充了一些来自美国钻井工程师协会的新成员。大家汇总了有关资料，并出版了AADE《钻井液振动筛手册》。本书的基本思路重点在钻井液振动筛，钻井液处理系统的其他设备放在了次要位置。由已经出版过IADC《钻井液设备手册》的海湾出版公司出版此书，并保留了这两本书的版权。
为公平分配稿费的目的，最好委员会能衡量每位作者的相关贡献，但这是相当困难的。因此，委员会要求海湾出版公司减少一些正常稿费支付，降低出书成本。AADE《钻井液振动筛手册》找到了在技术启发性读物中的位置。海湾出版公司将它的书分类，卖给了爱思唯尔公司，现在爱思唯尔公司拥有该书的版权。《钻井液振动筛手册》出版后不久，美国石油工程协会决定修订API标准推荐操作程序13C中“固相控制”和13E中“筛布设计”。美国石油工程协会第13附属委员会要求委员会使用《钻井液振动筛手册》中讨论的相关技术修改推荐操作程序。委员会接受了这个要求。经过对一些概念和细节推敲，意识到需要添加一些技术，改进一些新方法。到撰写最终文稿时，这些工作大约花费了5年时间。
API标准推荐操作程序13C修订工作接近尾声时，由于销量减少，爱思唯尔公司要求委员会修订AADE《钻井液振动筛手册》。然而，美国钻井工程师协会休斯敦分会对技术的兴趣锐减。《钻井液振动筛手册》出版后的两年间，休斯敦分会组织和支持的技术委员会从6个缩减到1个，仅剩深水钻井组在活动。休斯敦分会执行委员会也通告我们，他们将不再主办修订工作。委员会再度陷入寻找新的主办者的困境。此时，美国机械工程师协会（ASME）石油分会热忱地接过这一接力棒。因此，《钻井液振动筛手册》是由美国机械工程师协会（ASME）石油分会作为主办方修订的。
由于拥有新的主办者，显而易见，需要将本书扩展为讨论钻井液处理的各个方面。修改API标准工作的大部分成员自愿编写这本新书，并增加了一些新章节。自AADE《钻井液振动筛手册》出版以来，许多附带技术得到了发展。委员会决定这个团队的活动和构成应与以前委员会稍有不同。许多委员一直活跃在API标准推荐操作程序13C“固相控制”的修改工作。一些委员觉得参与这两项工作心有余而力不足。《钻井液振动筛手册》每章都安排由1或2名业内著名工业专家编写，而且大多数专家乐于接受安排给他们的工作。修订了AADE《钻井液振动筛手册》许多章节，而且培养了1或2志愿者。书中某些章节完全展现的是第一次与读者见面的新内容。每一章作者或修订者写于标题之下。然而，文章中的许多内容得益于同事的评论和批评。这个委员会成员全部由作者组成。以前，委员会中的一些成员基本上是编辑。这就带来这样的问题，尽管他们为委员会成员服务，但增加文字的写作时间。本书每章安排另外三位作者进行编辑和评论。由于采用了流水作业，本书的出版比前面两版的任何一版都快很多。这种做法也带来了一些技术上的小变化。并非委员会所有成员都通读或同意各章节内容。业内专家有时不同意钻井液及其处理的各方面内容；同一问题书中各章可能会有不同的阐述。关于沉砂池的讨论就是一个很好的例子。在某些钻井环境中，委员会一些成员认为沉砂池是非常有用的，而另一些成员则有不同的看法。书中对这两种意见都进行了描述，希望尽可能多地提供一些信息，相信读者从讨论中鉴别获益。
尽管各章都保留了作者的一些个人写作风格，但努力求大同存小异。通过校对句子，使其清晰、准确，而且通俗易懂。但后一个目标有时实现起来最难。尽管有些词可能已经清楚地说明了问题，但问题本身一直被误解。书中已经尽可能地删除了不必要的字词和人称代词。许多概念也都进行了深入的讨论，并取得了一致意见。油田现场有许多错误的概念和错误行为。所有的努力都是为了和谐而准确地阐明科学问题。有些地方可能有重复信息，是因为这些基础性技术知识需要理解才能掌握这些章节。
本书的作者代表一个高级专家团，不仅拥有丰富的知识，而且非常乐意奉献大量时间与业内人士一起分享他们的知识。许多公司也参与了本书的编写工作，有些工作是作为公司的任务完成的。尽管如此，为了此书作者们还是奉献了许多周末和假期。委员会从未要求主办者给予专款。所有费用（如会议费用、手稿准备等）都是由个人和参与的公司支持的。没有因为此书接受过稿酬。由个人组成的这么一个不寻常的团队一起为委员会工作了好多年。几个最近加入的成员进一步提高了作者团队的声望。Bill Rehm 20世纪70年代早期IADC委员会成立时就加入了委员会，后由于工作调动而辞去职务。但现在又回到这个团队，他在欠平衡钻井方面技术突出，为本书添色不少。
工业委员会能够存在二三十年的很少。这个团队能够长寿的秘密之一是致力于开发有意义的、有价值的产品。另一个秘密是一直从深层次技术讨论中学习经验，人们对事实有兴趣而且心甘情愿地，在不涉及个人恩怨或门第参与讨论。自愿参与本书编写的各位作者已经为钻井液处理技术打下坚实的基础。这些技术经过多年的测试、试用、过失和讨论，已经得到了发展。这些技术历史的一些痕迹在第一章的历史回顾中可见一斑。
许多从一开始就与委员会一起工作的委员现在已经退休或离开了我们。所有作者对前辈的感激之情难以言表。这个委员会可能是最好学习经历的协会之一。向那些与我分享知识的天才和专家们表示敬意。这么多杰出人才组成的协会值得珍惜。在过去的40年，科学技术飞速发展，委员会将与时俱进，为工业发展尽微薄之力。
重修委员会主席Leon Robinson
2004年
译者的话
译者在翻译过程中尽管努力追寻原意，做到通俗易懂，但限于译者水平，错误和缺憾肯定存在。2007年底利用寒假又对校样进行逐字逐句的审校，希望尽可能减少错误、弥补遗漏，但肯定不能如原书所表达得那么深入浅出、句达意雅，只有请读者谅解并期望批评指正。
此书的价值，原书中所说的是本教育启蒙书，对从事钻井液工作的同志起到抛砖引玉的作用。但纵观整个论著，钻井液固相控制的理论、技术、设备、废弃处理及发展方向都作了比较详实的论述，因此，启蒙之说，看来是原作者这些钻井液大学者谦虚之言了。所以，此书不仅可以用于在校学生的学习，更可作为研究人员、现场工程师、设备维护技师的工作指导手册。而且，原书作者不收稿酬并利用大量的业余时间成就此书，值得我学习和效仿。学生们认为此书很实用，建议我进一步吸收，挤出时间结合我国现状补充些内容编写一本国内的《钻井液手册》，我有同感。
译者除了感谢李相方教授和方代煊外，还要感谢池丽军、崔伟香、崔小勃、丁彤伟、冯杰、冯文强、何思龙、李志勇、李中锋、刘东、刘金华、刘新光、罗坤、牛萌萌、王建华、王晓琳、王相春、叶艳、袁鸿鹄、张鹏、张立波、赵晓栋、周井红等同志对本书所做的工作，特别感谢何思龙、袁鸿鹄对我在遂宁病重期间的照顾和帮助；感谢三年来关心、支持、帮助我的家人、领导和同志们，特别是我生活和工作上的助手遂宁市政府的罗中科长和李中锋博士。当然，由于各种原因未提及的人，对我的帮助也在感谢之列。
郑力会
2008年3月8日于北京昌平作者简介
Bob Barrett
迈阿密大学农业科学学士，北肯卡基大学工商管理硕士。1997～2003年，在SWECO公司任筛网制造工程师，从事开发制造工艺和工业振动筛筛网分离技术工作。2003年后，在MI-SWECO公司任高级工程师，从事油田筛网开发。
Eugene Bouse
路易斯安那州立大学石油工程学士，从事钻井液工作40多年，过去15年主要从事固相控制工作。美国机械工程师协会钻井废料管理组前任主席，SPE会员、Mensa会员。
Brian Carr
路易斯维尔大学速度科学学院机械工程学士（门萨社团）。1993～2001年，任SWECO Emerson电子部新产品开发工程部经理，开发工业和油田用筛网以及振动分离器。2001年后，在M-I SWACO公司任振动筛、筛网、旋流除砂器和黏泥除砂器项目经理。
Bob DeWolfe
在钻井液、固相控制和炼油废物管理等能源工业中有着广泛的技术服务和操作管理经验。他曾经在欧洲、非洲、前苏联、东南亚、拉丁美洲、美国工作过，目前在中东工作。
Fred Growcock
在1999年，M-I SWACO公司产品应用小组负责人和科技与开发部顾问。目前，任美国能源部钙基钻井液项目负责人。在进入M-I SWACO公司前，曾经在Brookhaven（纽约）和Oak Ridge（田纳西）国家实验室从事煤的液化和汽化以及气体冷却气核反应堆相关问题的研究；在Dowell Schlumberger公司（Tulsa）从事过储层注水、阻止酸化腐蚀和泡沫压裂的工作；并且在Amoco（Tulsa）公司工作过；目前在BP公司从事钻井液开发工作。BA/BS文理学士，得克萨斯州大学化学农学/理学学士、新墨西哥州立大学物理化学专业硕士/博士。
Tim Harvey
毕业于俄克拉荷马州立大学和佛罗里达大学。先后在美国、中东、西非和远东从事钻井液、固相控制和钻井液废液管理30多年。参加了美国石油学会和钻井液废液管理（DWMG）工作组，现在是Kuala Lumpur国际石油工具技术服务部经理。美国石油工程师协会的会员，美国钻井工程师协会（AADE）、美国石油学会（API）、美国机械工程师协会（ASME）会员。
Jerry Haston
毕业于俄克拉荷马大学石油地质专业，从事油气勘探和开发工作40余年，大部分时间从事钻井相关工作。不仅参加国内行业范围内的作业，还参加世界其他地区的作业。现在是一个大型国际石油与天然气公司钻井作业监督。
Michael Kargl
毕业于南伊利诺伊州大学，机械工程师。自1995年，任Martin工程公司振动筛电力振动器的首席工程师。之前，作为保险商试验所实验室工程组的负责人工作了13年，主要从事设计和评审防爆电动机和发电机的测试工作。
Todd H.Lee
国际油井公司销售经理，有13年的离心泵方面的校准、培训、故障检修经验。从事离心泵的生产设计工作。
Bob Line
有30多年的油田工作经验，是表层套管顶部法兰和阀门、压力控制、海底控制、钻井工具和固相控制等领域的专家。从事机械工程设计和销售工作7年，9年前在M-I SWACO公司工作，现任全球半导体设备销售经理。休斯敦大学机械工程专业理学学士。
Hemu Mehta
KEM-TRON工艺学公司的创始人之一，现为该公司总裁。在这之前，他是M-I钻井液国际作业部经理。拥有化学工程、石油工程和国际财经的学位。由于他对化学工程和固相控制装备的精通，使得他能够帮助开发当今最先进的脱水工艺。他在印度长大，从1972年起，和妻子及两个孩子居住在得克萨斯州休斯敦市。
James Merrill
在过去的17年中，在石油业、采矿业和公共事业商务部从事振动筛和筛网设计及生产工作。从墨西哥州海岸钻井平台上的一名钻工成为一流的固相控制公司的技术主管。
Mark C.Morgan
自1994年任钻塔设备装备公司的技术服务经理。在这之前，他是NLBaroid公司的一名钻井液工程师和水上飞机飞行员。然后，在Texaco石油公司安哥拉近海从事钻井液和固相控制顾问工作近10年。路易斯安那工学院航空专业理学学士，西南路易斯安那大学石油工程理学学士。
Mike Morgenthaler
自1980年，任IMCO服务公司钻井液工程师，从事钻井液和固相控制装备工作。得克萨斯大学机械工程学士。现任CUTPOINT公司首席顾问，专门从事钻井液废液处理技术的工作。
Nace S.Peard
最初是Gulf Oil/Chevron公司钻井工程师，拥有23年的油田工作经验。曾为一个大型的有自主权的石油与天然气公司管理钻井勘探和开发的项目。自2000年初，任DF公司销售和市场部副总裁。得克萨斯的注册石油工程师，普渡大学石油工程专业学士。
William Piper
在Amoco公司工作近20年，钻井工程师和国际钻井小组环境专家。1998年退休后，组建管道咨询公司，主要从事与钻井工业有关的环境事务。他是钻井液废液管理和其他钻井方面环境问题的一流专家。已经出版大量的有关钻井环境实践方面的书籍，这些书包括一部环境分析和治理方面的百科全书。目前在ChevronTexaco/BP公司钻井培训联盟教授钻井废液处理课程，并且开发了一系列软件程序来帮助钻井工程师处理环境问题。科罗拉多州大学化学工程学士，而且活跃于SPE。
Bill Rehm
欠平衡钻井和完井顾问。做过钻井液工程师、钻井监督、直属钻井公司总裁、研究与开发部经理、钻井顾问等工作。写过50余篇关于固相控制、钻井控制、欠平衡钻井方面的文章。
Mike Richards
从1979年起做过研究与开发部经理、工程师、高级项目经理、培训协调员、技术销售等工作。当他在Brandt任研究与开发部经理时，组织计算并记录了机械搅拌器和钻井液漏斗的很多工作参数。休斯敦大学学士。
Leon Robinson
1992年从工作了39年的Exxon生产研究院退休后，在油气咨询公司教授钻井课程。克莱姆森大学的理学学士和硕士、北卡罗来纳州州立大学工程物理博士。1985年获得美国石油学会钻井工程师奖、1999年获美国钻井工程师协会贡献奖。
Wiley Steen
自20世纪60年代中期，从事国内和国外钻井及生产作业。1970—1975年，在欧洲和东南亚工作，任Halliburton公司IMCO服务部经理。1976年后，从事国内和国际自由顾问工作。美国石油工程师协会Singapore分会的四个创始人之一（任秘书），休斯敦钻井工程师协会的12个创始人之一。同时任休斯敦美国工程师协会和协会国际部主席。
Mike Stefanov
任BP公司钻井监督，主要从事国际深水钻井作业。有27年的陆上和海上孤立地区的钻井操作管理经验，从事钻井平台建设，在欧洲、远东、北美任职。他的职业生涯始于北美的Seismogrph服务公司，然后成为Amoco公司国际石油公司的钻井工程师。一生中，当过钻井队长、钻井监督、钻井主管和钻井平台经理。康涅狄格州大学机械工程学士、得克萨斯注册职业工程师。他监管过如技术限制、高温高压操作规程、国际作业操作规程、浮式钻机建设和室外装配以及深水钻进和试井操作规程。1 概述
Leon Robinson（Exxon公司退休员工）1.1 范围
本手册介绍了在钻井过程中用来控制钻井液固相含量的可行的方法和机械设备，以期望在设计及现场操作过程中起到实用、方便的作用。1.2 目的
人们常常因为没有理解钻井液固相控制的基本原则而忽视良好的固相控制设计。本手册解释了良好固相控制的基础。遵循这些简单的基本的原则，能够在经济上得到回报。
本手册是美国钻井工程师协会（AADE）《振动筛手册》的修订版，而《振动筛手册》是国际钻井承包商（IADC）《钻井液设备操作手册》的修订版。本手册的许多作者也是《振动筛手册》和《钻井液设备操作手册》的作者。这些作者任劳任怨、无私奉献、废寝忘食地撰写他们经验的同时，还把对最新技术的评价融入在书中。国际钻井承包商（IADC）《钻井液设备操作手册》花10年完成，美国钻井工程师协会（AADE）《振动筛手册》7年脱稿，本手册则用了2年成书。
这3本书的每一位作者所做的工作都是无偿的。这个团队致力于给钻井工程提供现有的最好的技术指导，为此，他们经常花费大量的时间来探讨解决一些有争议的话题。1.3 引言
认为钻屑对钻井液有利的一些言论是错误的，他没有意识到钻屑对钻井液有着现有的和潜在的危害。一般说来，钻屑使钻井液固相含量升高的现象不会很快呈现出来，其危害的产生有一定的过程，在经济方面造成的影响也就不可能很快展示给我们。所以，这些人不相信钻屑对钻井液的危害能够达到它们实际造成损害的程度。钻屑会增加钻井成本，伤害储层，加大处理钻井液的费用。因此，钻屑与以下特殊问题相互关联：（1）滤液伤害储层；（2）钻速受限；（3）井下复杂；（4）卡钻；（5）井漏；（6）钻井液直接成本；（7）处理费用增加。
钻屑的负面影响，将在本书后面的章节中有所阐述，根除这些影响的办法也将进行详细讨论，因此，本书可以用于钻井液体系设计和钻井液处理系统设计，改进现有系统，发现并修理系统故障，或者整体改进钻机操作这些方面。钻屑的危害性也是这本手册的主题。
钻屑对钻一口井的经济影响是很微妙的。钻屑含量的增加并不会马上导致钻井灾难。当钻头停止钻进而且扭矩增大时，钻井工作人员马上知道该起钻了；而岩屑量的增加，其负面影响不会马上表现出来，所以降低固相含量类似于为防止发生意外买份保险单。要保证某些事故（如卡钻）不会发生是很难的。这就像Salem沿着大街，边走边不停地打着“响指”的故事。他的朋友问：“您为什么不停地打响指呢？”Salem回答：“保证老虎不靠近我。”“可是，街上并没有老虎啊？”“哦，难道我这样做不起作用吗？”没有哪个钻井工程提倡卡钻或者进行打捞作业，但是，即使在某钻井地区使用特殊的钻机，卡钻和打捞落鱼事故也时有发生。岩屑的负面作用真实存在，认识这个事实并在地面合理处理钻屑，有助于降低钻井成本。
良好的固相清除过程从钻头开始。钻屑应该在下一次钻头切削齿破碎岩石之前从井底清除，应该将这些钻屑尽快携带至地面并尽可能的被清除。另外，钻屑在由钻头钻进产生的同时，井壁脱落的地层薄片和岩石碎块也进入了钻井液。体积较大的岩屑比体积较小的更容易从钻井液中清除。岩屑到达地面以后，必须有完善的设备处理钻井液中的固相，而且处理的程序必须正确。奇怪的是，使用钻井液这么多年，现场很少实践这些简单的设备布置原理。有的钻机，特别是用于浅海钻井的钻机，在钻井液池表面安装复杂的管汇系统，其理念是任何一个离心泵可以通过调节阀从一个部分向另一个部分泵送。这个思路是不正确的，而且对正确清除固相有害。一般地，安装复杂的程序路线用于正确清除固相过程是如此不明显，而导致所有的钻井液不能用这些设备来处理。还有，许多井场管汇系统的阀门，可能都在不知不觉中渗漏。因此，最好遵循这个准则：一泵一用途。额外增加管汇或泵，但又不用这些管汇和泵为固相清除设备平稳地加入任何东西，其行动是盲目的。本书阐述了这些设备如何工作以及应当怎样安装管汇。
钻井过程中，钻井液中的固相被地面处理系统清除掉，然后加入适当的添加剂保证钻井液达到要求的性能指标后，再泵入井内。本书在理论上和操作上对钻井液处理系统进行了描述，适用于学习钻井工程的学生和钻井操作人员阅读。
钻头钻进产生的岩屑和地层掉落的岩块（准确地称为钻屑）被钻井液携带至地面，钻井液在进入钻井液循环罐之前先通过振动筛。大部分的振动筛是用振动电机带动金属或塑料筛网工作的，它允许钻井液穿过筛网并且清除比筛网孔眼大的钻屑颗粒。通常，钻屑必须控制在某个较低的浓度以下，其中的原因在本书中有所阐述。振动筛是固相清除的第一个机械设备，也是最主要的固相清除装置，常与其他安装在下游的固控设备联合使用。
固相控制设备，也称固相清除设备，或者叫钻屑管理设备，其功能是从循环的钻井液中清除钻屑。固相控制设备包括黏土清洁器、粗网振动筛、振动筛、干燥振动筛、除砂器、沉淀池、钻井液清洁器和离心机。这些设备的组合方式不同，清除钻井液中的颗粒大小就不同。通晓操作固相控制辅助设备，如搅拌器、钻井液枪、钻井液加料漏斗、钻井液/气体分离器、脱气装置和离心泵的原理，是合理操作钻井液地面处理系统所必需的。本书将全面讨论这些设备。1.4 发展简史
在钻井工程越来越具有挑战性的同时，环境保护也已成为当今头等要事。钻井液固相控制工作已经开展多年，处理越来越贵的钻井液必须改变、改进已有的处理设备。关于这一点，对钻井行业产生最大影响的并得到认可的是，聚合物虽然昂贵，但可以配制出迄今使用效果最好的钻井液。由于聚合物钻井液要求较低的固相含量，满足其要求的高级固相清除系统因此发展起来。
19世纪中期，顿钻钻井开始使用钻井液，主要是为了使钻屑从井眼中捞出来之前悬浮于其中。这些，详见J.E.Brantley所著的《石油钻井历史》一书对顿钻钻井部分的讨论。
伴随着旋转钻井方式应用于钻水井，人们才真正认识到钻井液还可以冷却钻头，同时将钻屑悬浮并从井眼中携带至地面清除。19世纪90年代，在钻井液中加入了黏土。当时，这种做法是在一个隶属得克萨斯州靠近Beaumont城的Spindletop小山钻井时发明的，确切时间为1901年，用钻井液中的悬浮固体（黏土）来支撑井壁很有必要。随着旋转钻井方法在Spindletop小山的使用，钻屑要被循环的钻井液带到地面，只用水作为钻井液已不能满足钻井需要。采用了在钻井液中添加黏稠的土浆混合干草，循环至井底，然后将岩屑携带至地面。循环系统中的大多数固相（主要是黏土）是由钻头钻进地层时所谓的“分散”造成的。术语“分散”，用来描述钻进黏土过程中发生的现象。黏土可以使钻井液变稠，增加钻井液的黏度。而钻进有些地层时，矿物质是不分散的，但存有大小不均的岩石颗粒，通常称之为钻屑。
如果钻头穿过的地层，没有足够的黏土形成满足钻井需要的钻井液，就需要在地面向钻井液中加入黏土，这些黏土是由附近的地区开采得到的。这就是天然钻井液，由地层黏土形成，或者是前面提到的，在地面由人工加入某些特定的黏土制成。
在特定的钻井条件下，循环钻井液并加入清水以维持其最佳的密度和黏度。钻屑或者小块地层岩石——“小岩石颗粒”不能被水分散，要从钻井液中清除它们以保证继续进行钻井作业，钻井工人或者司钻根据具体情况自行挖成钻井液池、排水沟之类的设施，依靠钻屑自身的重力与钻井液分离。这些设施包括从井眼引出的沟槽或者喇叭口短节、沉降池和吸入池，钻井泵将“清洁”的钻井液从吸入池泵出来然后进行循环。
钻井液通过这些池子循环，有时被用于作为分隔物加速沉降不需要的泥砂和钻屑。通常，挖出两三个池子用沟槽或渠道连通。钻井液缓慢地流过这些土制的坑槽，较大的钻屑会沉降下来，清洁的钻井液向下一个池子流去。后来，钢槽用来作为池子之间的分隔物，这些分隔物延伸到池子的底部1～2ft，这就使得所有的钻井液流向分隔物的底部，然后向上进入沟槽，进入吸入池。在池子底部，大量的较重的岩屑颗粒由于重力作用沉淀下来。一段时间后，钻屑充满这些池子，而且，由于研磨得很细小的钻屑进入钻井液，使钻井液变得太稠以至于不能泵出。为了解决这一问题，把钻井液从沉降池泵到备用钻井液池，留出稀释空间。加水稀释钻井液，继续进行钻井作业。
20世纪20年代后期，钻井作业者开始注意其他工业怎样解决类似问题，如选矿和倒煤工厂使用固定安装在斜坡上的铁栅筛，应用转筒筛和振动筛。钻井作业者选用了后两种方法来清除钻井液中的钻屑。
转筒或者筒形筛和早期使用的高度较低的底层结构筛，被广泛应用于钻井工作中。这些装置可以接入水槽或一起并入来自井眼的钻井液的管线中，钻井液流进机器以后在流动力的作用下推动叶片转动从而使鼓形筛转动。那时候，粗筛4～10目，细筛12目。此类装置在当时十分流行，因为它不需要电源，也不会使沉降池很快地被钻屑填满。但是，转筒装置现在几乎看不到了。
振动筛或振荡机逐渐成为固相清除过程中的第一道工序。在很长一段时间里，振动筛是唯一使用的固相清除机械。早期的振动筛仅仅使用在对干燥胶体的筛选上，后来经过几次改进，形成了钻井液用的一些基本类型和几个基本尺寸。第一次改革是为地区间的运输为目的，减小设备尺寸和质量。采用钻井液振动筛这个名字是为了区别采矿用的振荡器和油井钻井使用的振荡器。这种命名法是十分必要的，因为这两种振荡器都由同一供应商提供。第一本使用钻井施工中用的钻井液振动筛这个名字的公开出版物，是1930年10月17日的石油周刊，它被描述为“用于清洁钻井液的可振动的筛子”。钻井液振动筛筛网为30目，筛网面积为4ft×5ft，由4只螺旋式弹簧支撑。
在新的ISO（国际标准化组织）标准颁布之前，筛布命名的依据是筛布开孔大小。筛布开孔大小是指每1in边长上所开孔数。大多数筛布把网眼编织成方形孔，所以这种名称是合理的。随着国际标准化组织命名法的颁布，英制单位中的英寸不再使用，需要对钻井液振动筛重新命名。除单位变化需要重新命名外，新型振动筛的复杂性，迫使命名方法必须改变。振动筛不再是很简单地用测量任何一边开口数刻度描述的产品。目前，分层放置筛布可以组合成复杂的开口样式，并用每1μm当量开口尺寸和API（美国石油学会）数（即以前的目数命名）来描述。通常认为API 20目～API 50目是粗筛布，API 150目～API 325目是细筛布。
早期的振动筛用4ft×5ft带挂钩的筛布，从一边用紧固螺栓拧紧，固定装在振动筛上。振荡器通常放在振动筛上方，强制筛布做椭圆运动，椭圆的轴指向振荡器。在进料末端的椭圆轴指向排除口末端，排出末端的轴指向进料末端，这类振动筛称为不平衡椭圆振动筛。振动筛要求筛布有一定坡度使钻屑容易从筛布上滚动下来。振动筛筛布限制在20目～30目（838～541μm）。20世纪50年代后期，这类振动筛占主导地位。即使现在，圆形运动和线性运动的振动筛仍在推广应用，厂家依旧生产现场需要的椭圆运动的钻井液振动筛。
此时，一些大石油公司的实验室开始研究油井的钻井时发现，残留在钻井液中的小岩屑或小钻屑对钻井过程非常不利。于是，1957年左右，采矿工业使用的选矿机——锥形分级机被引进到钻井工程中。这种机器与来自乳品加工业的离心式分离器结合，成为后来的水力旋流除砂器进入石油工业。根据从钻井液中首先分离出重、粗组分的基本原理，被除去的固相组分的大小及数量取决于旋转含砂钻井液作离心运动时排出口的大小或锥形的大小。离心加速器引起重颗粒向着锥形容器壁移动，较重的颗粒从锥形容器的底部排出，清洁的钻井液从锥形容器的上部流出进入钻井液循环系统。钻井液除砂器锥形容器的直径范围为6～12in，能够清除大部分30～60μm以上的颗粒。通过更抗磨蚀材料的应用和更精确的形体几何的界定，钻井液除砂器的作用得到了相当大的提升。目前，水力旋流器已经成为大多数固相分离系统中不可或缺的重要组成部分。
油田用钻井液除砂器发展以后，裸眼井壁的侧壁钻柱的粘卡与松软、虚厚的滤饼有关，得以很好的证明。1962年，在已有的钻井液除砂器上安装上4in水力旋流器清除钻井液中的固相，结果比预期好得多。更出人预料的好处是延长了钻头使用寿命，降低了钻井泵修理费用，提高了机械钻速，减少了漏失复杂，降低了钻井液成本。因为这些小尺寸的水力旋流器可以清除淤泥，淤流颗粒尺寸小至15～30μm，最终成为众所周知的除泥器。Pioneer离心公司流传着在钻井平台上使用第一台除泥器的故事（George Stonewall Ormsby的私人通信）。一台4in大小的除泥器组被安装在“鸭窝”与循环池间的狭道上（“鸭窝”是用来存储过量钻井液的土制池子，通常是备用池的一部分），这台设备从非加重的钻井液中开始清除大量钻屑才两天，钻井人员声称这台设备无法工作，请人维修。当Pio-neer公司的技术人员赶到现场后发现，从钻井液中清除出来的钻屑彻底掩埋了这台设备，而使除泥器清除出的更多的钻屑无路可走而停止工作。
这个时期，一些主要的石油公司研究表明，钻井液的黏度与小于10μm的超细胶体物质有关。大量的钻屑被研磨成较小的颗粒后，即使钻屑总体积不变，表面积也会急剧增大。这些物质“束缚”或捕集了大量的液体并且引发钻井液的黏度问题，通过加水（稀释）即可解决这一问题。离心机在多个工业领域中应用多年，但到20世纪50年代，它在钻井工程中才第一次是用来清除和废弃加重钻井液中的胶体物质。这些钻井液包含着大于10μm的钻屑和重晶石颗粒，它们回到钻井液循环系统中。
近年来，离心机已经用于清除非加重的钻井液固相。钻井液中7～10μm大小的钻屑颗粒被废弃，小于7μm的固相和化学处理剂循环回到钻井液系统中，这有利于节约高成本钻井液的液相，尽可能地减少稀释量而降低钻井液成本。尽管效益很好，但机械设备昂贵，维护保养也需要投入很大精力。
遗憾的是，许多钻井工作者不相信，利用这些设备，并合理地安装便自然而然地增加好处。这些好处直到20世纪80年代中期才大体上真正地被人们接受。对钻井现场钻井液处理系统的检查一直表明，有些人对正确地安装管汇理解得不好，或者是没有优先考虑正确安装管汇的问题。
钻井液振动筛的粗筛布使得水力旋流器经常承受因为钻井液中存留较大固相而产生的过量载荷。清除更多的中等尺寸固相颗粒导致了圆周运动钻井液振动筛的开发，此类设备使用两片筛布。“一前一后的振动筛”引进始于20世纪60年代中期。细筛布高速度振动筛发展缓慢的原因有二：一是筛布技术不足以开发高强度的振动筛，筛布寿命很短，也没有足够数量的筛布金属丝来很好地保护筛布不至于被撕裂。二是在钻井液处理设备方面，开发振动筛掩蔽罩比改造初期的筛布更需要专项技术。
一前一后两片筛布的振动筛，粗网筛布置于设备上部用来清除较大的颗粒，底部用细网筛布（细目筛布）清除小颗粒。人们研制出包括椭圆形或矩形在内的多种筛布，这些筛布可以清除较小颗粒而且钻井液容量高。筛布可以用较粗的金属丝制作，因而强度较高，分层筛布（细目筛可以很好地清除固相，而其上的粗目筛有较高的强度）得到发展。分层筛布制作容易，具备合理拉紧的足够强度以提高筛布的寿命，这使得振动筛清除大于API 80目（177μm）颗粒成为可能。
19世纪70年代，钻井液清洁器得到发展。在此期间，没有API 200目钻井液振动筛可以处理全部流量。除砂器和除泥器通常在钻井液振动筛清除固相之后使用，然而，除砂器和除泥器运用于处理加重的钻井液时，仍然会废弃大量的重晶石。API规范通常允许3%质量的重晶石大于74μm，也就是API 200目筛布。为了解决这一问题，在除砂器和除泥器的底流振动筛上安装相当于API 200目的筛布以利于回收重晶石。大多数的水力旋流器底流中的液体和大部分重晶石可通过API 200目筛，这也是石油领域第一次成功应用称得上细目筛与刚性支架结合的实例。很多钻井液清洁器有筛布清洁器或者筛布下面有滑块防止筛布盲孔，钻井液清洁器还使用了API 250目筛布用于高成本液相的非加重钻井液。
20世纪80年代采用最新发展起来的直线振动筛。直线振动是将固相从筛布清除出去的最好的输送振动，当钻井液从防溢管流经筛布时，向上振动含有固相的流体。细目筛布，如API 200目（74μm），可用在直线振动筛上，但不能用在早期任何其他类型的振动筛上。筛布技术的发展使得与分层放置相匹配成为可能，而且在某些情况下三维振动表面技术业已得到应用。
近年来，对钻井液振动筛提出挑战的是平衡椭圆运动振动筛。这种振动筛的振动与非平衡椭圆运动振动筛相似，只不过是所有振动轴指向排出端。筛布的运动与直线振动筛相似，只不过是做椭圆运动。含有固相的钻井液和直线振动筛一样，被输送到振动筛的进料端。
采用直线振动筛处理钻井液，常常平行安装几个钻井液振动筛来接受来粗筛的钻井液。因为API 200目筛布能用在最初振动筛上，所以普遍认为钻井液清洁器是多余的，而且大大减少了钻井液清洁器的使用时间。然而，利用钻井液清洁装置处理使用API 150目筛布的直线振动筛底流，表明钻井液中仍然存在一些可以被清除的钻屑。事实上，足量的钻井液通过直线钻井液振动筛会使钻井液清洁器的使用成本更低。从过去的使用情况看，除泥器较低底端排放口经常被直线振动筛的底流堵塞，这表明直线钻井液振动筛并没有清除所有的大颗粒。
出于对环境的考虑，强调流体排放最少化，从废弃钻屑中清除流体的新技术业已产生。因为钻井液只有在一个很低的剪切速率下（即使钻井液在大于15000r/min下旋转）被轻轻地倒出离心机，所以才能用离心机浓缩成絮凝和交联的固相。轻钻井液几乎是干净的水流返回钻井液，这已经变成“钻井液封闭”体系中一个重要的组成部分。事实上，零排放或减少流体排放是处理钻井液的本意。
干燥器是近来以保护环境为目的和减少液体排放的一项创新。将直线钻井液振动筛、除砂器和除泥器的废弃物转移到另一个钻井液振动筛上，这个振动筛的筛布比主振动筛更细（细至API 450目，32μm），而且通常过流面积更大。干燥器的筛布下面装有带离心泵的封闭聚水槽，聚水槽中的任何流体通过离心泵可以返回到循环系统。
这些固控系统或以上讨论的不同固控设备组合起来，满足了大多数的环境要求，保留了昂贵钻井液液相。预期效果是，减少了废弃钻屑中的液相成分，以便将废弃物用自动装卸车运走，而不被吸污车运走。
20世纪90年代，墨西哥湾采用强水敏黏土运送装置新技术。在这个设备引进之前，一些钻机将一些不锈钢杆固定在向下的斜坡上，杆间距大约2～3in。强水敏黏土，或者大的、柔软的黏性钻屑滑下这些不锈钢杆，清除出钻井液。钻井液较容易地通过钢杆间的缝隙。目前至少有两种此类产品面市，一种是链状的，另一种是连续的可渗透带状的。这些特殊的运送装置在钻井液到达振动筛之前，将强水敏黏土拖出钻井液。这种装置减少由强水敏黏土引起的筛布严重负载的问题。
钻屑清除设备的创新还会继续，然而，如果安装不正确，维护和操作程序不规范，再新奇、独特的设备也没有用。本书简要提供了钻井液固控设备实际操作指南。1.5 评论
这里需要给一句忠言。刚从事钻井工作的人，在不了解钻井工程的状态下，趋向于减少每一项开支，认为这将减少钻井费用。如果每项工作不相互依赖，减少每项工作开销将使钻井总成本最小化。例如，用钻屑加重钻井液比用重晶石便宜。但接下来发生的难以预知的问题是，处理因此而花费的所有费用会是多少。造成这种情况，是由钻屑内在的性质决定的。
减少每项费用以降低总成本有点类似一个患阑尾炎的会计师为了省钱，决定在一个便宜的旅馆租一个房间，而不去医院，然后叫来一个医生朋友在木板上进行阑尾炎切除手术。房间和木板可能很便宜，但不能得到很好的照顾所引发的其他问题而产生的全部费用会使这个决定所需费用很高。因为钻井时削减容易控制费用的失误决策，将产生额外的费用。当线性项相互独立时，每个线性项的最小化可能导致总费用最小化。当线性项相互关联时，每个线性项的最小化可能使得总费用非常高。钻井液的固相浓度和处理麻烦的费用（或非计划内费用）息息相关。
一个常见的错误通常是因对降低钻井费用的误解所致，如允许钻井液最初用钻屑来提高其密度。很明显，如果没有其他加重成分添加到钻井液中，钻井液的成本是会很低，其理论依据很容易找到。然而，钻井液中钻屑过多，清除很少，将增加额外费用。类似的许多问题将增加钻井费用，这些已在前文中进行了讨论。
另一个常犯的错误，常常出现在使用加重的钻井液时，错误地认为清除钻屑时会清除加重材料。清除加重材料（重晶石或铁矿粉）增加的费用，远不及处理钻屑引起复杂或事故所花的费用。在高成本的海上钻井环境中，认为这类观点是正确的有其特殊性。即使在成本较低的陆上钻井时，大部分的观点也倾向于宁可清除一些加重成分也不让钻井液中存在过多的钻屑。
正确地选用钻井液固相控制设备并恰当地使用，结合正确选择钻井液体系，其结果通常是钻井成本较低。对钻井液固控设备及钻井液体系的选择，取决于不同井的设计井深和钻井液密度。浅井、大直径、低钻井液密度井的钻屑容限比深井、复杂井要高。每口井必须仔细考虑与钻屑有关的风险问题，进而独立地进行评价。然而，一般情况下，钻机每年要钻成很多不同类型的井，配备好钻井液罐上的设备是明智之举，而且还可以节约投资。
与此相反，另一个常见的错误是认为清除固相，对不同钻井液体系需要不同的钻井液罐布置。遵循本书前文所述原理，其结果是建立一个适用于水基、油基、合成基钻井液体系的清除钻屑系统。无论是分散体系还是不分散体系、用不用聚合物、高密度的还是低密度的水基钻井液都可以进行固相控制。1.6 废弃物管理
聚合物钻井液、合成油基钻井液及其他使用高成本添加剂的钻井液，为使用好固控处理过程给钻井作业者提供了动力。然而，对这些高成本的钻井液体系来说，减少废弃物量，会很大程度地影响钻井成本。
大多数钻井作业者都有钻屑浓度目标。固控设备清除钻屑失败后，会使用稀释法进行固相控制，这就会产生必须作为废弃物处理的过多的流体量。如果这些过量流体必须运离现场处理，过多的流体量转变成了大量的附加费用。即使这些过量液体可以就地处理，过量的液体也会增加成本。这些内容将在关于稀释问题的第15章进行深入讨论。
少量的废弃物能明显的降低一口井的成本。减少废弃钻屑中钻井液的流失量，将降低钻井现场的清理成本。稀释法控制钻屑浓度大大提高了钻井现场产生废弃物的量，其结果是给钻井总成本增加了一笔额外的开支。2 钻井液
Tim Harvey（Oiltools公司）
Fred Growcock（M-ISWACO公司）2.1 钻井液系统2.1.1 钻井液功用
钻井液以前称为泥浆，是指能够用于钻井作业的一些流体。钻井液从地面泵入钻柱内，通过钻头，然后经环空返回地面。钻井液必须具备以下功能以满足多种需要：（1）悬浮钻屑（钻下来的固体），钻井液将井底和井眼内的钻屑携带至地面被清除；（2）控制地层压力和保持井壁稳定；（3）封堵渗透性地层；（4）冷却、润滑和支撑钻具组合；（5）为井下工具和钻头传递水动力；（6）减小储层伤害；（7）提供足够的地层评价信息；（8）防腐；（9）便于注水泥和完井作业；（10）减少对环境影响；（11）抑制气体水合物形成。
钻井液最主要的功用是，最小化钻头周围和整个井眼内的钻屑浓度。如果钻屑不能够从钻井液中清除，钻井液就很快失去清洁井眼的能力并且形成厚滤饼。为确保现场钻井液循环和重复使用钻井液，必须不断而且有效地清除钻井液中的钻屑。2.1.2 钻井液类型
依据基液和主要处理剂的不同，钻井液可以分为以下几类：（1）气体配制成的：空气、氮气钻井液；（2）水配制成的：充气—泡沫钻井液、硬胶（含微泡沫）黏土钻井液、聚合物钻井液和乳化钻井液；（3）非水配制成的：油基或合成基钻井液、全油基钻井液和逆乳化钻井液。
真正意义的泡沫钻井液在地面的含气量不小于70%（通常是N 、CO 、空气），而硬胶钻井液包括微泡沫钻井液，含气体量则22较少。微泡沫是由特别稳定的泡沫组成的，起桥堵剂和堵漏剂（LCM）作用，以减少钻井液在渗透性地层和微裂缝地层的漏失。水制成的钻井液通常称作水基钻井液（WBMs），而非水制成的钻井液（NAFs）是经常提到的油基钻井液（OBMs）或合成基钻井液（SBMs）。油基钻井液的基液是从原油中蒸馏出来的物质，包括柴油、矿物油和精炼线性石蜡（LPs）。合成基钻井液也被认为是仿油基钻井液，其基液是乙烯类产品的普通给料的反应产物，包括石蜡、酯和合成线性石蜡等。
钻井液详细分类见图2.1和图2.2和表2.1。它涵盖了目前最常用的钻井液体系以及它们的主要组成和常规性能（引自Darley&Gray）。图2.1 水基钻井液类型图2.2 逆乳化钻井液类型表2.1 钻井液体系分类2.1.3 钻井液选择
钻井液成本是整个钻井成本的重要组成部分，通常用单位进尺所需费用来表示，这其中涉及钻井过程中遇到的一些复杂事故（并且可以避免）所需的费用，比如卡钻。在许多情况下，钻井液成本也包括了固相控制、管理和废弃物处理等费用。因此，降低与固相控制、管理和废弃物处理的费用和确保钻井液发挥其基本作用同等重要（引自Young&Robinson）。需要特殊维护措施和特殊设备来控制钻井液的固相含量以及钻井液的类型，所有这些都会导致较高的钻井液成本。如果钻井液产生的废液和钻屑不能直接排放到周围环境中，而是必须运走，一般说来，也会增加钻井液的费用。
直到现在，废弃的水基钻井液不需要进行任何处理即可以直接排放到周围环境中。但配制水基钻井液的许多组分日益受到限制或禁止使用。在很多地区，政府法规中禁止使用含铬物质，如木质素磺酸铬。在不少地区，强行限制钻井液使用氯化物、硝酸盐、钾盐，或者更为普遍的做法是钻井液的总电导性。在北海，聚丙烯酰胺类聚合物（如部分水解聚丙烯酰胺（PHPA））也被严格限制。油基钻井液，特别是海上，有比水基钻井液更受限制的趋向，而且在很多地区，只有采取零排放措施（有时称作闭环系统）的油基钻井液才能使用（引自Lal&Thurber著作）。
在美国，如果合成基钻井液的毒性和生物降解性达到标准要求，而且不产生荧光，通常可以直接排放到海里。从这个角度来看，尽管合成基钻井液的直接成本一般高于油基钻井液，但其处理费用的往往较低，这样，使用合成基钻井液可比油基钻井液更经济。2.1.4 钻井液钻屑的分离
钻井液体系中存在的固相（非水溶成分），其类型和数量决定钻井液的密度、黏度、滤饼质量、滤失量及其他化学和机械性能。钻井液固相的类型和浓度影响钻井液费用和钻井成本，包括影响钻井速度、水力学、稀释效率、扭矩和拉力、激动压力和抽汲压力、压差卡钻、漏失、井眼稳定性、钻头及井下钻具组合泥包等。它们反过来又影响钻头、泵及其他机械设备的使用寿命。为了使钻井液达到期望的不同的性能，需要在钻井液中加入不溶性聚合物、黏土和加重材料。
由岩石和低造浆率黏土组成的钻屑，在钻井过程中不断地混入钻井液，钻井液中含有少量的钻屑是正常的，而且是有一定益处的。
在钻屑中与生俱来的黏土通过分散作用产生高电荷量的颗粒（小于2μm），这些颗粒能明显地引起尤其是在低剪切速率下的黏度，有助于悬浮钻井液固相。如果黏土是钠蒙皂土，固相还会形成薄泥饼，这样就会减少进入已钻地层的滤失量（液相滤失）。当钻井液中钻屑的质量百分比浓度高于一定值时，钻屑分散产生过高的钻井液低剪切速率和高剪切速率黏度，会明显地降低机械钻速，而且形成过厚滤饼。如图2.3和图2.4所示，随着钻井液密度增加（提高加重材料的浓度），即使在钻屑（低密度固相）浓度降低的情况下，高剪切速率下的黏度（用塑性黏度PV表示）也不断地增加。用亚甲蓝测试（MBT）测定钻井液中固相的表面活性，起到相对测定钻井液体系中活性黏土含量的作用。因为钻屑的成分十分复杂，这种方法不能直接地测量出钻井液中钻屑的浓度。然而，在大多数情况下可以很明显地看出，钻屑对钻井液黏度的影响远远大于重晶石对钻井液黏度的影响，而且钻屑中活性黏土的量是钻井液黏度最重要的影响因素之一。因此，当钻井液密度增大时，必须降低钻井液中膨润土含量，避免因钻井液塑性黏度过高，超过钻井泵的工作能力或者引发井壁失稳现象。图2.3 固相含量对水基钻井液密度的影响（M-ISWACO公司提供）图2.4 水基钻井液密度对可接受的黏度和膨润土含量的影响（M-ISWACO公司提供）3
如图2.4所示，钻井液密度从1.2g/cm （10lb/gal）增大到2.16g/3cm （18lb/gal），钻井液亚甲基蓝测试用量可减少一半（引自M-I LLC文献）。不同密度的钻井液采取不同的固相控制方法，以维持钻井液的钻屑在可接受的浓度范围内。对于低密度钻井液来说，只需进行稀释结合使用简单的机械分离设备即可。相反，高密度钻井液可能要求比较复杂的处理方法：（1）用化学处理剂限制钻屑分散（例如：使用页岩抑制剂或像木质素磺酸盐类的解絮凝剂）；（2）用新配制的胶液不断稀释钻井液；（3）使用更复杂的固相清除设备，如钻井液清洁器和离心机（引自Svarovsky的文献）。不管在哪种情况下，清除固相是钻井液体系控制最重要的方面之一，因为它直接关系到钻井效率的提高，也是降低钻井总成本的重要因素。图2.5是典型的钻井液循环系统，其中包括了各种各样的固相控制设备。图2.5 钻井液循环系统（M-I SWACO提供）
虽然有些时候用清水稀释钻井液是必要的，甚至是理想的，但仅仅依靠稀释手段控制钻井液中钻屑的累积，成本会较高。为降低钻井液的污染量，1bbl钻屑所需稀释的钻井液量可用下式来计算：
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]