基于物料體積的鉆井液配制計算方法

郭京華，黃桂洪

（1.中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石油大學（北京），北京 102249；3.中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院，四川廣漢 618300）

鉆井液的成分非常復雜，包括粘土礦物、無機鹽和各種化合物等，配制鉆井液時，對于可溶性處理劑用量的計算，通用的方法是忽略處理劑自身的體積，重點考慮加重劑（碳酸鈣、重晶石、鐵礦粉等）對總體積的影響。鉆井施工過程中，鉆井液各處理劑的加入量非常大，在某些異常壓力地質條件下，要時刻關注循環系統鉆井液體積的細微變化，如果忽略加入的可溶性處理劑體積，就會干擾識別井涌井漏等井下異常情況。因此，配制或處理鉆井液時有必要考慮所有物料對鉆井液總體積的貢獻，根據這一需要，本文提出了基于物料體積的鉆井液配制計算方法，在部分海外區塊得以應用，取得了很好的效果。

1 計算公式

1.1 配制鉆井液需要的數據

為計算配制鉆井液所需要的處理劑量，一種情況是指定基漿體積，也就是在已有基漿的基礎上配制鉆井液，另一種情況是指定鉆井液的最終體積，根據計算結果量取基漿。無論哪種情況，鉆井液的初始體積（基漿體積）和最終體積（總體積）中必有一個是已知量。

基于物料體積的計算方法要求所有處理劑和加重劑用量都要依據最終體積來計算，假設需要用n 種可溶性處理劑和1 種加重劑配制鉆井液，基漿體積為V0，基漿密度為ρ0，鉆井液配制完成后最終體積為Vt，最終密度為ρt，配制鉆井液需要的各種數據（見表1）。在已知量中，各處理劑配方是人為指定的，各處理劑密度可由相關手冊或實驗獲知，鉆井液的初始密度由實際測量獲得，最終密度是指定的目標數值。在未知量中，除了物料體積和物料用量，還包含加重劑的配方數值。

表1 配制鉆井液需要的數據

表1 配制鉆井液需要的數據（續表）

1.2 加重劑配方計算公式

配制完成后，鉆井液的總質量等于基漿的質量和各物料質量之和，忽略可溶性處理劑溶解前后自身體積的變化，處理劑和加重劑在鉆井液中所占的體積近似等于其混合前的體積，根據質量、密度和體積之間的關系，可推導出下列計算公式。

鉆井液的最終體積：

鉆井液初始體積與最終體積之比：

加重劑配方（以質量濃度表示）的計算公式：

上述公式中：V0為配制鉆井液的初始體積（基漿體積），cm3；Vt為配制鉆井液的最終體積（總體積），cm3；ρ0為基漿的密度，g/cm3；ρt為加重后的鉆井液密度，g/cm3；mi為第Ni種處理劑的質量，g；Ci為第Ni種處理劑在鉆井液中的配方含量（質量濃度，%）；ρi為第Ni種處理劑的密度，g/cm3；Cw為加重劑在鉆井液中的配方含量（質量濃度，%）；mw為加重劑的質量，g；ρw為加重劑的密度，g/cm3。

1.3 處理劑和加重劑用量的計算

為便于應用計算機實現智能化計算，簡化計算公式，引入一個計算因子κ，其物理意義就是基漿體積與加入所有處理劑和加重劑后的鉆井液最終體積之比，即：

由式（2）和式（3）式可得：

從式（5）可以看出，κ 與鉆井液初始密度、最終密度和處理劑配方有關，配制規定密度的鉆井液，如果鉆井液配方不同，κ 的數值可能不同，但是，只要鉆井液配方確定下來，κ 值就不會再變化，而成為一個常數。

配制鉆井液時各物料用量的計算公式如下。

基漿體積V0為已知量時：

鉆井液最終體積Vt為已知量時：

從上述表達式可以看出，基于物料體積的鉆井液配制計算方法中，無論是按基漿體積還是按鉆井液最終體積計算，可溶性處理劑和加重劑用量的計算公式其實是同一個公式。

2 可溶性無機鹽密度的替代值（以氯化鉀為例）

為簡化計算公式的推導，假設處理劑溶解后的體積等于其自身體積，但是，溶解過程不是簡單的混合過程，溶液的體積不等于溶劑和溶質的體積之和[1]。為起到理想的抑制效果，氯化鉀鉆井液需要較高濃度的氯化鉀，配制鉆井液時，如果用氯化鉀實際密度值來計算，會產生較大的計算誤差。

室內配制了不同濃度氯化鉀溶液，反推氯化鉀的密度替代取值。實驗方法如下[2]：用量筒量取1 000 cm3水作為實驗用水，按照不同配方分別稱取氯化鉀，取一個燒杯，用少量水將氯化鉀完全溶解，然后將氯化鉀溶液轉移到1 000 cm3容量瓶中，加水至1 000 cm3刻度線，記錄所用水的體積V水，則氯化鉀在溶液中所占的體積V氯化鉀=1 000-V水，用氯化鉀的質量除以V氯化鉀得出氯化鉀的密度替代值，實驗結果（見圖1），虛線所標出的值是2.45 g/cm3。在空氣中，氯化鉀的密度為1.98 g/cm3，氯化鉀在鉆井液體系中的常用濃度范圍為3 %～10 %，基于物料體積的鉆井液配制計算方法計算氯化鉀用量時，氯化鉀合理的密度替代取值范圍在2.40～2.50。

圖1 氯化鉀密度替代數值的選取

3 公式正確性的驗證

基于物料體積的鉆井液計算方法未見有學術報道，為判斷公式是否正確，通過對比鉆井液密度的理論計算值與測量值來驗證。

實驗室中配制不同密度的氯化鉀鉆井液，實驗處理劑的密度值[3]（見表2），氯化鉀密度替代值取2.45 g/cm3，按照不同配方計算各種處理劑的用量，稱量處理劑，將處理劑和加重劑依次加入基漿中，混合均勻，攪拌30 min配成鉆井液，將鉆井液裝入老化罐中，在120 ℃溫度條件下熱滾16 h，取出老化罐，冷卻至室溫，測量鉆井液的密度值，用實際測量的密度值和計算值在同一坐標系中作曲線圖，結果（見圖2）。實驗表明，鉆井液的實際測量值與計算值相吻合，19 次實驗的平均偏差為0.008。

圖2 鉆井液密度計算值和測量值對比曲線

表2 實驗用處理劑密度值

表2 實驗用處理劑密度值（續表）

4 應用效果

4.1 簡化了鉆井液配方計算流程，配方真實反映了鉆井液中各物料的實際含量

傳統計算方法用不同的體積標準計算可溶性處理劑和加重劑。計算可溶性處理劑用量以基漿體積為基準，忽略處理劑自身對鉆井液體積和密度的貢獻，為彌補計算方法的不足，在加完可溶性處理劑后需要測量中間漿液的體積和密度，計算加重處理劑以中間漿液的體積為基準，并在計算中要考慮加重劑對鉆井液總體積的貢獻。基于物料體積的鉆井液配制計算作為一種新的計算方法，采用了統一的體積標準，可溶性處理劑和加重劑都以配制鉆井液的總體積為基準計算，省去了配制過程的中間測量過程，這兩種計算方法的配制計算流程（見圖3，圖4）。

可溶性處理劑和加重劑加入基漿后勢必引起漿液體積的增大，傳統計算方法的缺陷，導致可溶性處理劑在鉆井液中的實際含量與配方存在差異，鉆井液密度越高，加重劑用量越大，基漿體積和最終體積的差值就越大，以基漿體積來計算可溶性處理劑用量，處理劑在鉆井液中的實際濃度就越低于配方數值。基于物料體積的鉆井液配制計算方法修正了這一不足，可溶性處理劑和加重劑的配方與其在鉆井液中的實際含量達到了統一，配方真實反映了鉆井液中各成分的實際濃度。

4.2 實現了智能化計算，有利于系統開展室內鉆井液配方研究

由圖3 可以看出，傳統計算方法先計算出可溶性性處理劑的用量，在可溶性處理劑混合完成前，不能準確得出加重劑的用量。

圖4 表明，基于物料體積的鉆井液配制計算方法通過先計算加重劑配方，再通過計算因子，能在混合處理劑前得出所有處理劑和加重劑的用量。表面看來，新計算方法公式復雜，實際上，用EXCEL 表格建立計算模板后能快速實現自動計算，新計算方法具有計算準確性高和智能計算的優點。在鉆井液配方研究過程中，即使同一體系的鉆井液，由于鉆井液密度不同，對配制鉆井液所需的膨潤土、堿度調節劑、降濾失劑、流型調節劑、潤滑劑和加重劑的用量都不同。應用這一新的計算方法，能夠做到邊設計邊計算，在實驗前就可設計出完整鉆井液配方，有利于合理規劃實驗方案，系統化研究優選鉆井液配方。

4.3 引入現場報表系統，精確監測鉆井液循環系統液面變化

鉆井過程中，在異常壓力地層，或鉆開油氣藏后，需要時刻監測鉆井液循環系統液面變化，以便盡早發現井漏、井涌等異常井下情況，及時采取應對措施，采用基于物料體積的鉆井液配制計算方法，準確列出了每一種處理劑對鉆井液總體積的貢獻，循環加藥處理鉆井液過程中，便于分析循環系統液面細微的變化，提高防范井下突發情況的應變能力。在部分海外項目，如印尼JABUNG 區塊，鉆井液報表軟件已經引入該計算方法，日報表中專列鉆井液體積平衡表（Volume Balance），記錄消耗處理劑的自身體積和用水量，為地質錄井液面報警系統提供可靠數據。

圖3 傳統鉆井液配制計算流程圖

圖4 基于物料體積的鉆井液配制計算流程圖

5 結論

（1）傳統計算方法的缺陷，導致鉆井液中處理劑的實際含量與配方數值存在差異，基于物料體積的鉆井液配制計算方法修正了這一不足，計算過程中考慮了每一種處理劑對總體積的貢獻，鉆井液中處理劑的實際含量與其配方數值保持一致。

（2）基于物料體積的鉆井液配制計算方法，具有計算準確性高和能夠實現智能計算的特點，有利于建立鉆井液配方實驗模板，系統化研究鉆井液配方。

（3）現場鉆井施工過程中，應用基于物料體積的鉆井液配制計算方法，能夠為監控循環系統罐面體積變化提供可靠數據，有利于定量分析循環系統體積變化的原因，提高了防范井漏、井涌等井下異常情況的應變能力。

［1］ 嚴宣申.溶解過程的體積效應［J］.化學教育，2007，28（5）：60.

［2］ 馮成武，白桂蓉，胡幼梅.分析化學實驗［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，1993：37-38.

［3］ Handbook of Drilling fluids MI［M］.Revision N0：A-0，1998：95.