钻井液滤失造壁性及润滑性

第四章 钻井液的滤失造壁和润滑性能
The Filtration Properties of Drilling Fluids
本章要求：
1. 静滤失方程
3. 影响滤失的因素
4. 钻井液润滑性及其评价
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一、滤失造壁性的基本概念 1. 水基钻井液中的水
水基钻井液组成： 固相+水+处理剂
钻井液中的水由三部分组成： 结晶水（化学结合水） —— 粘土矿物晶体构造的组成部分。 吸附水（束缚水） —— 由固相颗粒分子间力吸附的水化膜。 自由水 —— 钻井液中自由移动的水，分散介质。
4)润滑剂
多级复配优于单剂 5)滤失性、岩石条件、地下水和滤液PH值的影响
—— 室内：指定静态条件下，静失水仪器测得的失水。
特点：
失水速率小、失水量较小。
泥饼厚（无冲蚀作用）。 · 同时向井壁井底失水，以井壁为主。 · 泥饼在动失水的基础上随时间增长而增厚。 · 失水速度随静止时间的增长而减少。 · 静失水量<动失水量
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二、失水造壁性与钻井的关系
1. 失水量过大 两个害处： 导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。 油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降， 从而损害油气层。 2.泥饼过厚 两个害处： 井径缩小 —— 易引起起下钻遇阻遇卡。 泥饼粘附卡钻。 3.现场要求 泥 饼 —— 薄、密、韧。 失水量 —— 适当（并非越小越好）。 对于一般地层：API失水：10 15 ml/ 30 min； 对于水敏地层：API失水 < 5 ml/30 min。
(1)
式中， vf ——滤失量，cm3； k —— 泥饼渗透率，darcy; —— 滤液粘度，mPa.s；
1 A —— 滤失面积，cm2。
t ——滤失时间，s； P ——滤失压力,kg/cm2; h ——泥饼厚度，cm；
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如果一定体积的钻井液Vm全部滤失完，则在Vm当中，有Vf 的滤液体积从Vm中挤压出去，剩下Vc的泥饼体积挤不出去，于 是可以得到： Vm = Vf + Vc = Ah + Vf Vc / Vf = R = 常数

( a) K 与 vf 的关系式
h
Vf Vf Cc C A( c A(1) 1) C m Cm
h V h Vf Vc
得到：
f Vf k h 2APt c2A 2 pt Vf V k 2 APt 2 A 2 pt
（1）
式中单位：
h —— cm； Vf —— cm3 ； —— mPa.s ； t —— s ； P —— kg/cm2 ； A —— cm2 ； Vc ——泥饼体积 cm3 ； k —— darcy (1d =103 md )；
Vf h Cc A( 1) Cm
影响规律： a. Vf ↓ → h ↓ 。 b. 当钻井液固含 Cm ≈ Cc ，h ↑ ↑ 。
C.当固含Cm一定时，孔隙度 ↑→泥饼疏松 → h ↑ 。
实验发现：
固相粒度分布越宽 → ↓ → h ↓ ； 小粒子越多 → ↓ → h ↓ 。
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泥饼薄、密、韧条件： Cc 低 （土的膨胀性好）
粒度分布宽
细小粒子多
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Permeability of the Filter Cake
由：
Vf 与 k 的关系 Relationship Between The
Cc C) 1 C mPt( c 1) 2k Vf A Cm Vf A 2k Pt(
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动失水 Dynamic Filtration —— 钻井液循环时的失水量。
特点：泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。
失水速率大、失水量大。 向井壁失水 失水速度由大到小逐渐恒定（高渗透率 低渗透率 = C） 存在于整个循环过程中，时间长，累积失 水量大。
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静失水 Static Filtration —— 井下：钻井液停止循环后的失水。
粘土聚结和絮凝状态改变 → k ↑ → Vf ↑ ；
粘土去水化，吸附水↓ →自由水↑ → Vf ↑ 。
降失水剂要降解，若超过处理剂的抗温能力，失水量急剧增加。
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Vf 与固相含量及类型的关系
Vf (Cc/Cm -1)1/2 显然，若要降低失水量Vf ，可以采取的方法为：
提高钻井液中的固相含量Cm .
五宽： 井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。
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三、钻井液的静失水
1. 静失水方程
Static Filtration
假设条件： 泥饼厚度 h << 井眼直径； 滤失过程为线性关系 —— K = C；
滤失为恒温恒压过程。
静失水方程推导： 利用达西渗滤公式：
dv f k AP dt h
（5）
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( b) K的影响因素
粒度和粒度分布对k 的影响
规律： 细粒子越多，平均粒径越小，k 越小； 粒度分布 越宽，k 越小。
胶体粒子浓度（含量）对k 的影响
规律： k完全取决于钻井液中胶体粒子（ d <10 的比例和含量。
-5
m）
某种钻井液中如果胶粒浓度高,k = (0.31-1.5)10 如果胶粒浓度趋于零,k （高得不能测定）
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向井壁的失水有害 ①易造成井塌和缩径、阻、卡 ②易损害油气层：阻、堵、水锁、沉淀 向井底的失水有利 ①降低井底岩石强度，增加可钻性， 有利钻速提高。 ②消除压持效应，避免重复切削，有利 钻速提高。 显然：瞬失失水越大，钻速越高。
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4. 控制失水量原则：五严五宽
五严：
井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段。
-3
md，Байду номын сангаас
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四、钻井液润滑性
超深井、水平井、大位移井等的关键技术
• 降低摩阻扭矩的技术
钻柱的旋转阻力和提拉阻力会大幅度提高
影响钻井扭矩和阻力以及钻具磨损的主要可调节因素是钻井液的润滑
性能，因此钻井液的润滑性能对减少卡钻等井下复杂情况，保证安全、
快速钻进起着至关重要的作用。
• 井壁稳定技术 • 井眼净化技术
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将上式（1）换为现场通用单位： 代入： k (d ) → 103 k( md )； t (s ) → 60t (min )。得到：
Vf Vc 103 25 Vf Vc k 2 60 3 2A pt 2A 2 pt
再代入： h = Vc /A
（2）
（3） 最后代入测定静失水的API标准条件： A = 45 cm2 ；P = 6.8 kg/cm2 ；t = 30 min。 由（2）式得计算渗透率k 的公式： k = 1.01 10 -5 Vf Vc （4） 由（3）式得计算 k 的公式： k = 9.08 10 -4 Vf h
and Filtrate Volume
由静失水方程可知： Vf -1/2 ； 而： 1/ 温度T
所以： 影响规律：
Vf = f (T)
T↑→ ↓→ Vf ↑
例如：用纯水配制的钻井液，在20 0C与100 0C比较。
Vf 100 Vf 20
T ↑ T ↑
20 100
1.005 mPa .s 1.88 0.284 mPa .s
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3.井下失水过程
累计失水量
h=0 h h=c h h h=c
V静 V动 V瞬 To T1 T2 T3 T4 T5 T6
时间
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4
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瞬时失水 Spurt Loss
—— 钻井液泥饼尚未完全形成之前很短时间内的
失水。
特点： 时间短（t < 2秒)；比例小。
主要是向井底失水。 时间短而量大，伴有少量泥浆渗失。
h Vf Cc A( 1) Cm
将（6）式代入达西公式（1）中，并积分得：(7)
2k Pt( Vf A
1 2 k PA2 t Vf 2 R
Cc 1) Cm
比较（7）式与（5）式，可以看到：
Vf2 2k Pt Vf . Vc
Cc /Cm-1 = Vf /Vc
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2. 影响静失水的因素
Vf 与t的关系 Relationship Between Filtration and Time
Vf A C t 2k P( C Cc 1) Cm t
在直角坐标上任取两点，可以得到：
Vf 2 Vf 1 Vf 2 t2 t1 t2 Vf 1 t1
该式实际上表明了任意时刻失水量之间的关系 如果：t1 =7.5分钟；t2 =30分钟；则：
dv f kAP dt h
(2) (3)
将（2）、（3）式代入达西公式（1）中，得到(4) ：
1 2 k PA2 t Vf 对（4）式两边积分，得(5) ： 2 R 2k Pt Vf . Vc
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dVf kPA2 dt RVf
V
2 f
根据假设可知，泥饼中干固体体积等于泥饼体积与泥饼中固相体 积分数的乘积。即： Vc = h A Cc 钻井液中固相体积百分数为：Cm = Vc /Vf= h A Cc/ (hA+Vf) 联立解以上两式，得： (6)
Vf 与t的关系
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Vf与P的关系 Relationship Between Pressure and
Filtration Volume
理论上： LgVf = 1/2 LgP +1/2 LgC 即： Vf P1/2 条件：k = 常数。 原因：k ≠ 常数。 实际上： Vf Px 指数 x 的实质：