《钻井液的滤失性》PPT课件.ppt

第四章 钻井液的滤失性 l掌握有关的基本概念； l钻井液滤失过程、滤失方程、影响因素 及其调整； l了解钻井液滤失造壁性与钻井的关系。 钻井液的滤失造壁性 l滤失（失水）造壁性的含义：主要是指钻井液滤 失量的大小和所形成泥饼的质量； l与钻井液滤失造壁性有关的钻井问题： （1）井下事故的发生 ； （2）井壁稳定； （3）提高钻井速度； （4）保持井眼规则和保证井下安全。 钻井液的滤失造壁性 钻井液的滤失造壁性 l1、滤失：在压力差的作用下，钻井液中的自由水向井壁 岩石的孔隙或缝隙中渗透的现象，称为钻井液的滤失作 用。通常我们用滤失量（Filtration Loss）或失水量 (Water Loss)来表示滤失性的强弱。 两个基本条件：存在压差和存在孔隙或裂缝。 第一节 基本概念 l2、造壁性：随着钻井液在井壁的滤失，自由水进入地 层，钻井液中的固相颗粒（包括钻井液添加剂分子或 颗粒、钻屑的细分散颗粒等）便附着在井壁上形成泥 饼（Mud Cake或Filter Cake），也可以进入地层一定 深度，即钻井液的造壁性。 第一节 基本概念 u在渗透性大的砂岩、砾岩、裂 缝发育的灰岩井壁会形成较厚的 泥饼； u而在渗透性小的页岩、泥岩、 石灰岩和其它致密岩石的井壁上 只会形成较薄的泥饼，甚至不形 成泥饼。 第一节 基本概念 （1）瞬时滤失（Spurt Loss） u没有泥饼，滤失速率很大，滤失时间很短，滤失量不大。 （2）动滤失（Dynamic Filtration） u压差大，等于静液柱压力加上环空压力降和地层压力之差， 泥饼厚度维持不变，且较薄，单位时间的滤失量开始较大，随 后逐渐减小，最后稳定在某一固定值。 （3）静滤失（Static Filtration） u压差不太大，泥饼较厚，单位时间滤失量一般比动滤失量小 。 第一节 基本概念 3、钻井液滤失过程 u钻钻井液滤滤失量的测测定包括静滤失和动滤失。 u静滤滤失量的测测定通常采用API标标准进进行测试测试 ，测试测试 装置 主要有滤失仪和高温高压滤失仪两种； u高温高压滤压滤 失仪仪又分为为42型（3.5MPa/ 150）和71型（ 180）。动滤动滤 失量的测测定仪仪器较较多，但没有统统一的评评价标标 准，钻钻井液滤滤失量的研究与测测定主要为为静滤失量。 一、滤失量的测定 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 API滤失量测定仪是最常用的评价钻井液滤失量的 装置，其实验压差为0.69MPa（100psi），测试温度一般为 室温，滤失时间30min，滤失材料为符合标准的直径为 90mm的滤纸。但是室内试验往往测定0.69 MPa，7.5min 的滤失量。 一、滤失量的测定 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 1、API滤滤失量测测定仪仪（API Filter Press） 一、滤失量的测定 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 u国内使用的主要是模拟拟Baroid公司GGS-42型 ，实验实验 条件为为：3.5MPa压压差，温度150。 u测测量时间时间 30min，其滤滤失面积积比常温API滤滤失 仪仪小一半。因此，测测得的滤滤失量应该应该 乘以2，才 为钻为钻 井液的实际实际 高温高压滤压滤 失量。 一、滤失量的测定 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 2、高温高压滤压滤 失量测测定仪仪（HTHP Filter Press ） 一、滤失量的测定 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 l被普遍接受使用的动态滤失仪器有 170-50型动态滤失仪和范-90动态滤失 装置。 l前者是利用转动的叶片来使钻井液 流动，渗滤介质为滤片; l后者则使用泵使钻井液循环流动， 过滤介质为陶瓷滤芯，可用于测量模 拟钻井条件下，当滤饼被冲蚀速度与 沉积速度相等时的动态滤失量。 HDF-1型高温高压动态滤失仪 一、滤失量的测定 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 3、动滤动滤 失量测测定仪仪 静滤失量的特点是钻井液处于静止状态，在压差作用下形 成泥饼，且泥饼厚度随滤失时间延长而增厚，是一个变量。 为了研究钻井液的滤失规律，首先我们需要作以下假设： u泥饼的渗透率应该远远小于地层渗透率； u钻井液的滤失规律与流体在地层中的渗透规律类似，应该 遵守达西渗透定律； 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 1、静滤滤失方程 u泥饼的厚度与井眼直径相比非常小； u泥饼为平面型； u泥饼在研究过程中厚度不变； u泥饼不可压缩，因此泥饼的渗透率为定值，在研究过程中 不变。 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 1、静滤滤失方程 更正！ 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 u在这些假设的基础上，根据达西渗透定律，可以推导出泥饼 的滤失速率方程： 其中： dVf/dt滤失速率，cm3/s；K泥饼渗透率，m2；Vf滤失体积， 即滤失量，cm3；A-渗透面积，cm2; P-渗滤压力，105Pa；t滤失 时间，s；hmc泥饼厚度，cm。滤液的粘度， 0.1mPas 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 u 另外，我们认为们认为 在渗滤滤期间间，在任何时间时间 t 内，渗滤滤体积积 Vm的钻钻井液中被过滤过滤 的固相体积等于沉积积在泥饼饼上的固相体 积积（与动滤动滤 失的区别别）： 所以： 其中： 钻钻井液中的固相体积积分数； 泥饼中固相的体积分数。 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 （1） 所以： 可以推出： 代入（1）式，有 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 2、影响钻井液滤失量的因素 a.滤失时间 uVfAt1/2，如果不考虑钻井液的瞬时滤失量，单单位 面积滤积滤 失量与时间时间 的平方根成直线线关系。 测测定钻钻井液 API滤滤失量时时，应该应该 以30min计计算，但我们们一般通常只 测测7.5min，然后乘以2。 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 u但钻钻井液实验结实验结 果表明，绘绘出的直线线并不通过过原点， 而相交于纵轴纵轴 上某一点，形成一定的截距。从下图图可以 看出，在泥饼饼形成之前，存在一瞬时滤时滤 失量Vsp。如果瞬 时滤时滤 失量大到可以测测量的话话，就应应根据下式确定API标标 准滤滤失量。 V30=2(V7.5-Vsp)+Vsp 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 l最好作一如下图所示的滤失 量和滤失时间平方根关系的 曲线，用线上的两个点外推 出更长时间的滤失量并确定 瞬时滤失量。 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 计算实例 l使用API滤滤失量测测定仪测仪测 得2min滤滤失量为为5.5m1，7.5min 滤滤失量为为9.0ml，试计试计 算这这种钻钻井液的瞬时滤时滤 失量和API 滤滤失量。 瞬时滤时滤 失量和API滤滤失量的求解 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 b、滤失压差 u从公式可以推出，钻井液的滤失量与 滤失压差的平方根成正比，即如果泥饼 不可压缩，压差增大，滤失量增加。 u但是泥饼具有压缩性，渗透率降低， 所以滤失压差对钻井液滤失量的影响是 一分为二的，具体哪个因素对钻井液的 滤失量影响更大一些，要看具体情况， 主要是钻井液性质、泥饼的可压缩性。 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 lc、滤滤液的粘度和温度 l 从公式可以看出，滤失量与滤液粘度的平方根成反比，即 随着钻井液粘度的增加滤失量降低。 l滤液粘度与有机高分子处理剂的加量以及钻井液的温度有 关。 l一般情况下，流体的粘度随着高分子加量的增大而升高， 随温度的增加而降低。 l对于相同温度下的钻井液我们可以通过提高钻井液粘度的 方法降低滤失量。 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 d、固相含量和类型的影响 u钻井液固相含量越高，而泥饼中固相含量越小，滤失量越 小。 u我们知道钻井液的固相含量会严重影响钻速，固相含量越 高钻速越低，因此，钻井液的固相含量不能够提得很高，我 们只能从泥饼着手，减小泥饼固相含量。 成正比根据钻井液静滤失方程，滤失量应该与 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 l减小泥饼固相含量的方法： 一是采用优质膨润土配浆，优质膨润土分散性好、固相 颗粒细、水化好、水化膜厚，所以形成的泥饼固相含量 分数低。 二是加入有机高分子处理剂，可以吸附在粘土颗粒表面 ，有效降低泥饼固相含量。 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 u 对对于钻钻井液，往往泥饼饼是泥饼饼越厚钻钻井液的滤滤失量越大 ，泥饼饼越薄滤滤失量越小。主要原因是泥饼饼的渗透性存在差别别 。 u一般情况下（以API失水为为例），泥饼越薄说明泥饼的压实 程度比较大，比较致密，渗透性差，所以滤失量小。 u 渗滤压滤压 差影响着泥饼饼的压实压实 性，高压差有利于泥饼的压 实。有的资资料指出，泥饼饼的压缩压缩 系数一般为为0.80-0.87；而 加重钻钻井液泥饼饼的压缩压缩 系数只有0.32-0.69。 e. 泥饼压实性与渗透性对滤失量的影响 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 l实验结果表明，一般钻井液的泥饼渗透率为10-5 m2 ；未 处理的淡水钻井液的泥饼渗透率为10-6 m2 ：用分散性处 理剂处理的钻井液，泥饼的渗透率为10-7 m2级。一般情 况下，泥饼的渗透率均至少比地层渗透率小个数量级。 l泥饼的渗透性受粘土颗粒直径、处理剂种类、性能等因素 有关。粘土颗粒细泥饼的孔隙小且少，泥饼比较致密，降 滤失剂的存在也会通过不同的方式影响滤失量，化学吸附 、物理封堵等等，使渗透率降低。 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 u 在推导钻井液静滤失量公式时我们曾经假设，泥饼的渗透率 远远小于地层渗透率，不考虑地层渗透率对钻井液静滤失的影 响。实际上地层存在大量的孔隙和裂缝，具有一定渗透性。 u在泥饼尚未形成之前，地层是泥浆滤失的第一渗透介质，所 以地层渗透性大小决定了钻井液瞬时滤失量的大小。泥饼形成 之后，才逐渐对滤失起主要作用，地层成为第二滤失介质。 u如果地层渗透率很大或者有裂缝存在，甚至会发生漏失，钻 井液固相颗粒太小，不能够堵塞或架桥在井壁处形成泥饼，此 时的滤失量就非常大了。 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 f、地层渗透率对钻井液滤失量的影响 二、钻井液静滤失量的影响因素 l 在滤失过程中，钻井液中的固体 颗粒在井壁岩层中的堆积一般形成 三个过滤层， 瞬时滤失渗入层(Zone Invaded by the Mud Spurt)，瞬时滤失时细颗 粒渗入深度可达2530 mm； 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 架桥层(Bridging Zone)，较粗的颗粒在岩层孔隙内部架 桥而减小岩层的孔隙度，或称为内泥饼(Internal Filter Cake)； 井壁表面形成具有一定渗透性的外泥饼( External Filter Cake)。 二、钻井液静滤失量的影响因素 a. 钻井液流动的影响 l钻井液在循环流动过程中的滤失过程称为动滤失。影响动 滤失的因素与静滤失相似，时间、压差、粘土类型、处理 剂等，除此之外还受钻井液流动的影响。动滤失过程中， 泥饼受钻井液流动的影响，泥饼的厚度受到限制，刚开始 ，厚度增加较快，之后会逐渐变慢，到形成速度等于冲蚀 速度时泥饼厚度不再增加。 l钻井液流态不同对井壁的冲刷能力不同，紊流的冲刷力最 强，泥饼最薄，平板型层流泥饼厚度居中。尖峰型层流泥 饼最厚。 3、动滤失 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 二、钻井液静滤失量的影响因素 b. 钻井液处理剂的影响 l钻井液处理剂对动滤失量的影响规律与静滤失影响规律 不同，这可能与处理剂在泥饼中作用有关，对泥饼剪切 强度增加较大的降滤失效果较好，泥饼剪切强度增加较 小的处理剂，降低滤失量效果也较差。 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 二、钻井液静滤失量的影响因素 4、瞬时滤失 l一般说瞬时滤失时间很短，滤失量很小，在总滤失量当 中所占比例较小。 l对于固相含量低、分散和水化很好的不分散低固相钻井 液、瞬时滤失占的比例则较大。对于相同的钻井液，如 果渗滤介质不同，其瞬时滤失量也是不同的。下表所示 的实验结果很好地说明了这一问题。 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 二、钻井液静滤失量的影响因素 第二节 钻井液滤失量的测定 及其影响因素 二、钻井液静滤失量的影响因素 u对于裂缝性地层、硬脆性地层、活性泥页岩地层等会引起 地层粘土矿物水化膨胀分散、剥落掉块等井壁不稳定现象； u如果是油气层，滤液侵入会引起储层粘土矿物膨胀，减小 油气流动通道，降低油气层渗透率； u钻井液固相的侵入会堵塞储层孔隙，降低储层渗透率，总 之都会造成油气层损害，降低油气层产能，造成能源的巨大 浪费。 一、钻井液滤失量与钻井作业的关系 第三节 钻井液滤失性与钻井的关系 l鉴于以上原因，我们希望钻井液滤失量越小越好。由于要 考虑钻井液的流动性、成本等因素，钻井液的滤失量不可 能很小。只能根据具体情况，井深、岩层渗透性、井身结 构等具体考虑。 一、钻井液滤失量与钻井作业的关系 第三节 钻井液滤失性与钻井的关系 u 在实际钻进过程中，钻井液的滤失量是不断变化的，总 的原则是：浅层可以稍大，深层必须减小；非储层可以稍大 ，储层必须减小； u 对于大斜度井、大位移井、水平井等特殊工艺井，不仅 要求钻井液滤失量低，还要求泥饼具有良好的润滑性，防止 粘附卡钻、键槽卡钻等。 二、地层对钻井液滤失性能的要求 第三节 钻井液滤失性与钻井的关系 l另外，适当的滤失量对提高机械钻速是有利的，瞬时滤 失量较大时，钻头下面的已经被钻头破碎的岩石在各个 方向上的压力能够迅速达到平衡，使岩屑能及时离开井 底，减轻压持效应，提高钻头的破岩效率。 二、地层对钻井液滤失性能的要求 第三节 钻井液滤失性与钻井的关系 对钻井液滤失性能的一般要求 l在钻开油气层时，应尽力控制滤失量，以减轻对油气层的损 害。一般情况下，此时的API滤失量应小于5m1，模拟井底温 度的HTHP滤失量应小于15ml。 l钻遇易坍塌地层时，滤失量需严格控制，API滤失量最好不 大于5ml。 二、地层对钻井液滤失性能的要求 第三节 钻井液滤失性与钻井的关系 l对一般地层，API滤失量应尽量控制在10ml以内， HTHP滤失量不应超过20ml。 l注：钻井液滤失量的大小与钻井液选型、地层渗透率 、钻井液成本有关，不能一切照搬上述指标。 二、地层对钻井液滤失性能的要求 第三节 钻井液滤失性与钻井的关系 u 研究滤失性能控制与调整之前，我们再返回去看看影