第四章钻井液的滤失性

第四章钻井液的滤失造壁性,本章要点：1、掌握有关的基本概念；2、钻井液滤失过程、滤失方程、影响因素及其调整；3、了解钻井液滤失造壁性与钻井的关系,第四章钻井液的滤失造壁性,滤失造壁性：钻井液的滤失造壁性能主要是指钻井液滤失量的大小和所形成的泥饼的质量；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。,第一节基本概念,1、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（FiltrationLoss）或失水量(WaterLoss)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,2、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（MudCake或FilterCake），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,钻井液中粘土颗粒越多、分散越细、胶体体系越稳定（没有被盐、钙或其他因素所破坏），形成的泥饼就会薄而致密，钻井液滤失量小，而且井壁越稳定，井下复杂事故越少。如果固相颗粒分散较粗，细颗粒少，形成的泥饼就会厚而发虚，钻井液滤失量大，容易造成井壁不稳定，泥包钻头、起钻遇阻等现象。,第一节基本概念,3、钻井液滤失过程（1）、瞬时滤失（SpurtLoss）特点：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（DynamicFiltration）特点：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（StaticFiltration）特点：压差不太大，泥饼较厚，单位时间滤失量一般比动滤失量小。,第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素,钻井液滤失量的测定包括静滤失和动滤失，静滤失量的测定通常采用API测试，测试装置主要有低温低压滤失仪和高温高压滤失仪两种，高温高压滤失仪又分为42型（3.5MPa/150）和71型（180）。动滤失量的测定仪器较多，但没有统一的评价标准，钻井液滤失量的研究与测定主要为静滤失量。1、API滤失量测定仪（HAPIFilterPress）API滤失量测定仪是最常用的低温低压条件下的评价钻井液滤失量的装置，其渗滤面积为45.82，实验压差为0.69MPa（100psi），测试温度一般为室温，滤失时间30分钟，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0.7Mpa，7.5min的滤失量，为什么？滤失方程和影响因素时再讲。,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、高温高压滤失量测定仪（HTHPFilterPress）我们有时候需要了解钻井液在井下的性能，包括高温高压流变性，高温高压滤失性等。因此，我们需要测定钻井液的高温高压滤失量。测量仪器主要为高温高压滤失仪，符合API高温高压滤失量标准，国内使用的主要是模拟Baroid公司GGS-42型，实验条件为：3.5Mpa压差，温度150。测量时间30min，当然滤失面积比常温API滤失仪小一半。因此，测得的滤失量应该乘以2，才为钻井液的实际高温高压滤失量。强调一点滤纸必须符合API标准，因为滤纸的差别，滤失量差别会非常大。71型高温高压失水仪，可以做180以下钻井液滤失量，压力也可以更高一点。当温度高于204时，滤纸容易发生焦糊，一般采用金属过滤介质或与之相当的多孔过滤介质盘。3、动滤失量测定仪动滤失量的测定至今没有统一的国际标准，因此，动滤失仪也就各不相同。,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1、静滤失方程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：a.假设泥饼的渗透率应该远远小于地层渗透率；b.假设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；c.泥饼的厚度与井眼直径相比非常小；d.泥饼为平面型；e.泥饼在研究过程中厚度不变；f.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。,第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素,达西定律：在单位时间内单位压差下通过单位长度渗透介质单位截面积的流体的量。,其中：Q体积流量，3；K渗透率，达西，m2，但是达西的单位太大，一般使用毫达西，mm2；A渗透面积，2；P压差，大气压，atm；t渗滤时间，s；流体的粘度，厘泊（cp），mPas；L渗滤介质长度，。,反之,10-8cm2=达西（m2）,第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素,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：,滤失速率，cm3/s；Vf滤失体积，即滤失量，cm3；t滤失时间，s；hmc泥饼厚度，cm。流体的粘度，mPas,（1）,第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素,另外，我们认为在渗滤期间，在任何时间t内，渗滤体积Vm的钻井液中被过滤的固相体积等于沉积在泥饼上的固相体积（与动滤失的区别）：,所以：,其中：,钻井液中的固相分数；,泥饼中固相的体积分数,前面讲粘土胶体化学时，我们讲过，粘土颗粒在水中分散，表面吸附了一层水化反离子，形成了吸附溶剂化层，所以沉积过程中携带着吸附水（水化膜）一起沉积。,所以：,可以推出：,第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素,代入（1）式得：,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,滤失时间把滤失面积除过来，VfA，称为单位面积滤失量，与哪些因素有关呢？从公式可以看出，与渗透率、滤失压差、滤失时间、滤液粘度以及泥饼固相含量与钻井液固相含量的比值有关。VfAt1/2，如果不考虑钻井液的瞬时滤失量，单位面积滤失量与时间的平方根成直线关系。测定钻井液API滤失量时，应该以30min计算，但我们一般只测7.5min，然后乘以2。但实际上钻井液存在瞬时滤失，如果瞬时滤失比较大，或者确实需要准确计量的时候，可以利用滤失量与滤失时间的平方根的关系曲线来确定。瞬时滤失的计算可以根据下式：,第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素,b、滤失压差从公式可以推出，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。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。,c、滤液的粘度和温度对滤失量的影响从公式可以看出，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。滤液粘度与有机高分子处理机的加量以及钻井液的大温度有关。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。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。,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,钻井液固相含量越高，而泥饼中固相含量越小，滤失量越小。但是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。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。,成正比,根据钻井液静滤失方程，滤失量应该与,也就是说：,第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素,达西定律：,但实际上就某一均匀介质，其渗透率是一定的，变化的是流量。也就是说：,对于钻井液，往往泥饼是泥饼越厚钻井液的滤失量越大，泥饼越薄滤失量越小。主要原因是泥饼的渗透性存在差别。一般情况下（以API失水为例），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。泥饼的渗透性还受粘土颗粒直径、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。,就公式而言，渗透率与渗透介质长度成正比，,才是本质公式。渗透率只是一个计算式。,e.泥饼压实性与渗透性对滤失量的影响,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。要不我们的油从哪儿来，即使有油又怎么采出来。也正因为地层存在渗透性，钻井液才会在压差作用下向地层滤失形成泥饼。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。室内试验也是一样，你得首先给它一个渗滤介质（滤纸），它的渗透率比较小，允许液相和部分小颗粒通过，而留下大的颗粒，才能逐渐形成泥饼。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,g.絮凝与聚结对泥饼渗透率的影响钻井液的絮凝使得颗粒之间形成网架结构，钻井液中自由水增加，渗透率会有所增加，如前所讲受钙污染钻井液产生絮凝，粘度增加但失水增加。网架结构的存在，使其对滤失压差具有一定的抵抗力，絮凝程度越高，颗粒间的引力越大，其结构越强，对压差的抵抗能力越强，越不容易形成致密泥饼，泥饼的渗透率就愈大。如果钻井液不但絮凝而且伴随着聚结则泥饼的渗透率就会进一步增大。例：树脂类产品检测。三人检测一个样品4个数据各不相同。在钻井液中加入降粘剂（稀释剂），其作用产生反絮凝，或者说使絮凝颗粒分散，拆散网架结构，就会使泥饼渗透率降低。大多数降粘剂是一价盐：钠盐或铵盐，一价阳离子可以与粘土颗粒表面上的高价阳离子发生离子交换，使聚结状态转变为分散状态，从而降低泥饼渗透率。,第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素,3、动滤失a.钻井液流动的影响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，主要表现为剪切速率和钻井液流态对动滤失的影响。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，值后会逐渐变慢，到形成速度等于冲蚀速度时泥饼厚度不再增加。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。b.钻井液处理剂的影响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。4、瞬时滤失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。,第三节钻井液滤失性与钻井的关系,一、钻井液滤失量与钻井作业的关系一般说钻井液液柱压力要大于地层孔隙压力，以防止地层流体进入井眼，发生井下复杂。钻井液与地层之间存在一定压差，钻井液在压差作用下进入地层孔隙，即使有些情况下液柱压力小与地层孔隙压力，钻井液自由水相也可能由于毛细管作用，裂缝或颗粒表面进入地层（前面讲过粘土矿物的水化机理之一，毛细管作用）。钻井液滤液进入地层会产生什么样的危害呢？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；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，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。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。,第三节钻井液滤失性与钻井的关系,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；尽快在井壁形成薄而致密、渗透率小的泥饼，有利于保护井壁、避免压差卡钻。书上给出了对钻井液滤失性能的一般要求，我想这只是一个死数字，没有实际意义，在此也就不多加解释。因为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。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。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,三、钻井液滤失性能的控制与调整,研究滤失性能控制与调整之前，我们再返回去看看影响