第四章钻井液的滤失性

1、第四章钻井液的滤失性,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,（,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,2,、造壁性,：,随着钻井液在

2、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,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（,Spurt

3、Loss,）,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（,Dynamic Filtration,）,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（,Static Filtration,）,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,一、滤失量的测定,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

4、，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（,HAPI Filter Press,）,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,45.8,2,，,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,0.7 Mpa,，,7.5min,的滤失量，为什么？滤失方,程和影响因素时再

5、讲。,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,（,HTHP Filter Press,）,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，

6、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

7、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。,A,?,Pt,Q,?,K,?,L,其中：,Q,体积流量，,3,；,K,渗透率，达西,，,m,2,，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（,c

8、p,），,mPa,s,；,L,渗滤介质长度，。,Q,?,L,反之,K,?,10,-8,cm,2,=,达西（,m,2,）,A,?,Pt,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,dV,f,其中：,KA,?,p,?,dt,?,h,mc,（,1,）,f,滤失速率，,cm,3,/s,；,V,f,滤失体积，即滤失量，,cm,3,；,t,滤,dt,失时间，,s,；,h,mc,泥饼厚度，,cm,。,流体的粘度，,mPa,s,dV,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

9、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：,f,V,?,f,h,A,sm,m,sc,mc,其中：,f,sm,钻井液中的固相分数；,f,sc,泥饼中固相的体积分数,第二节,钻井液滤失量的测定及其影响因素,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：,?,?,f,h,A,?,V,?,f,h,A,sm,mc,f,sc,mc,h,?,mc,f,sm,V,f,?,f,sc,?,f,sm,?,A,?,V,f,?,f,sc,?,?,?,A,1,?,f,?,

10、?,?,sm,?,?,f,sc,?,t,?,?,A,2,K,?,p,1,代入（,1,）式得：,V,f,?,?,f,?,?,?,?,sm,?,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,把滤失面积除过来，,Vf,A,，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。,Vf,A,t,1/2,，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

11、,。,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：,?,?,V,?,2,V,?,V,?,V,?,2,V,?,V,3,0,7,.,5,sp,sp,7,.,5,sp,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

12、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,根据钻井液静滤失方程，滤失量应该与,?,f,sc,?,?,?,f,?,1,?,?,?,sm,?,成正比,也就是说：,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

13、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。,第二节,钻井液滤失量的测定及其影响因素,e.,泥饼压实性与渗透性对滤失量的影响,Q,?,L,达西定律：,K,?,A,?,P,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：,A,?,P,Q,?,K,才是本质公式。渗透率只是一个计算式。,就公式而言，渗透率

14、与渗透介质长度成正比，,?,L,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。,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

15、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

16、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

17、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

18、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