第四章--钻井液滤失造壁

1、第四章 钻井液滤失造壁性与润滑性,钻井液工艺原理 讲义,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。 与钻井液滤失有关的钻井问题： 1、井壁稳定 2、油气层保护 3、钻井速度 4、井下安全,第一节 基本概念,一、滤失：在压差作用下，钻井液中的自由水向井壁裂缝或孔隙渗透的现象。 二、造壁性：在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固相颗粒便附着在井壁上形成泥饼。,降低滤失量 保护井壁,泥饼的作用,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

2、，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。,三、滤失类型及特点 1、瞬时滤失 （1）定义：钻井液与新地层接触的瞬间，泥饼尚未形成时的滤失。 （2）特点 滤失速率大 瞬间完成，滤失量小，只占总滤失量的一小部分 2、动滤失 （1）定义：钻井液在循环过程中的滤失。,（2）特点 存在动态平衡：泥饼形成速度=泥饼冲刷速度，泥饼厚度不变 压差较大 动滤失速率与钻井液流速有关，流速 滤失速率 3、静滤失 （1）定义：钻井液停止循环时发生的滤失 （2）特点： 时间T 泥饼厚度 滤失速率 单位时间滤失量一般比动滤失量

3、小。,第二节 滤失量影响因素,一、静滤失,（一） 静滤失方程推导,(1)有关假设,瞬时滤失量Vsp=0, 即t=0时, Vf=0; 泥饼的渗透率地层渗透率; 泥饼的渗透率与压差P和时间t 无关, P和时间t 无关; 泥饼厚度井眼直径,可简化为线性滤失.,式中： Vf -滤失量，ml；A-渗滤面积, cm2； K-泥饼渗透率, m2；P-渗滤压差,atm； t-渗滤时间,s；-滤液粘度; hmc-泥饼厚度，cm.,(2)滤失速率,（3）hmc Vf,设在渗滤时间t内，有V的钻井液被滤失掉，则有：,式中： fsc-泥饼中固相体积分数 fsm-钻井液中固相体积分数,联立（2）式和（3）式可得：,把（

4、4）式带入（1）式，并积分得：,式中： A-渗滤面积；K-泥饼渗透率 P-渗滤压差；fsc-泥饼中固相体积分数 fsm-钻井液中固相体积分数 t-渗滤时间；-滤液粘度,1、滤失时间t (1) Vsp=0,（2）Vsp 0,（二）静滤失影响因素,2、压差P Vf 泥饼越致密K Vf,P,3、泥饼渗透率K,渗透率K影响因素： （1）固相颗粒直径 K （2）固相颗粒呈扁平状 K （3）固相颗粒的水化膜厚度 ，易受压变形，K （4）加入降滤失剂 K （5）加入封堵性处理剂（沥青） K （6）压差越大，泥饼越致密，K,4、固相影响,选择优质粘土配浆（颗粒水化膜厚） fsc Vf 钻井液固含 fsm Vf

5、,钻速 流变性变差 油层损害,缺点,5、滤液粘度,滤液粘度影响因素： （1）温度 （2）高分子处理剂 ,6、渗滤面积A,7、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，

6、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。,8、 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

7、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。,（三）静滤失测量,1、API滤失量测定仪（API 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45.82，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

8、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？,（三）静滤失测量,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

9、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以上钻井液滤失量，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。,（1）压差P Vsp （2） 滤液粘度 Vsp （3）泥饼形成速度 Vsp （4）岩层的渗透性,二、 瞬时滤失Vsp,（一） 瞬时滤失的影响因素,（二） 瞬时滤失Vsp测量计算：通过测量静滤失间接测得Vsp 。,三、动滤失 1、影响因素 （1）同静滤失: （2）流速：流速越高，对泥饼的冲刷作用越大，泥饼越薄，滤失量越大。 2、测量 动滤失测量比较复杂，目前还没建立一套统一的测量程序。,第三节 钻井液滤失造

10、壁性与钻井的关系,一、滤失量与钻井的关系 井壁不稳定 损害油层 增加成本 影响钻速,滤失量大,滤失量小,钻井要求：滤失量适中,一般地层,易塌地层,FLAPI10mL FLHTHP 20mL,FLAPI 5mL FLHTHP 15mL,二、滤液性质与钻井的关系 1、滤液pH值 pH值太高 粘土负电荷 不利于井壁和钻井液性能的稳定 腐蚀性 处理剂使用效果,pH值太低,2、矿化度,井壁稳定性 处理剂使用效果,一般要求钻井液pH值在8-11之间。,三、造壁性（泥饼）与钻井的关系 1、泥饼厚度,压差卡钻 钻头泥包 测量工具遇阻 固井质量,泥饼过厚,2、泥饼渗透率K：K 滤失量Vf,3、泥饼韧性好，抗钻井

11、液冲刷能力强 4、润滑性要好,钻井要求：泥饼薄、致密、韧性好、摩阻小,四、钻井液滤失造壁性调节 1、调节依据：调节泥饼渗透率 2、调节方法 （1）使用优质膨润土造浆 （2）加入适量的Na2CO3 粘土分散 （3）加入降滤失剂 粘土分散 （4）加入封堵性添加剂 K,吸附机理：,增粘机理：,捕集机理：,通过氢键吸附到粘土上，增大粘土的负电性和水化膜厚度，提高粘土颗粒间斥力，使钻井液保持一定数量的细颗粒，形成致密泥饼。,增加钻井液滤液粘度。,堵塞机理：,高分子无规线团通过架桥而滞留在孔隙中的现象。无规线团直径dc=（1/3-1）孔隙直径dp,dcdp,无规线团封堵泥饼孔隙入口。,降滤失剂作用机理：,

12、(护胶作用),五、常见降滤失剂,1、改性褐煤类,热稳定性好，耐温180 耐盐耐钙镁性差,抗200 抗盐并耐钙镁离子,K-Hm Na-Hm,硝基腐殖酸钠 磺甲基腐殖酸钠,五、常见降滤失剂,2、改性淀粉类,抗盐抗钙能力强 热稳定性差、生物稳定性差,Na-CMS HES,3、纤维素类 ：NaCMC、HEC,抗盐抗钙能力强 热稳定性差,4、树脂类： SMP-、SMP-,热稳定性好、耐180-200高温 抗盐性强 起泡,5、烯类单体聚合物：Na-HPAN、NH4-HPAN,热稳定性好、耐160 抗盐能力强 加量小,第四节 钻井液润滑性及其调整,上一内容,下一内容,回主目录,返回,一、前言,钻井液的润滑性

13、能通常包括泥饼的润滑性能和钻井液这种流体自身的润滑性两方面。 主要技术指标：钻井液和泥饼的摩阻系数。 钻井液的润滑性对钻井工作影响很大。特别是钻超深井、大斜度井、水平井和丛式井时，钻柱的旋转阻力和提拉阻力会大幅度提高。由于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。,钻井液工艺原理电子教案 第二章,上一内容,下一内容,回主目录,返回,空气与油处于润滑性的两个极端位置，而水基钻井液的润滑性处于其间。空气为0.5，清水为0.35，柴油为0.07。各种水基钻井液的摩阻系数在0.200.35之间，

14、如加有油晶或各类润滑剂，则可降到0.10以下。 对大多数水基钻井液来说，摩阻系数维持在0.20左右时可认为是合格的。但这个标准并不能满足水平井的要求，对水平井则要求钻井液的摩阻系数应尽可能保持在0.080.10范围内，以保持较好的摩阻控制。,从提高钻井经济技术指标来讲，润滑性能良好的钻井液具有以下优点： （1）减小钻具的扭矩、磨损和疲劳，延长钻头轴承的寿命； （2）减小钻柱的摩擦阻力，缩短起下钻时间； （3）能用较小的动力来转动钻具； （4）能防粘附卡钻，防止钻头泥包。,钻井液工艺原理电子教案 第二章,二、钻井液润滑性的影响因素,（一）钻井作业中摩擦现象的特点 随着密封轴承的出现，改善钻井液润

15、滑性能的目的主要是为了降低钻井过程中钻柱的扭矩和阻力。在钻井过程中，按摩擦副表面润滑情况，摩擦可分为以下三种情况：,（1）边界摩擦：两接触面间有一层极薄的润滑膜，摩擦和磨损不取决润滑剂的粘度，而是与两表面和润滑剂的特性有关，如润滑膜的厚度和强度、粗糙表面的相互作用以及液体中固相颗粒间的相互作用。有钻井液的情况下，钻铤在井眼中的运动等属边界摩擦。 （2）干摩擦（无润滑摩擦）：又称为障碍摩擦，如空气钻井中钻具与岩石的摩 擦，或井壁极不规则情况下，钻具直接与部分井壁岩石接触时的摩擦。 （3）流体摩擦：由两接触面间流体的粘滞性引起的摩擦。 钻井作业中的摩擦现象较为复杂，摩擦是混合摩擦，即部分接触面为边

16、界摩擦，另一部分为流体摩擦。在高负荷边界面上，塑性表面的边界摩擦更为突出。在钻井作业中，摩擦系数是两个滑动或静止表面间的相互作用以及润滑剂所起作用的综合体现。,（二）钻井液润滑性影响因素,1、固相的影响,固相含量增高，钻井液润滑性变差,2、有机高分子处理剂的影响,（1）改善泥饼质量,（2）在井壁上形成吸附膜,降低摩擦阻力。,3、润滑剂,钻井液工艺原理电子教案 第二章,上一内容,下一内容,回主目录,返回,三、钻井液润滑剂,使用润滑剂是改善钻井液润滑性能、降低摩擦阻力的主要途径。 钻井液润滑剂品种一般可分为两大类，即液体类和固体类。前者如矿物油、植物油、原油、表面活性剂等；后者如石墨、塑料小球、玻

17、璃小球等。,1、惰性固体润滑剂 塑料小球，其组成为二乙烯苯与苯乙烯的共聚物。该产品具有较高的抗压强度，是一种无毒、无臭、耐酸、耐碱、抗温、抗压的透明球体。可与水基和油基的各种类型钻井液匹配，是一种较好的润滑剂。 缺点：成本较高。 玻璃小球，代替塑料小球，也达到了类似的效果。 塑料小球和玻璃小球这类固体润滑剂由于受固体尺寸的限制，在钻井过程中很容易被固控设备清除，而且在钻杆的挤压或拍打下，有破坏、变形的可能，因此在使用上受到了一定的限制。,石墨粉作为润滑剂具有抗高温、无荧光、降摩阻效果明显、加量小、对钻井液性能无不良影响等特点。 石墨粉能牢固地吸附（包括物理和化学吸附）在钻具和井壁岩石表面，从而

18、改善摩擦副之间的摩擦状态，起到降低摩阻的作用；同时当石墨粉吸附在井壁上，可以封闭井壁的微孔隙，因此兼有降低钻井液滤失量和保护储层的作用。,2、液体类润滑剂 该类产品主要有原油、矿物油、植物油和表面活性剂等。 性能良好的润滑剂必须具备两个条件，一是分子的烃链要足够长（一般碳链R在C12C18之间），不带支链，以利于形成致密的油膜；二是吸附基要牢固地吸附在粘土和金属表面上，以防止油膜脱落。许多润滑剂大多属于阴离子型表面活性物质，多含有磺酸基团，如磺化脂肪醇、磺化棉子油、磺化蓖麻油和其它含硫的润滑剂如硫代烷烃琥珀酸（或酸酐）的唑啉化合物，或含酯的脂肪族琥珀酸（或酸酐）如十八碳烯琥珀酸酐和二硫代烷基醇等化合物。,固体润滑剂能够在两接触面之间产生物理分离，多数固体类润滑剂类似于细小滚珠，可以存在于钻柱与井壁之间，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而降低扭矩和阻力。 固体润滑剂在减少带有加硬层工具接头的磨损