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1、第四章 钻井液的滤失性,掌握有关的基本概念；钻井液滤失过程、滤失方程、影响因素及其调整；了解钻井液滤失造壁性与钻井的关系。,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；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。,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：随着钻井液在井壁
2、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。,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；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。,（1）瞬时滤失（Spurt Loss）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）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，
3、随后逐渐减小，最后稳定在某一固定值。（3）静滤失（Static Filtration）压差不太大，泥饼较厚，单位时间滤失量一般比动滤失量小。,3、钻井液滤失过程,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标准进行测试，测试装置主要有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。,一、滤失量的测定,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
4、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,1、API滤失量测定仪（API Filter Press）,一、滤失量的测定,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，其滤失面积比常温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。,一、滤失量的测定,2、高温高压滤失量测定仪（HTHP Filter Press）,一、滤失量的测定,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。前者是利用转
5、动的叶片来使钻井液流动，渗滤介质为滤片;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,3、动滤失量测定仪,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：泥饼的渗透率应该远远小于地层渗透率；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,1、静滤失方程,泥饼的厚度与井眼直径相比非常小；泥饼为平面型；泥饼在研究过程中
6、厚度不变；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,1、静滤失方程,更正！,二、钻井液静滤失量的影响因素,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：,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,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
7、中：,钻井液中的固相体积分数；,泥饼中固相的体积分数。,二、钻井液静滤失量的影响因素,（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,二、钻井液静滤失量的影响因素,2、影响钻井液滤失量的因素,滤失时间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，但我们一般通常只测7.5min，然后乘以2。,二、钻井液静滤失量的影响因素,但钻井液实验结果表明，绘出的直线并不通过原点，而相交于纵轴上某一点，形成一定的截距。从下图可以看出，在泥饼形成之前，存在一瞬时滤失量Vsp。如果瞬时滤失量大到可以
8、测量的话，就应根据下式确定API标准滤失量。,V30=2(V7.5-Vsp)+Vsp,二、钻井液静滤失量的影响因素,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,计算实例,使用API滤失量测定仪测得2min滤失量为5.5m1，7.5min滤失量为9.0ml，试计算这种钻井液的瞬时滤失量和API滤失量。瞬时滤失量和API滤失量的求解,二、钻井液静滤失量的影响因素,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，
9、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,二、钻井液静滤失量的影响因素,c、滤液的粘度和温度 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剂的加量以及钻井液的温度有关。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。,二、钻井液静滤失量的影响因素,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
10、小。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,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,二、钻井液静滤失量的影响因素,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AP
11、I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。渗滤压差影响着泥饼的压实性，高压差有利于泥饼的压实。有的资料指出，泥饼的压缩系数一般为；而加重钻井液泥饼的压缩系数只有。,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,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。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
12、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,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。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。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。,f、地层渗透率对钻井液滤失量的影响,二、钻井液静滤失量
13、的影响因素,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；,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
14、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。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,二、钻井液静滤失量的影响因素,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。,二、钻井液静滤失量的影响因素,二、钻井液静滤失量的影响因素,
15、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。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。,二、钻井液静滤失量的影响因素,二、钻井液静滤失量的影响因素,二、钻井液静滤失量的影响因素,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
16、，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,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,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；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,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
17、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,对钻井液滤失性能的一般要求在钻开油气层时，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。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,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。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。
18、,二、地层对钻井液滤失性能的要求,研究滤失性能控制与调整之前，我们再返回去看看影响钻井液滤失量的因素，滤失时间、压差、温度、滤液粘度、泥饼渗透率、岩层渗透率以及固相种类和含量等。不可变因素：时间、温度、岩层渗透率；可变因素：压差、滤液粘度、泥饼渗透率和固相种类与含量。所以我们只能从可变因素着手，对钻井液性能进行调整。,三、钻井液滤失性能的控制与调整,压差在实际钻井中也是有要求的，地质上对钻井液密度要求很严，所以调整余地也不大，固相含量调整的余地也不大。但钻井液的粘度和渗透率对泥饼的渗透率影响较大，且可调整范围也较宽，因此我们对钻井液滤失性的调整主要就是调整钻井液的粘度和泥饼的渗透性，以获得薄而
19、致密渗透率低的泥饼。,三、钻井液滤失性能的控制与调整,使用膨润土造浆。膨润土颗粒细，呈片状，水化膜厚，能形成致密的渗透性小的泥饼，而且可在固相较少的情况下满足对钻井液滤失性能和流变性能的要求。一般情况下，加入适量的膨润土可以将钻井液的滤失量控制到钻井和完井工艺要求的范围。膨润土是常用的配浆材料，同时也是控制滤失量和建立良好造壁性的基本处理剂。加入适量纯碱、烧碱或有机分散剂(如煤碱液等)，提高粘土颗粒的电动电位、水化程度和分散度。,三、钻井液滤失性能的控制与调整,加入CMC或其它聚合物以保护粘土颗粒，阻止其聚结，从而有利于提高分散度。同时，CMC和其它聚合物沉积在泥饼上亦起堵孔作用，使滤失量降低。加入一些极细颗粒(如超细碳酸钙、沥青等)堵塞泥饼孔隙，以使泥饼的渗透性降低，抗剪切能力提高。,三、钻井液滤失性能的控制与调整,
