第四章-钻井液的滤失和润滑性能

石油工程学院12020/2/27第四章钻井液的滤失和润滑性能本章要求：1.掌握三个（瞬、静、动）失水概念。2.熟悉七个影响因素。3.钻井液润滑性及其评价。石油工程学院22020/2/27钻井液的滤失性能主要是指钻井液滤失量的大小和所形成泥饼的质量。润滑性能：包括钻井液自身的润滑性能和所形成的泥饼的润滑性能。钻井液的滤失性能和润滑性能控制不好对钻井和地质工作产生多方面的不利影响。主要讨论钻井液滤失量的影响因素，滤失量的测量与控制方法以及钻井液润滑性能的影响因素和测量方法。石油工程学院32020/2/27一、钻井液的滤失与造壁性钻井液的滤失与造壁性是钻井液的重要性能，对松散、破碎和遇水失稳地层(如水化膨胀性地层)的井壁稳定有十分重要的影响。1.钻井液滤失和造壁性的概念水基钻井液中水以三种形态存在，化学结合水、吸附水以及自由水。在压差作用下，钻井液中的自由水向井壁岩石的裂缝或孔隙中渗透，称为钻井液的滤失作用，通常采用滤失量或失水量表示滤失性的强弱。钻井液滤失的两个前提条件是：存在压力差和存在裂隙或孔隙性岩石。石油工程学院42020/2/27在滤失过程中、随钻井液的自由水进入岩层，钻井液中固相颗粒附着在井壁上形成泥饼(细小颗粒也可能渗入岩层至一定深度)，这是钻井液的造壁性，井壁上形成泥饼后，渗透性减小，阻止或减慢了钻井液继续侵入地层。石油工程学院52020/2/27钻井液中细粘土颗粒多，而粗颗粒少。形成的泥饼薄而致密，钻井液滤失量小。粗粒多而细颗粒少，形成的泥饼厚疏松，钻井液的滤失量大。钻井液的滤失量和压差、井下温度及岩石有关。不同井位和层位，岩层的孔隙度和渗透率是不同的，同一种组成具有相同性能的钻井液，在不同岩层的滤失量不同，在井壁上形成的泥饼厚度不一样的。在渗透性大的砂岩、砾岩、裂缝发育的灰岩井壁形成的泥饼较厚；在渗透性小的页岩、泥岩、石灰岩和其它致密岩石的井壁上形成较薄的泥饼，甚至不形成泥饼。石油工程学院62020/2/27泥饼形成示意图石油工程学院72020/2/272.井内钻井液滤失的全过程钻井液在井内发生滤失的全过程由瞬时滤失、动滤失和静滤失三个阶段组成，与此相对应的三种滤失量分别称为瞬时滤失量、动滤失量和静滤失量。（1）瞬时滤失从钻头破碎井底岩石，形成新的自由面的瞬间开始，钻井液开始接触新的自由面，钻井液中的自由水向岩石孔隙中渗透，直到钻井液中的固相颗粒及高聚物在井壁上开始出现泥饼，这段时间的滤失称为瞬时滤失。石油工程学院82020/2/27瞬时滤失特点：时间短（t2秒)、井底岩石表面尚无泥饼，滤失速率很高，亦称初滤失。主要是向井底失水。时间短而量大，伴有少量泥浆渗失。存在于整个钻井过程中。石油工程学院92020/2/27动滤失：紧接着瞬时滤失，在井内钻井液循环的情况下滤失继续进行并开始形成泥饼，随着滤失过程的进行，泥饼不断增厚，直至泥饼的增厚速度与泥饼被冲刷的速度相等，即达到动平衡。此后钻井液在循环下继续滤失但泥饼不再增厚。这段时间的滤失量称为动滤失量。石油工程学院102020/2/27特点：泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。失水速率大、失水量大向井壁失水失水速度由大到小逐渐恒定（高渗透率低渗透率=C）存在于整个循环过程中，时间长，累积失水量大。石油工程学院112020/2/27静滤失：在起下钻或其它原因停止钻进时，钻井液停止循环，液流的冲刷作用消失，此时压力差为静液往压力和地层压力之差。随着滤失的进行，泥饼逐渐增厚，单位时间的滤失量逐渐减小。特点：失水速率小、失水量较小。泥饼厚（无冲蚀作用）。同时向井壁井底失水，以井壁为主。泥饼在动失水的基础上随时间增长而增厚。失水速度随静止时间的增长而减少。静失水量动失水量石油工程学院122020/2/27起下钻结束后，又继续钻进，钻井液重新循环，于是滤失过程由静滤失转为动滤失。此时的动滤失是在经历一段静滤失后的动滤失，开始时泥饼被冲蚀掉一部分，随滤失的进行，直至稳定(泥饼再变薄或增厚)。这一阶段的动滤失比前一次动滤失要小一些。此后停钻又开始静滤失，这是新水平上的静滤失。石油工程学院132020/2/27通过对井内钻井液发生滤失的全过程进行分析，可以看出；瞬时滤失时间很短，但滤失速率最大；动滤失时间最长，滤失速率中等；静滤失时间较长，滤失速率最小。滤失速率是指单位时间内滤失液体的体积。井内钻井掖的滤失作用是在不同温度和不同压力差下向岩层渗透的。石油工程学院142020/2/27温度和压力差对钻井液滤失量有很大影响。可分低温低压滤失量(或称为API滤失量)和高温高压滤失量。滤失量的评价，国内外通常采用API滤失量，在规定的压力差下以通过一定的渗滤断面(通常用滤纸作为渗滤介质）30min内的滤失量来衡量，单位为m1／30min。石油工程学院152020/2/271.失水量过大两个害处：导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降，从而损害油气层。2.泥饼过厚两个害处：井径缩小—易引起起下钻遇阻遇卡。泥饼粘附卡钻。石油工程学院162020/2/273.现场要求泥饼——薄、密、韧。失水量——适当（并非越小越好）。对于一般地层：API失水：1015ml/30min；对于水敏地层：API失水5ml/30min。石油工程学院172020/2/27向井壁的失水有害①易造成井塌和缩径阻、卡、划②易损害油气层：阻、堵、水锁、沉淀向井底的失水有利①降低井底岩石强度，增加可钻性，有利钻速提高。②消除压持效应，避免重复切削，有利钻速提高。瞬失失水越大，钻速越高。石油工程学院182020/2/27控制失水量原则：五严五宽五严：井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段。五宽：井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。11石油工程学院192020/2/27三、影响钻井液滤失量的因素1.静滤失（1）钻井液静滤失方程：单位渗滤面积的滤失量与泥饼的渗透率、固体含量因素、渗滤压差、渗滤时间的平方根成正比；与滤液粘度的平方根成反比。石油工程学院202020/2/27（2）滤失时间对滤失量的影响理想状态下，滤失量与时间的平方根成正比，不考虑瞬时滤失，7.5min的滤失量将是30min滤失量的一半，通常用7.5min的滤失量乘以2作为API滤失量。由于存在瞬时滤失，对于滤失量较小的钻井液，测量时间应取30min,如果用7.5min的滤失量乘以2来推导，30min滤失量将带来较大的误差。V30=2V7.5-Vsp石油工程学院212020/2/27(3)压差对滤失量的影响：静滤失方程中滤失量与压力差的平方根成正比。钻井液滤失量不一定与压差成平方根关系。钻井液的组成不同，滤失时形成泥饼的压缩性不相同。随压差增大，渗透量减小的程度有差异，滤失量与压力的关系也不同。石油工程学院222020/2/27通常可表示为Vf，钻井液不同指数x不同，但小于0.5。在低压差时，不同钻井液所测得的滤失量相近，但高压差下可能有较大的差别。在深井和对滤失量要求严格的井段钻进前，最好进行高压差滤失实验。油基钻井液滤失液(一般为柴油)的粘度随压力的增加而增加，根据滤失方程可随粘度增加滤失量是减小的。xp石油工程学院232020/2/27（4）滤液的粘度、温度对滤失量的影响根据静滤失方程，钻井液滤失量与滤液粘度的平方根成反比。滤液粘度越小，钻井液的滤失量越大。滤液的粘度与有机处理剂的加入量有关，有机处理剂如CMC，HPAM等加入量越大，滤液的粘度越大。可以通过提高滤液粘度降低滤失量。石油工程学院242020/2/27温度升高导致滤失量增加：1）温度升高，溶液液的粘度降低，滤失量越大。2）温度改变钻井液中粘土颗粒的分散程度、水化程度、粘土颗粒对处理剂的吸附以及改变处理剂特性等。随着温度上升，水分子热运动加剧，粘土颗粒对水分子和处理剂的吸附减弱，解吸附的趋势加强，使粘土颗粒聚结和去水化，影响泥饼的渗透性。造成滤失量上升。石油工程学院252020/2/273）高温还会引起钻井液中粘土颗粒的去水化和处理剂的脱附，使液相粘度降低，以及处理剂本身特性改变，导致滤失量增大。在高温的作用下，钻井液中的某些处理剂会发生不同程度的降解，并且会随着温度升高降解程度加剧，最后失去维持滤失性能的作用。石油工程学院262020/2/27（5）固相含量和类型对滤失量的影响根据静滤失方程，钻井液的滤失量与[(fsc/fsm)-1]成正比，钻井液中的固相含量越高，泥饼中的固相含量越小，钻井液的滤失量越小。钻井液中的固相含量增大，机械钻速降低，泥饼增厚，通过增大钻井液中的固相含量来降低滤失量是不可取。通常的办法是减少泥饼中的固相含量，降低泥饼中固相含量的办法是采用优质土造浆和用有机处理剂。石油工程学院272020/2/27（6）岩层的渗透性对滤失量的影响岩层的孔隙和裂缝是钻井液滤失的天然通道。岩层有一定的孔隙性，钻井液在压差作用下，产生滤失形成泥饼。岩层的孔隙性和渗透性，在瞬时滤失阶段和泥饼开始形成时，对滤失起重要作用。在形成第二过滤介质—泥饼之后，岩层的孔隙性和渗透性对钻井液的滤失不起主要作用，这是由于泥饼的渗透性一般远远小于岩层的渗透性。石油工程学院282020/2/27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，即瞬时滤失渗入层，瞬时滤失时细颗粒渗入深度可达25—30mm；架桥层，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；井壁表面形成具有一定渗透性的外泥饼。石油工程学院292020/2/27（7）泥饼的压实性和渗透性滤失量测定的结果往往是泥饼厚滤失量大，泥饼薄滤失量小，这主要是因为厚泥饼的渗透性大，薄泥饼的渗透性小。泥饼的渗透性是决定因素。泥饼的渗透性取决于泥饼中固相的种类，固相颗粒的大小、形状和级配，处理剂的种类和含量，以及过滤压差等。石油工程学院302020/2/27泥饼的压实性，高压差有利于泥饼的压实，影响泥饼的渗透性能。泥饼中颗粒尺寸分布同样也影响泥饼的渗透能力。颗粒尺寸均匀变化时，得到较小孔隙度，较小的颗粒致密地填充较大颗粒的孔隙之间。较大范围颗粒尺寸分布的混合物。小颗粒客要比大颗粒多形成的泥饼孔隙度小，处理剂的种类和加量决定颗粒是分散、絮凝以及颗粒四周可压缩性水化膜的厚度，影响泥饼的渗透率。石油工程学院312020/2/27胶体种类、数量及颗粒尺寸影响泥饼渗透率。例如在淡水里膨润土悬浮液的泥饼有极低的渗透率。因为粘土是扁平小片、薄膜状特点，使这粘土能在流动的垂直方向将孔隙封死。在钻井液加入沥青，当沥青是胶体状态时具有控制滤失的效果。油基钻井液通过使用乳化剂来形成油包水乳化液、体系中细小且稳定的水滴像可变形的固相，产生低渗透率泥饼，控制滤失量。石油工程学院322020/2/27(8)絮凝与聚结对泥饼渗透的影响钻井液的絮凝使得颗粒间形成网架结构、网架结构使渗透率有一定的提高。滤失压差越高，这种结构越难形成，孔隙度与渗透率随压力的增加减小。在钻井液里添加稀释剂，稀释剂反絮凝作用使泥饼的渗透率降低。大多数的稀释剂是钠盐，钠离子可以交换粘土晶片上的多价阳离子，使聚结状态转变为分散状态，降低泥饼的渗透率。石油工程学院332020/2/272、动滤失(1)钻井液流动的影响钻井液在循环流动中的滤失过程称为动滤失。影响动滤失的因素与静滤失类似。不同的是动滤失还与钻井液流动有关，剪切速率和钻井液流态对动滤失的影响。在动滤失条件下、泥饼的增长受到钻井液冲蚀作用的限制。当岩层的表面最初暴露时，滤失速率较高，泥饼增长较快，随着时间的推移，泥饼的增长速率减小，直到最终等于冲蚀影响的速率。泥饼厚度不再发生变化。动滤量与泥饼渗透率成正比，与泥饼厚度成反比，与渗透时间成正比。石油工程学院342020/2/27钻井液动滤失时的泥饼厚度是剪切速率、流态以及泥饼剪切强度的函数。紊流对泥饼有很强的冲蚀作用，与层流时相比，紊流状态下形成的泥饼较薄，滤失量较大。平板型层流靠近井壁处的流速梯度较尖峰型层流大，冲蚀泥饼的力量比尖峰型层流强，泥饼比尖峰型层流薄，尖峰型层流时形成的泥饼最厚。使用低返速、高粘度的钻井液时，钻柱经